3D打印技术1

3D打印技术

3D打印技术,即快速成型技术的一种,它就是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印就是一种“自下而上”分层添加材料实现快速产品制造的技术,具有制造成本低、生产周期短等明显优势,被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。

一、3D打印基本概念

传统的切割加工就是利用刀具进行材料的切削去除,就是一种“自上而下”的加工方式。这种加工方式就是从已有的零件毛坯开始,逐渐去除材料实现成型,因此受到刀具能够达到的空间限制,一般很难制造出复杂的三维空间结构。

3D打印技术的成型原理与上述传统方法截然不同,采用材料逐层累加的方法制造实体零件,相对于传统切割加工技术,该方法就是一种“自下而上”的制造方法,3D打印的实质就是增量制造:“通过增材制造,从零件的电子、数字化描述直接到最终产品的过程”。因此3D打印技术具备两个本质特征:一就是数字化模型直接驱动,将产品的数字化模型输入3D打印机,就能直接“输出”最终产品,实现快速制造,不需要制模或铸造;二就是基于离散-堆积成型原理的逐层材料添加方式,可成型任意复杂空间结构,具有很高的柔性。

二、3D打印技术的优缺点。

优点:①不需要机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率;②通过摒弃传统的生产线,有效降低生产成本,大幅减少材料浪费;③可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让产品设计更加随心所欲;④可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品,与机器制造出的零件相比,打印出来的产品的重量要轻60%,并且同样坚固。

缺点:可打印的原材料少、打印精度低、速度较慢、打印成本高。

(3D打印原材料:工程塑料、光敏树脂、橡胶、金属、陶瓷等)

三、3D打印军事应用现状

(1)2012年,美国Sciaky公司的新型电子束3D打印技术取得重要突破,具备大型金属部件加工能力,美国国防部与洛克希德•马丁公司准备将其用于生产F-35战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件,前期检测全部达到要求。

(2)3D Systems公司的激光熔融技术取得重要进展,美国空军将在此基础上开发用于打印F-35战斗机与其她武器系统的3D打印机。

(3)美国太空制造公司的太空3D打印技术的成熟度达到6级,具备在太空中的模型或样机演示能力,2012年11月获得NASA的第二阶段合同,进一步将技术成熟度提升到8级,完成实

际系统并通过试验与验证,最终具备应用于太空站维修、升级与延寿,载荷升级改进,硬件太空制造等方面的能力,2014年向国际空间站运送首台3D打印机。

(4)早在2002年,美国就开始将激光成型钛合金零件装上战机试验。但由于无法解决制造过程中钛合金变形、断裂等技术难题,美国始终只能生产小尺寸钛合金部件与对钛合金零件表面进行修复。近年,美国积极开展3D打印技术生产大型钛合金部件的研究。美国军方与军工企业正与3D Systems与Sciaky等3D 打印技术公司合作,推进大尺寸钛合金3D打印技术在战斗机制造上的应用。

(5)2013年,美国开始使用3D打印技术批量生产喷气发动的燃料喷嘴。在3D打印技术应用于轻型物质制造方面,2013年,美国“固体概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金属手枪,能够连续发射50发子弹并保持完好。

(6)维修方面,美国已开始部署基于3D打印技术的维修保障装备。2012年7月与2013年1月,美军部署了两个移动远征实验室,用于装备维修保障。此移动远征实验室就是一个20英尺长的标准集装箱,可通过卡车或直升机运送至任何地点,利用3D打印机与计算机数字控制设备将铝、塑料与钢材等原材料加工成所需零部件。此举可以在战场快速生成需要的零部件,甚至快速设计与生产急需的装备,实现及时精确保障。此外,美国陆军开发了一种轻质便宜的3D打印机,可以放到背包中,用于在战场中快速、

便宜地制造替换零件。

(7)我国的激光快速成型3D打印技术已达到世界领先水平。北京航空航天大学已掌握使用激光快速成型技术制造超过12平方米的复杂钛合金构件的技术,并成功应用于武器装备研制,相关成果“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术”获2012年度国家技术发明奖一等奖。西北工业大学掌握了一次打印超过5米长的钛金属飞机部件的3D打印技术。

(8)我国就是世界上唯一掌握钛合金大型主承力构件激光快速成型制造技术并工程应用的国家。北京航空航天大学与西北大学的3D打印技术已成功应用于多个国产航空项目的原型机制造。我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框、大中央翼根肋,正在设计的新型战斗机的钛合金主体结构均采用激光快速成型技术制造。

(9)据报道,歼-10飞机研发用了近10年时间,而运用3D打印技术后,我国在3年时间内就推出了舰载机歼-15,直接跨入第三代舰载战斗机方阵。在我国国防科技装备领域,目前,3D打印技术已被全面应用于歼-20隐形战斗机与歼-31第五代战斗机的研发中。有外媒惊呼,3D打印机正在制造空军发展的“中国速度”。

加快3D打印技术的发展与应用就是弥补我国当前武器装备设计、制造与维修保障能力的不足,提升研发效率,降低制造成本,提高维修保障时效性与精度的有效途径。我国3D打印技术在钛合金大型复杂整体构件激光成型等方向居于世界领先地位,但整

体水平仍有很大的提升空间。应着眼武器装备长远发展,统筹规划,汇聚各方面力量推动3D打印技术的发展与应用,为实现“能打仗、打胜仗”的目标提供技术支撑。一就是将3D打印技术作为我国制造业升级的关键,军民融合、整合资源,集全国之力进行发展;二就是针对当前存在的问题,加强材料技术3D打印核心关键技术研究,改变我国核心关键设备受制于人的状况;三就是积极探索3D打印技术在武器装备建设中的应用,以应用牵引技术发展方向与重点。

四、3D打印技术的实际应用

(一)开源3D打印枪支的例子

美国得克萨斯大学法律系的大二学生与一群自称分布式防御组织成员的朋友发起了一个项目,称为“维基武器项目”:设计出全球第一款可从网络下载蓝图的枪械,并能够完全利用RepRap这样的开源3D打印机制造出来,然后将之与世界共享。2012年7月,利用3D打印机制造的下机匣组装在一把实用的AR-15步枪上,试射了200发子弹,而下机匣部件未见任何磨损。下机匣尤其引起争议,因为法律上认定它就是枪械的主体部件,其销售及分销就是受到管制的。有了通过3D打印机制造的下机匣,枪械爱好者将能购买其她不受法律管制的部件并进行组装。2012年12月,对3D打印机出产的AR-15步枪进行了测试,在刚开始的测试射击中没有任何质量问题,但在第六次射击时,枪支三处涌现分裂。