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利用3d打印技术

2021-02-06 05:32

中国机械工程学会生物制造分会副理事长王成焘,将个性化治疗中的3d打印比作“量体裁衣”。“做人体的植入物,放入接骨板或者关节。这就跟西装最好是定做的一样。用这个方法,手术还没做之前,模型做出来就可以量体裁衣,也就可以度身定做个性化植入物。”

比如本身没有生物相容性且不降解的材料,不能放在身体里,但对于手术规划、假肢设计等环节能起到关键作用。“手术规划这种应用很重要。比如过去病人髋关节的股骨头置换手术需要40多个小时。现在可以利用ct扫描数据,先重构出三维打印模型,在术前设计制造假体,进行装配和矫正,在术中稍加改动就可以,只要4个小时。包括特别复杂的比如连体婴的分离手术,也可以通过3d打印在体外建立个性化的婴儿骨骼模型,帮助手术规划。”

马义和称,“3d打印建筑最大的好处在于,能把建筑材料强度提高很多倍。我们可以打一面空心的墙,里面填充上保温材料,很轻而且强度很高。”

在电视媒体的报道中,3d打印似乎简化成了一台台可以放在桌面上的打印机,它们以塑料为材质,打出各种小模型、小玩具。其实,3d打印目前真正直接用于制造业的,是远离日常生活的重工业领域,比如航空航天、核电设备等。

清华大学教授、中国3d打印技术产业联盟首席顾问颜永年对此表示认同。颜永年认为,3d打印在核电制造上大有可为,“核电的主管道一般重8-10吨,造价在1500万元左右,进口的可能还要达到2500万元。对核电主管道来说,平均一吨的造价就是150万元。这是全球所有锻件中最贵的。而这种锻件,就值得用3d打印来做。”

吸引颜永年的,还有自贸试验区因素。“有了自贸试验区之后,我们打算在这里办一个窗口企业,而制造工厂则在自贸试验区外的临港地区。”颜永年称,“临港这里非常好,有核电基地,有中船重工。中船重工需要很多容器,还有商飞、商发,它们也需要很多大锻件。我们希望我们的土地就在商飞的后面。这里有高端锻件的大量需求,而我们的技术又非常有效。”

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上海福斐科技发展有限公司总裁连钢表示,大多数人对3d打印存在误解。真正在创造价值的,并非许多人印象中如同玩具般的桌面3d打印机,“其实有一大块今天已经应用得非常好、非常成熟的东西,不是在每天的街上、商店能看到的。如果去制造基地、工厂、服务基地看看,你会对3d打印有一个完全不同的感官。”

比如为了制造ap1000的堆芯段,锻件重量是99吨,但需要的钢锭是300吨。又比如ap1000的底封头,锻件重量是18吨,但钢锭重量要达到114吨。

“现在也有病人主动提出要做3d模型,这对于术后的生活质量有保证,这样的病例规模在逐渐扩大。”林峰说,尽管有行业研究机构称,未来3-5年中国将成为全球最大的3d打印市场,但3d打印在生物制造领域的产业“引爆点”会来得更慢一些。

“3d打印是重要技术革命,但不是颠覆性的。我觉得专家领域都不认为是颠覆性的。成型后面还有很多事情要做。”王成焘说,英国《经济学人》杂志所刊登的保罗·麦基里有关“第三次工业革命”的系列文章中指出,一种建立在互联网和新材料、新能源相结合基础上的第三次工业革命即将到来,而非此前媒体所宣传的“3d打印将推动工业革命”。

离散的过程把三维的零件沿一个方向切成一片一片,就像微积分中的“微分”过程。在每一个片层里面,可以进一步离散,变成一条条线段。每条线段中又可以进一步离散,变成一个个点。最后把它连起来形成一种低维的型体,点线面。这是在计算机中处理的数据过程。然后在设备的物理环境中再把这些点线面叠在一起,形成三维的实体零件,这是一个堆积的过程。离散和堆积两个环节在三维打印里缺一不可。像盖房子,就是一个堆积的过程,但是不把它称为三维打印,因为它不在计算机离散数据的控制下,而是在人为操作下运行。

