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来自 印刷出版 2019-11-03 03:07 的文章
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西藏省3D打字与印刷行业发展情状,石墨烯三维打

唰唰唰,随着微滴喷射3D打印设备的循环往复,砂子状的碳硅复合材料逐层粘结成型,出现在面前的是九龙壁的冰山一角。

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一、3D打印的制造优势

吃进去是粉末,吐出来的可能就是栩栩如生的海王、精美绝伦的十二兽首、三十多米高的景观雕塑日前,多维时空自由制造工业中心在大庆市建成并投入运行,在国内率先实现了碳硅复合材料3D打印应用于实体文化市场,并成为目前国内规模最大的3D打印产业化基地。 太震撼了!简直不敢相信大庆竟然能制造出这么精细的3D打印作品!俄罗斯乌拉尔国际公司总经理奥谢特洛夫激动地说。摆在奥谢特洛夫面前的是一座2.7米的欧式精美浮雕作品,如果用人工雕刻的方式,需要三个人制作两个星期才能完成,而在我市的多维时空自由制造工业中心,运用3D打印的先进技术,7台机器同时开工,只需要一天就能制造完成,不仅极大地缩短了制作时间,同时也为用户节约了成本。 3D打印又称增材制造,是一种以数字模型文件为基础,把材料通过逐层打印的方式来构造实体的技术,是当前最先进、最前沿的制造方式,广泛应用在医疗、教育、文创等与生活息息相关的各个领域。 在多维时空总经理李苏亮手中,记者见到了3D打印专用的碳硅复合材料,直径是一粒小米十分之一大小的粉末颗粒,捧在手中犹如一捧细砂。 砂难聚塔。将无机粉末打印成产品,多维时空经过无数次的探索与努力。5年多的科技攻关,企业完成了7大工艺类别、22款设备、9套软件系统、数十种应用材料的开发工作,掌握了3D打印的前沿技术,相关专利覆盖设备、软件、材料、工艺等全技术体系,其中多项技术成果填补了国内相关领域的空白。 砂里淘金。多维时空革命性降低了主题乐园、景观雕塑、仿古建筑、道具布景、宗教造像、建筑装饰构件、复杂模具等产品的制造成本与生产周期,融合传统工艺流程,建立完善了全套企业标准化质量体系,成为业内首家真正意义上实现3D打印技术产业化的企业。 作为高新区创业服务中心成功孵化的企业之一,黑龙江多维时空自由制造有限公司于今年启动建设了自由制造工业中心,开始向产业化迈进,目前已经投用58台套独立自主研发的工业级3D打印设备,以工业化的成本和效率为国内外客户提供个性定制产品,将先进技术与个性创意结合,融合大数据、人工智能、虚拟现实、云计算、机器人等技术,为用户提供基于3D打印自由制造技术的系统解决方案。项目全部建成达产后,将具备年产数千吨实体文化产品、模具产品的产能,成为业内最大的3D打印产业化基地,年产值至少在3亿元以上。 作为市百大重点项目,在项目推进过程中,市重点产业项目推进服务办公室派驻服务专员靠前服务,配合高新区创业广场和创业服务中心,一起帮助协调解决各类难点问题,确保项目顺利实施。协调市电业局营销部门组织电力专家现场办公指导,提出合理高效的变压增容调整方案,盘活现有变电设备,做好变电设备检测监控的督导工作,加快实现工业供电,及时拓展企业产能,防范订单违约风险。帮助企业积极对接发改委、科技局、工信委、商务局等部门,深入研究国家预算内投资专项资金扶持标准,指导企业完善申报前期手续要件,为企业扩大投入保驾护航。市重点产业项目推进服务办公室项目一组服务专员刘博说。 生产试运行的这段时间,多维时空已经完成440多万元的订单,与融创集团、前海中镇集团、俄罗斯乌拉尔集团、黑龙江视现文化传播公司等企业签订了意向性订单,总额达到1.1亿元。李苏亮告诉记者。 关键词:3D打印

石墨烯特殊的二维蜂巢晶格单原子层结构决定了其具有独特的物理性能,如质量轻、比表面积大、导电导热性好、力学强度高等,因此可作为理想的结构和功能性填料来制备复合材料。

