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3D打印三大优势变革军工业

发布时间: 2017-9-20 10:26:15       浏览:
    近年来,3D打印成为全球媒体热词。由于具备快速、精确、定制化、远程制造、减少浪费等优势,该项技术被普遍视为全球先进制造业的发展趋势之一。3D打印技术不仅是军方下游生产端的一种高效技术手段,更将成为变革军工业供应链条的重要推动力量。
    今年8月,《3D打印:先进制造技术带动供应链变革》的调查报告特别指出了3D打印技术在国防、航天、核武器等军工产业中的重要作用,认为3D打印技术不仅是军方下游生产端的一种高效技术手段,更将成为变革军工业供应链条的重要推动力量。

已经做到了超细晶粒锻件水平,生命周期更长、强度更高

    三大优势
    研究人员认为,从车辆、飞机到军用舰船,3D打印技术带来的生成式设计理念、多功能部件和新型材料,将颠覆性地改变军品和民品的生产制造模式乃至运输方式。具体看来,3D打印技术主要包括增材制造和数控加工两个主要步骤,与传统的制造技术相比,其在军工领域具有突出优势。
    增材制造技术可有效减少对原材料的浪费。增材制造又被称为快速成型技术(RapidPrototyping),是基于数字化图纸设计,采用原材料逐层累加的方法进行产品制造的先进技术。打个比方,传统减材制造技术就像做木雕一样,是通过切削机床给整块材料做减法,过程中会产生大量的原料浪费。而增材制造技术则更像是一幅沙雕作品,以金属粉末、颗粒或金属丝材为原材料,逐层堆积累加而成,材料浪费自然大大减少。
    同时,与大规模同质化生产模式不同,增材制造技术通常与数控机床配合使用,这样就能根据实际需求、以较低的成本对产品细节进行微调,对于创新产品设计大有助益。例如,美国Harry S. Truman号航空母舰就曾在八个月航期内,用两台3D打印机设计并制造出一种能减少漏油的油罐漏斗、一个带有特殊防护盖的电灯开关和一个用于加强对讲机信号的小型装置。
    此外,3D打印技术对军事制造业的变革,不仅体现在创新、升级武器装备工艺方面,更表现在完善军需供给方式上。英国《经济学人》杂志曾在2016年11月发表文章指出,便携式3D打印机非常便于运输,这就像是给作战部队配备了一个可以随时随地设计制造军需品的小工厂。
    综合来看,3D打印技术比较适合那些对于产品特性或外形有特殊定制需求,且制造地点不便于物流运输或远离配送中心的情况,而这些优势恰好可以满足前方作战部队即时打印关键部件、“随打随用”的需求,并大大省去运输成本。
相反地,对于那些需求稳定、产品类型单一、没有特殊时限要求、配送链条成熟完善的产业领域而言,3D打印技术的优势则会相应减少。这意味着,传统制造技术在短期内仍不会被淘汰。

    快速普及
    当前,3D打印技术已进入向军用、商用和民用领域快速普及的阶段。从发展轨迹来说,3D打印技术的应用要经历四个阶段:第一阶段会有部分领域的极少数企业出于引领创新的目的率先实践;第二阶段会渐渐迈入工业化生产的门槛;第三阶段会有更多企业加入到应用新技术的大军中来;第四阶段技术门槛将继续降低,直至向普通民众敞开大门。
    截至2016年,3D打印技术已经走过了前两个发展阶段,正在向军用、商用和民用领域快速渗透普及。其中,最具代表性的例子是,目前全球各大发达城市陆续涌现出一些“微观制造实验室”(Fabrication Labrotory,简称Fab-lab)。这类实验室起源于本世纪初的美国,通过采用先进的材料技术、信息技术和3D制造工艺,成为一个可以打印任何产品和工具的迷你型工厂。
    各国军方对此类实验室寄予厚望。例如,美国海军陆战队就在今年8月宣布,将对一个名为X-FAB的便携式3D打印实验室进行技术评估。X-FAB占地面积约为6平方米,拥有4台3D打印机、1台扫描仪和若干台便携式军用计算机。有了这类实验室,军方以往需花费几周甚至几个月订购才能获得的零部件,现在只要一天乃至几个小时就能被打印出来。
    除了快速、灵活设计制造的能力外,X-FAB的另一大特点是可随军运载。它的总重量仅为4.8吨,可以被“折叠”收纳在集装箱中,由中型卡车随军运载。美国海军陆战队的相关负责人表示,4名陆战队士兵在2个小时内就能完成X-FAB的架设工作。

    产权保护
    当今在3D打印技术领域最为领先的九个国家,无论是专利总量还是在各类技术的发展水平上,美国和日本均处于领先地位,不分伯仲。不过,中国是3D技术领域的“后起之秀”,整体实力不容小觑。与从1980年代中期就开始发力的美国不同,中国的大部分技术成果都是在2005年之后逐渐取得突破的。
    总体而言,目前中国在3D打印技术领域的发展存在“偏科”的问题。在冶金和特殊机床领域,研发力度和实力远超美、日等国。报告认为,这两项技术对发展航空、轻型材料、装甲产业至关重要。然而,在表面涂层、视听、半导体等一批相关专项技术方面,中国与全球技术水平顶尖的国家仍有不小的差距。
    据报告显示,美、日之所以在3D打印领域技术实力超群,与两国政企的多年苦心经营和协同合作密不可分。2014年,美国国防分析研究所曾针对全球近4000项增材制造专利进行过一次调查,结果显示,绝大多数研发成果都是由各国私营机构独立完成的,只有少部分获得过政府相关机构的资助。
    但是,私营机构对3D打印技术的热衷并不能取代政府所扮演的角色。恰恰相反,由于该项技术在国计民生领域的应用潜力巨大,美、日等面临本国制造业转型压力的大国政府在3D打印技术的早期研发阶段投入巨大。美国国防分析研究所的调查数据也表明,在美国,私营机构的专利总数虽多,但其中最重要的六项基础性技术——光固化、粉体熔化成型、材料挤制成型、粘结剂喷射、薄片层叠和轮廓工艺,有两项都直接受到美国国家科学基金会的资助。
    明确知识产权归属和设立生产许可门槛,应成为各国政府发展3D打印技术过程中需特别注意的问题。没有明确有力的知识产权保护举措,将挫伤私营机构创新的积极性;不设立一定的生产许可门槛,军品打印技术的普及将严重危害社会安全与秩序。

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