“3d死掉的概念是死在自己没有认准3d究竟是什么。它是一种辅助手段,来解决工业革命中必须解决的周期问题。”陆豪称。

核电的主管道可谓是庞然大物,以ap1000为例,其内径有700mm,外径有1200mm。其功能又相当于人心脏的冠状动脉,是核心中的核心。

凭借“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”,王华明今年获得了国家技术发明一等奖。今年9月,中共中央政治局就创新驱动发展战略,来到中关村(行情 股吧 买卖点)集体调研学习,其第一站便是3d打印,作为领军人物,王华明向中共中央总书记习近平作了15分钟的汇报。

“上海作为有老工业基地底蕴的城市,对基础装备的理解也比其他地方好,其他地方能够理解纺织装备,能够理解织布装备,但没法理解基础装备,他们只知道装备就是装备,不知道还有装备的装备。最终觉得我们的归属还应该是上海临港,尤其是有了自贸试验区之后,原来没有下定决心的,现在下定决心了。”颜永年说。

在3日的论坛上,王华明就航空与3d打印结合,举了中国c919大型客机的例子。该机型的机头驾驶室的主风挡窗框,就运用了他们的激光3d打印技术。“商飞如果从国外订货,周期至少两年,仅模具费用就需要1300万元人民币。当时工期还剩55天,商飞找到我们,时间很紧,但我们还是完成了,而成本仅为120万元。”

可查资料显示,波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(787、380)中,钛合金用量已由第三代(747、300)的不到4%上升到9%以上,第三代歼击机中钛合金结构件用量由f-16的约3%增加到了f18、苏-27的15%以上,而第四代歼击机f-22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41%。大型整体钛合金结构件用量的高低,已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。

而通过打印活细胞或细胞-材料复合体,就其放置在接近体内的三维环境里生长,可以模仿体内的生理和发病过程,有利于药物的筛选。“除了构建细胞模型,还可以利用3d打印开发缓释的、定向的药物,吃进去之后慢慢释放,不同时间释放不同的量。包括还有一些靶向,比如说这个地方有病灶,有癌症或是衰竭,可以通过磁、光等方式把药引导到这个部位再释放出来,而不是以前的药吃进去之后碰到哪算哪。这些药的开发都可以利用3d打印技术来实现。”王成焘说。

航空制造之所以与钛合金有着不解之缘,是因为钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能好等突出特点。其在航空装备中用量越来越大,而且主要被用作各种机身加强框、梁、接头等飞机大型关键主承力结构件。

导言:在电视媒体的报道中,3d打印似乎简化成了一台台可以放在桌面上的打印机,它们以塑料为材质,打出各种小模型、小玩具。其实,3d打印目前真正直接用于制造业的,是远离日常生活的重工业领域,比如航空航天、核电设备等。

有业内人士称,3d打印要警惕重走中国光伏产业一哄而上的老路。

而高性能金属结构件激光熔化沉积“近净成形”制造技术,利用快速原型制造的基本原理,以金属粉末(或丝材)为原材料,通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积,直接由零件cad模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造,是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本、先进“近净成形”制造新技术,在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的应用前景。

“来找我们谈合作的也挺多,各式各样的企业都有,现在还没定下来。像昨天中航投资也来找我们谈过,还有一些民营企业,各个地方的开发区、高新区,还有清华、北京的一些公司。但我们还是希望有搞生物医药(行情 专区)的投资、基金能进来,这对行业发展有好处。”林峰称。

“首先材料一定是液态的,能够自凝固成型,而且能满足建筑安全,利用很低的成本就可以大规模生产。这种材料弹性大,可塑性高,对人体零伤害,对环境零污染。而且自重轻,自带保温,可就地取材。”马义和认为,3d打印技术加上高强度的纤维建筑材料,可使未来的建筑摆脱钢筋的束缚,大大降低建筑物的材料和施工成本。