3D打印是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品,比如:广州小蛮腰、金属球中球等。可以说,它既是一种集合了机械、电子、软件、材料等多个学科的新兴制造技术,又可以运用于制造航空航天、工业、创新创意、医疗植入物产品以及模具等多个领域产品。 制造业从材料角度来说,有三种制造方法,即从最初的等材制造,发展到减材制造,到现在的增材制造,增材制造最大的优势能生产出结构特别复杂很难加工产品以及个性化定制的产品,同时可以简化产品的制造程序,提高效率并降低成本。英国《经济学人》杂志在2012年发表专题文章《第三次工业革命》一文中将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一。 二、3D打印的发展状况 国际3D打印发展情况 3D打印发展历史不长,至今36年。目前,从3D打印机看,主要有金属3D打印机和桌面3D打印机。 从3D打印材料看,可以分为金属和非金属两大类,形态包括固态、液态、粉末等。 从3D打印工艺看,金属材料3D打印用激光或电子束两种光源,有激光选区熔化、激光近净成形、电子束选区熔化、电子束熔丝沉积等4种;非金属材料3D打印主要包括光固化成形、熔融沉积成形、激光选区烧结、三维立体打印、材料喷射成形等5种。 从3D打印市场布局看,国际3D打印市场形成三足鼎立的格局:即北美、欧洲和亚太三个地区,累计装机量占全球的95%,其中四成在北美,欧洲和亚太地区各占近三成。全球信息技术研究和顾问公司Gartner预测2016年3D打印机的全球出货量将达到455772台,其中超过30%的3D打印机由中国生产。根据Wohlers Associates估算,3D打印2016年全球总销售额预计达到73亿美元,2018年将达到127亿美元,2020年预计达到212亿美元。 国内3D打印发展情况 我国3D 打印产业相对欧美国家起步较晚,从上世纪90年代开始研究增材制造技术,但经过多年发展,3D 打印技术与世界先进水平基本同步,在高性能复杂大型金属承力构件3D 打印等部分技术领域已达到国际先进水平。国家也出台了一系列政策,支持3D 打印技术的发展。2013年8月,工信部印发了《信息化和工业化深度融合专项行动计划》,其中提到拓宽增材制造技术在工业产品研发设计中的应用范围,推进增材制造在航空航天和医疗等领域的率先应用。2015年2月,工信部、发改委、财政部联合印发《国家增材制造产业发展推进计划》,首次将3D打印产业发展上升到国家战略层面;2015年6月出台《中国制造2025》,明确要将3D打印作为我国智能制造的重要产业培育和发展方向之一;2016年10月成立中国增材制造产业联盟,设立了国家增材制造创新中心。 目前,技术方面形成了清华大学颜永年、北京航空航天大学王华明、西安交通大学卢秉恒、华中科技大学史玉升、华南理工大学杨永强、西北工业大学黄卫东为核心的研究团队。产业分布主要集聚在长三角、珠三角、北京、武汉、长沙、西安等地区和省市。目前已形成一些龙头企业,如中航天地激光、陕西恒通、西安铂力特、湖北湖滨机电、杭州先临三维、湖南华曙高科、珠海西通、深圳维示泰克、深圳光韵达等一批龙头企业。但是,我国3D 打印产业化仍处于起步阶段,与先进国家相比存在较大差距,离实现大规模产业化、工程化应用还有一定距离。 据行业人士估算,2015年中国3D打印市场规模在78亿元左右,预计到2018年将超过200亿元。美国《连线》杂志创始主编凯文?凯利预言,中国在移动互联网领域的发展将会帮助中国3D打印技术达到世界级水平,而中国特有的制造业背景,将会帮助中国成为3D打印技术的领军者。 