作為第三次工業(yè)革命標(biāo)志的3D打印技術(shù),經(jīng)過二十多年的發(fā)展,其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域逐漸成熟,應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)充。根據(jù)美國專門從事增材制造技術(shù)的技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會Wohlers發(fā)布的年度報(bào)告顯示,對各行各業(yè)對增材制造技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析,可以看出,3D打印技術(shù)目前在消費(fèi)電子、汽車、醫(yī)療牙科、科研用途應(yīng)用較多。
1、增材制造關(guān)鍵技術(shù)在生物領(lǐng)域應(yīng)用
在生物制造領(lǐng)域,增材制造技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和發(fā)展,該領(lǐng)域也是增材制造技術(shù)研究最前沿的領(lǐng)域。“細(xì)胞打印”是增材制造技術(shù)與生物制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,解決了傳統(tǒng)組織工程難以解決的問題,利用計(jì)算機(jī)控制含細(xì)胞液滴的沉積位置,在指定位置逐點(diǎn)打印,層層疊加形成三維多細(xì)胞/凝膠體系。2010年6月,美國Organovo公司成功研制的“按需打印”患者所需的人體活器官的機(jī)器,其打印原理如圖2所示;2011年9月,德國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功研制出人造血管,如圖3所示,該成果有望成為廣大器官移植者的福音;2013年2月20日,美國康奈爾大學(xué)的研究人員利用牛耳細(xì)胞在3D打印機(jī)中打印出人造耳朵,如圖4所示,該技術(shù)有望用于先天畸形兒童的器官移植;2月,英國赫瑞瓦特大學(xué)和一家干細(xì)胞技術(shù)工程,利用真空閥門式3D打印技術(shù),將3D打印拓展到人類干細(xì)胞范圍。目前生物制造領(lǐng)域的研究主要為一些國外的科研機(jī)構(gòu),我國在這一領(lǐng)域的研究離國外還存在一定差距。


2、增材制造關(guān)鍵技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用
在航空航天領(lǐng)域,隨著新一代飛行器不斷向高性能、高可靠性、低成本方向發(fā)展,越來越多的航空航天零部件趨向于輕量化、高強(qiáng)度、復(fù)雜化,從而推動了增材制造技術(shù)的大發(fā)展。歐美等國已將增材制造技術(shù)視為提升航空航天領(lǐng)域水平的重要關(guān)鍵技術(shù)之一,并且得到了極大應(yīng)用,利用增材制造設(shè)備打印航空發(fā)動機(jī)工作流程如圖5 所示。美國GE公司收購了專門開發(fā)激光燒結(jié)金屬粉末技術(shù)的Morris Technologies公司,組建了大規(guī)模制造加工中心,并在世界范圍內(nèi)舉行噴氣發(fā)動機(jī)負(fù)荷支架設(shè)計(jì)競賽,最終來自印尼的M Arie KURNIAWAN的設(shè)計(jì)因剛度和輕量化的最佳組合獲得冠軍,設(shè)計(jì)產(chǎn)品如圖6所示。美國NASA正研究利用3D打印技術(shù)打印望遠(yuǎn)鏡,以減小加工制造成本,太空望遠(yuǎn)鏡3D打印原理如圖7所示。此外,NASA選用“選擇性激光熔融”3D打印工藝,將鎳鉻合金粉末逐層堆積熔化,形成兩個(gè)零件組成的噴嘴,并成功通過火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)。在我國,北京航空航天大學(xué)王華明教授團(tuán)隊(duì)突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等關(guān)鍵構(gòu)建激光成形工藝、裝備、關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù),研制了五代激光熔融沉積制造裝備,成型能力為4m×3m×2m,其主持的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項(xiàng)目獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎,打印的大型復(fù)雜整體構(gòu)件如圖8所示。西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)依托國家凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,研制成功系統(tǒng)集成完整,技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)的激光熔融沉積成形裝備,為航空、商飛等企業(yè)提供了多種大型桁架類鈦合金構(gòu)件。華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)在激光選區(qū)熔化成形和激光選區(qū)燒結(jié)成形方面從裝備研制、工藝研究和機(jī)制研究方面開展了獨(dú)具特色的工作,其研究成果在航天、船舶等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。總之,增材制造技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的研究越來越廣泛和深入。




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