卓越集团董事长、软银赛富投资合伙人陆豪认为,整个3d行业还处于一个行业拉升阶段,所谓的“春天”还言之过早。“3d作为一种表现手段,处于研发阶段的成熟度已经非常高了。但从工厂化角度来说,还处于萌芽期。因为它要颠覆原有的很多标准。”

“根据其结构设计、材料制备、构件制造一体化的特点,3d打印对于设计复杂、超复杂的大型乃至超大型结构,有着低成本、短流程、快速数字制造的特点。”王华明称,“有了3d打印后,一些超大超复杂的产品制造就成为了可能,这便解放了设计师,使他们可以大胆设计。”

林峰认为,股票市场3d打印概念走热,炒作成分居多,目前国内3d产业本身并不大。“专门从事3d打印的企业里能盈利的也就一两家,盈利也就一点点。投入还是主要的。所以现在这个产业并不大,资本市场看好有可能,因为是未来的一个东西。但现在上市企业做这块的还比较少,大部分都还没上市,或是一些小企业和准备投资的企业。”

颜永年解释,自贸试验区的优势在金融,做高端锻件需要大量资金,而外国的银行融资成本低。

林峰介绍,按照成型材料的生物性能不同,生物医学领域的3d打印应用可分为四个层次。

不过,目前该技术中的基础装备12万吨垂直压机和7万吨水平压机还没有做出来。“我们的压机计划是在江苏省做的,根据清华大学和江苏省的协议,我们来到了昆山,现在我觉得江苏吃不下这个项目,我觉得还是放到上海比较好。”

上海市企业联合会副会长夏小华认为,许多人对3d打印的误解不仅体现在设备形态上,还涉及更大的问题,“我们是一个制造大国,就把它简化成一个制造技术,把设计那一块忽略掉,我认为这样的话将来大部分都会死掉的。因为光有技术不够,没设计能力不行。”

12月3日,在上海举行的“3d打印技术与未来”高峰论坛上,有中国3d打印之父之称的中国工程院院士卢秉恒称,3d打印作为科技专项,其重点突破的领域应该是航空航天产品高效研制、医学组织器官定制化制造,以及汽车、微纳器件。而这里面,航空航天又为重中之重。

美国南加州大学工业与系统工程系教授比洛克·霍什内维斯(behrokh khoshnevis )曾公开表示,利用3d打印技术,可以在20个小时之内建成一幢面积2500平方英尺的建筑物。霍什内维斯称,3d打印机的可贵之处在于,它可以听从电脑程序,打印完一层自动爬上另一层,非常有次序,一砖一瓦都不会遗漏,这保证了它的稳定性。而且会依据强大的几何计算采用坚固的材料,来保证几年到更多的时间内,房子不会有质量问题。

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对于3d打印的“被神话”,王成焘称,“现在从媒体到个人,都到了螺旋上升的第二圈,到了该冷静下来,回到各自的领域好好地利用3d打印各种功能的阶段。”

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颜永年称,采用融合了3d打印技术的a-dm技术后,制作核电主管道模具费用可以节省四分之三,材料利用率从5%~15%提高到85%~90%,生产周期缩短三分之二,能源节省60%,大大提高高端锻件的可靠性、一致性和精度。

对于生物相容性好、不降解的材料,可以用于整形、人工假肢植入物等,比如治疗小耳畸形的个性化耳软骨支架。材料的生物相容性好且降解的材料,可用于制造组织工程支架,将人体内相应的细胞提取出来之后,利用3d打印做成多孔支架,长成组织之后放到体内,帮助细胞、神经等组织生长。

“大家能够慢慢接受估计得5-8年,真正要发展可能还得到10年以后,这个还得药监部门的批复,还有具体产品要能出来,这个时间还是很长的。有的应用比如说支架制造也已开始产业化,但真正要成为产品批号的话,还是有个过程。”林峰认为,10年以后,无论是药物研究过程还是疾病的研究中,都会广泛应用3d打印的各种设备和技术,“到那个时候,3d打印会作为一种非常基本的医疗手段。”