广东省3D打印发展情况 广东省的3D打印产业最早在深圳发展,2014年6月,广东省委、省政府出台《中共广东省委 广东省人民政府关于全面深化科技体制改革 加快创新驱动发展的决定》,做出实施广东省重大科技专项工作总体部署,增材制造作为九大重大科技专项之一被纳入支持范围,两年从高性能3D打印材料、金属3D打印装备及产业化、非金属3D打印装备及产业化等五大专题支持增材制造相关技术研究项目,共计支持项目34项,投入经费1.33亿元,其支持项目的85%以上由广东省内企业与高校或科研院所合作实施。去年广东省政协提案《关于加快发展3D打印技术,促进广东制造业升级》,副省长袁宝成同志在今年3D打印产业发展中指出,3D打印未来前途不可限量。 据调研统计,2015年,广东省3D打印产业主要有33456的特点:即产值近30亿元,占全国市场规模的30%多;涉入3D打印业务的企业超过400家;开展增材制造业务的研发人员近5000人,主要分布在珠三角的广州、深圳、东莞、佛山、珠海、中山等6个地市,初步形成涵盖软件、产品设计、材料、关键器件、装备、工业应用的完整产业链,产业链每个环节都集聚了一批领先企业,在软件、汽车、模具、生物医疗、文化创意等领域已形成一定应用规模。据摸查,未来三年我省3D打印领域拟投资项目规模超过12亿元。 已建立公共服务平台有4项6个:广东省增材制造技术及装备工程实验室、广东省增材制造应用技术中心、广东省增材制造非金属材料工程技术中心、国家生物打印工程实验室;已建立培育示范基地有7个:广州创意设计3D打印基地、佛山南海3D打印产业基地、广东省3D打印教育培训基地、广州市3D打印基地、东莞教育示范基地、中山小榄、横栏3D打印专业镇。 总体上,广东省3D打印产业发展还处于培育发展阶段,虽然在国内处于相对领先地位,但在关键核心技术储备和产业化应用方面与国际先进水平还有较大差距。主要有: 1.政策引导有待加强。广东省尚未出台3D 打印产业方面的专门政策文件,急需通过制定具体的政策文件,规划统筹协调全省资源,引导产业发展方向,明确重点工作任务,落实政策保障措施。 2.产业规模有待扩大。目前,广东省3D 打印产业缺乏行业领军企业,缺乏导向和标杆,难以围绕骨干企业形成具有核心竞争力产业链和生态圈。 3.标准体系有待健全。广东省也无基于3D 打印产业的产品设计标准和规范。急需支持龙头企业抓住机遇,尽快牵头建立和完善从工艺、装备、材料、关键零部件到产品质量评价等系列规范及标准,抢占行业话语权。 4.关键技术有待突破。急需研制推广使用一批具有自主知识产权的3D 打印装备,培育核心器件配套体系,拓宽成形材料范围,降低3D 打印使用成本。 5.人才培养体系有待建立。据企业普遍反映,目前市场符合要求的高技能人才不多。比如,2016 年东莞3D 打印产业人才需求总量近4000 人,但市场难以有效满足。广东省急需建立适应3D 打印产业多学科交叉特点的人才培养体系。 三、我省3D打印产业发展建议 明确发展定位 目前发达国家正大力实施工业4.0、再工业化战略,我国正加快推进中国制造2025。我省要紧抓国内外产业变革与产业转型升级的重大战略机遇,下大力气推动3D打印产业培育发展。以企业为主体,以市场为导向,不断提升增材制造研发及制造水平,瞄准行业制高点开展应用示范,着力打造国内领先、世界知名的3D打印产业基地,推动我省先进制造业竞争力提升和传统优势产业转型升级,培育新的经济增长点。 突出重点领域 结合广东省现有产业基础和发展趋势,针对国内外3D打印重大需求特点和应用潜力领域,建议广东省3D打印率先发展汽车、生物医疗、文化创意、电子信息、工业模具、航空航天等6大领域,加强示范应用。 1.汽车产业方面。广东省汽车生产规模居全国前列,未来汽车的发展趋势是减量化、定制化、一体成型化等,这方面3D打印可以发挥较大优势。可重点突破钛合金、纯钛、高速钢及非金属材料的制备,逐步以3D打印生产汽车发动机零部件、复杂模具等结构。从模型设计,到复杂模具的制造加工,再到复杂零部件的轻量化直接成形,增材制造技术正深入到汽车领域的方方面面。 