3d打印,其实就是增材制造。目前关于其定义形形色色。清华大学机械工程系教授、先进成形制造教育部重点实验室副主任林峰给出的解释是:如果是传统的加工方式,是通过增加制造工具和机床的加工维数,从最早的三轴联动、四轴联动到五轴联动,联动的轴数越来越多,以应对零件复杂程度的越来越提高。这是一种增维制造的方法。而三维打印是一种降维制造过程,它把三维零件结构的加工过程先离散成一系列二维的片层,然后堆叠起来,最后完成三维结构成型。它把零件的复杂程度简化了。所以降维制造或是分层制造,是它最明显的特点。

除了航空航天、军工、文化创意等应用领域,3d打印技术在生物制造领域的“用武之地”同样广阔。基于离散-堆积原理,生物制药行业可使用医学材料3d打印具有生物活性的人体器官、植入物甚至细胞。

但是,由于受钛合金本性的影响,采用“锻造+机械加工”等传统技术制造这些大型复杂钛合金关键结构件,不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业装备,而且制造工序繁多、工艺复杂,需要大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等,零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5%~10%)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长。

在陆豪看来,只有找到了真正适合3d打印特征的应用,才能具备价值。

目前,中国在将3d打印技术运用于航空航天领域上走在了全球的前列。

随着新的核电安全要求越来越高,比如现在ap1000的核电管道要求一体化成型,禁止空间曲线焊缝,整个核电制造业面临着越来越大的压力。用已有工艺,上海电气(行情 股吧 买卖点)集团做ap1000的主管道,锻造单根的流程需要一年时间,而且材料浪费大。

尽管国家层面仍未正式出台专门针对3d打印行业的战略规划和扶持政策,但自去年12月工信部副部长苏波表态将推动3d打印产业化之后,以3d打印技术名义成立的研发中心在各省市遍地开花,3d打印概念股亦全线飘红。

据介绍,这些技术至今已为全国临床提供了近7000例的3d模型打印服务。

北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任、材料加工工程学科责任教授王华明,是3d打印航空科技领域的引领者。其带领的团队在国际上首次突破了飞机钛合金等大型主承力构件激光成形工艺、装备和应用关键技术。

目前,国内凡是挂上3d打印招牌的,都会迎来资本市场的热炒。对此,卓越集团董事长、软银赛富投资合伙人陆豪提出了冷思考:互联网时代早期,只要触网的都会拉升,现在的3d打印也是,百分之八九十会死掉,剩下百分之二三十才是真正做到有应用方案和收益的。

3d打印的应用范围广泛,各行业对该技术所能带来的经济预期不尽相同。但多数业内人士与专家均表示,3d打印并不是原有的等材和减材制造工艺的颠覆,而是对传统技术的提升、改造和完善。

卢秉恒透露,上述建议作为中国增材制造(即俗称的“3d打印”)发展战略的一部分,已经由中国科学院院士路甬祥及中国工程院院长周济领衔制定,并提交给了高层领导。

颜永年透露,就这个技术,他和一重、二重、中广核、国核技接触了很多次。

陆豪指出,3d打印能否“遍地开花”,不能一概而论。“各地都在打3d技术。3d在医疗应用已经很成熟了,在工业设计也很成熟,对模具产业会产生影响。未来3d产业的发展,取决于当地的创新产业和工业设计,以及医疗成熟度和民用个性化产品的集聚度。本身是个农业省市怎么能去做3d打印机?所以将来有的政府会赚大钱、有的政府不赚大钱,取决于应用是否集聚。”

a-dm法,即利用粉末作为原料,采用3d打印的lcd成形方法,直接获得无偏析、变形合理、极小余量接近净成形坯件,以替代钢锭开坯和预锻。通过垂直分模挤压,获得内部缺陷、强度、抗疲劳性能和晶粒度等均达到要求的ap-1000主管道。