2.生物医疗方面。广东省在生物医疗领域的3D打印探索处于国内领先水平,包括深圳迈瑞、广州迈普、广东康沃森等企业具有较强竞争优势。可重点突破天然医用材料、人工合成高分子材料、生物活性陶瓷材料和医用金属材料等3D打印专用材料;大力推进体内植入医疗器械、医学模型、手术导板、手术辅助器械等3D打印产品的临床应用研究;重点研制一批具有自主知识产权的仿生组织修复支架、医疗个性化和细胞活性材料3D打印设备。联合高校、医院、企业协同建立生物医疗硬组织增材制造修复体示范中心。 3.文化创意方面。利用广东省文化创意、时尚展示和工艺美术市场发达的优势,以个性消费和定制服务为主,着力突破低成本材料与制造、智能人机交互、创意设计服务平台等关键技术,重点发展珠宝、钟表、内衣服装鞋帽等时尚领域和包装、印刷、建筑、模型、食品等优势领域专用3D打印专用材料及设备。 4.电子信息方面。广东省是电子信息产业大省,已形成以广州、深圳、东莞、惠州、河源、汕尾等市为重点的珠江东岸电子信息产业带。借力电子信息产业优势,重点发展产品结构件、射频无线、高频电路用陶瓷基板、硅光子集成器件、电路芯片等电子信息领域产品的直接打印,通过示范应用带动3D打印推广。 5.工业模具方面。随着金属3D打印技术的成熟与普及推广,尤其是金属3D打印尺寸精度的进一步提高和增、减材技术发展,3D打印在工业模具和精密机械零部件的应用越来越广,市场正逐步打开。可重点加强金属材料增、减材技术融合研发,并加强增减材技术融合的设备研发。 6.航空航天方面。广东省在航空航天领域的3D打印基础较薄弱,但考虑到这是3D打印的一个重大需求领域,广东省也应鼓励企业积极涉入,逐步形成竞争优势。可重点发展钛合金、高强钢、铝合金、镍合金等金属复合材料制备及3D打印设备,突破高性能碳纤维、聚酰亚胺、超高分子量聚乙烯等复合材料制备及3D打印设备。 突破关键技术 建立3D打印创新中心,涵盖整机及零部件制造、材料加工、产品生产等各个环节,统筹各方资源,研发并产业化一批具有自主知识产权的高端设备、核心器件与成型材料,实现3D打印技术和传统制造加工工艺的优势互补,促进3D打印技术与应用领域深度融合,持续引领产业发展方向。专用材料方面,不断优化金属材料粉末大小、形状和化学性质;不断提高非金属材料耐高温、高强度等性能;装备方面,不断优化金属材料3D打印装备的效率、精度、可靠性,不断提高非金属材料3D打印装备的高工况温度和工艺稳定性,不断提升个人桌面机的易用性、可靠性。软件方面,重点研制与3D打印配套的嵌入式软件系统,提升装备软、硬件协同能力。 推动高端集聚发展 发挥龙头骨干企业示范带动作用,培育形成一批产值超亿元的大企业,突出龙头企业引领带动,提升我省产业竞争力。发挥省市各自优势,面向国内外3D打印龙头骨干企业开展精准招商,引进重点项目和先进技术,尽快做大产业规模,带动产业向高端化发展。依3D打印产业基地,推进3D打印产业集聚化、规模化发展,促进产业链整合、配套分工和价值提升,打造3D打印产业发展的示范区。 优化生态环境 加强产业联盟建设,按照不同应用领域发展一批企业主导、产学研用紧密结合的产业技术创新联盟,建立联合开发、优势互补、成果共享、风险共担的产学研用合作机制。搭建公共服务平台,实现信息、技术、设备和服务等资源的集聚,通过共享机制降低企业创新的成本。支持骨干企业加强产业链上下游合作,带动更多的具有核心技术和较强创新能力的创新型中小微企业成长。组织开展科技成果产业对接活动,依托技术交易平台,全面推动广东省3D打印企业与应用领域重点企业开展合作,促进3D打印应用市场培育和发展。支持省增材制造协会规范发展,强化行业和企业自律。 几点政策建议:加强统筹协调,强化政策引导,加大财税支持,建立健全科学合理的科研经费使用制度,注重知识产权保护,加强人才培养引进,加大宣传引导力度。 关键词:广东省3D打印

3D打印是近年来快速发展的成型制造工艺,又被称为“增材制造”。相比于传统的减材制造过程,减少了模具制造的过程。这种无模具自由成形的技术摆脱了空间几何及设计工艺的束缚,可将复杂结构设计转变成实体产品。

将3D打印技术与石墨烯/聚合物基复合材料的制备结合起来,可以实现复合材料的快速制造成型,制造复杂结构的产品。石墨烯的加入,使得3D打印产品具有更好的力学性能和功能特性,同时还可以更方便地制备梯度化功能制品。

此外,3D打印逐层制造的方式,抑制了石墨烯在聚合物基体中的大面积团聚,更有利于实现均匀分散。目前用于石墨烯/聚合物基复合材料的3D打印方式主要有以下四种。

喷墨打印成型

喷墨打印已在电子电路、柔性器件等方面得到了广泛的应用。在常用的压电式喷墨打印成型过程中,打印材料首先溶解或者分散在溶剂中形成“墨汁”,而后根据打印需要适时将电压加在压电陶瓷片上使其产生变形,挤压腔体中的墨汁使其逐滴喷出,在基板上层层累积形成需要打印的形状,最后通过热处理、光照、冷冻干燥等后处理方式去除溶剂定型。

石墨烯高载流子迁移率使得其非常适用于纳米电子器件的制备,喷墨打印便是一种常用的方便高效的制备方法。而聚合物的加入可以稳定墨汁,防止石墨烯沉淀分层,还可以调节墨汁黏度,使其处于便于打印的范围。喷墨打印成型设备简单,成本低,操作简易,非常适用于制备微纳米器件和电子电路。

喷墨打印成型实例

熔融沉积成型

熔融沉积成型主要适用于热塑性聚合物的3D打印,是目前最常用的一种3D打印方式。该方法需要将聚合物制备成标准直径的线材,而后通过步进电机将线材输送至喷头处,加热熔融挤出,在基板上根据所需形状层层堆叠粘连,冷却固化后得到所需成型件。

熔融沉积成型实例

将通过熔融混合、溶液混合等方式制得的石墨烯/聚合物基复合材料通过挤出机等设备制成3D打印线材,即可进行石墨烯/聚合物基复合材料的熔融沉积成型。

石墨烯的加入不仅可以增强3D打印制件的力学性能,还可以赋予制件优异的电学、热学以及摩擦磨损性能等。熔融沉积成型可打印材料广泛,设备成本低,操作简便,打印速度快,并且可以用多喷头同时打印不同种类的材料,因此是最具有工业应用前景的打印方式之一,制备的部件具有用于机械、汽车、航空航天等领域的潜力。

立体光固化成型(SLA)

立体光固化成型也称立体平板印刷或立体光刻,是一种以光敏树脂为打印材料的成型方式。激光束按照设计路线扫描液态光敏树脂表面,使得光敏树脂特定区域固化,形成模型的一层截面。而后升降台向下移动一个微小的距离,进行新一层截面的固化,直至形成完整制件。

采用立体光固化方式成型石墨烯/聚合物基复合材料时,一般将石墨烯溶于溶剂后加入光敏树脂中或者直接加入树脂中混合,之后进行光固化成型。立体光固化成型打印精度很高,表面质量优异,可以成型很复杂的结构,是目前高端3D打印市场的主流技术,常用于生物支架、口腔医学等生物医药领域。

立体光固化成型实例

选择性激光烧结

选择性激光烧结是一种适用于粉末成型的3D打印方式,主要用于金属和陶瓷粉末的打印,但也可用于热塑性聚合物粉末。

向聚合物粉末中加入石墨烯,可以提高粉末的导热性能,对于减小热翘曲有显著改善作用。同时,石墨烯也可以改善制件的力学性能。

目前采用选择性激光烧结成型石墨烯/聚合物基复合材料的报道还相对较少,并且主要集中在尼龙基材料上,今后的研究可向更多的复合材料种类拓展。

选择性激光烧结成型实例

石墨烯/聚合物基复合材料和3D打印成型方式是两个近年来快速发展的研究方向,将二者结合起来,可为石墨烯/聚合物基复合材料功能性制件的复杂结构成型提供有效的解决途径。采用3D打印成型石墨烯/聚合物基复合材料的很多技术目前还不够成熟,仍处于研究之,但其在电子、能源、生物医药、机械、航空航天等多个领域的应用前景值得期待。

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