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3D打印技术在绿色制造行业的发展趋势

    0 引言

    3D打印技术(又称为增材制造技术,快速成型技术)作为一种快速发展中的制造技术,正在逐步进人各个领域,并发挥着重要的作用。而在能源和环境不断出现危机的今天,绿色的理念深人人心,“绿色制造”正在逐步地改变和融合现代的传统制造业。相比于传统的制造技术,3D打印技术延伸出了不同的发展方向,不仅能更好地适应国家的政策,也更能符合现代绿色的理念,在绿色制造行业中以一种不可阻挡的优胜趋势发展着,并将以其独有的特点抢占未来制造业的最高点。

    1 现代3D打印技术

    1. 1 技术定位

    3D打印技术是近年来兴起的,并且也备受国家关注和业内外人士广泛看好的新型高科技三维打印技术。该技术以数字模型文件为基础,将金属或塑料等可黏合材料以粉末状形式黏合,通过逐层打印的方法,来实现二维数据转化为3D立体实物的可能。由于3D打印技术本身所使用的构物形式,使其具有零排放、零浪费的特性。因此3D打印也属于一种增材技术。另外,3D打印技术也具有私人性、更个性化的优点。

    1. 2 工艺及材料

    关于3D打印技术的工艺及其材料,主要可以概括为三个方面:1)金属增材制造专用材料。主要应用于航天航空领域高性能、难加工零部件与模具的直接制造;2)非金属增材制造专用材料。主要应用于航天航空方面,却只应用于模具的开发,个性化产品的创作方面;3 )医用增材制造专用材料。主要应用于医学领域,因为某些材料于人体中使用时,不具有抗性反映。

    2 绿色制造

    2. 1 背景简介

    绿色制造,又称环境意识制造、面向环境的制造等。它是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式,使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中,符合环境保护要求,对生态环境无害或危害极少,节约资源和能源,使资源利用率最高,能源消耗最低。

    目前,工信部和工程院联合研究显示,我国工业仍是消耗能源资源和产生排放的主要领域。工业能效、水效与发达国家仍有差距。其中钢铁行业国内平均能效水平与国际先进水平相比落后6%~7%,建材落后10%左右,石化化工落后10%~20%。

    中国虽为一个制造大国,但仍然以代加工为主,研发创新处于“廉价、低档”水平。中国的粗放型发展是不可持续的,经济转型刻不容缓。我国抓住这一重要历史机遇,实施制造强国战略。《中国制造2025》是我国实施制造强国战略第一个10年的行动纲领,而“绿色制造”作为《中国制造2025》发展的主方向,其重要性不言而喻。

    2. 2 绿色设计

    绿色设计是实施绿色制造的关键,必须考虑产品在整个生命周期的各个阶段对资源和环境的影响,包括实际、选材、生产、包装、运输、使用及报废处理,实现制造中污染小、耗能低的要求。

    目前,由产品制造所带来的环境问题十分严重,例如,资源的浪费和枯竭、能源的大量消耗、空气污染、土地污染、水资源污染、产品及包装废弃物的污染等。人类的生存环境正遭受着极大的影响与破坏,为了拯救人类自身,必须大力发展可持续生产,广泛使用绿色材料,极力减少污染,而绿色设计是可持续发展的必然选择。

    2. 3 绿色材料

    绿色材料是指在原料选取、产品制造使用和再循环利用以及废物处理等环节中与生态环境和谐共存并有利于人类健康的材料,它们要具备净化吸收功能和促进健康的功能。绿色材料是在1988年第一届国际材料会议上首次提出来的,并被定为21世纪人类要实现的目标材料之一。

  3 3D打印技术在绿色制造的发展

    3.1 3D打印技术与绿色制造

    当人们还在用各种各样的实例、数据争论3D打印技术是否会成为世界第三次工业革命时,3D打印技术通过它特殊的制造方式和在绿色制造方面的绝对优势,已广泛应用于生物医疗、航空航天、汽车、模具、考古、首饰、雕刻等各大行业。单从它涉及的范围之广来看,就是传统单一的工业制造所无法匹敌的。3D打印技术的问世使产品从设计、制造、运输、使用到报废处理等整个产品生命周期中,真正实现了对资源利用的最大化,把对环境的影响(负作用)降到最低,完全把绿色制造的理念贯穿其中,发挥到极致。

    3.2 3D打印技术在绿色制造的优势体现

    3D打印技术与传统的工业制造相比,从原理上它实现了材料的零损耗,完全避免了传统工业制造因切削、成型制造而需要的成本。并且,由于传统制造业的优势在于快速大量生产成批量的产品,而不是进行单件复杂结构加工,所以3D打印技术并不会对传统工业造成冲击,反而是补足传统制造行业的不足,完善工业制造行业对设计部分的功能缺失。

    再者,3D打印技术中90% 的原材料可以回收再利用,具有省材、节能、环保的特点。在能源利用方面可减少对稀缺资源的消耗,实现对资源的高效利用。

    更值得一提的是,2015年1月苏州亮相的一套别墅和一幢6层楼房就是通过3D打印机以建筑废料为材料加水泥、纤维、有机黏合剂等而形成,真正地做到了变废为宝,不但大大地降低了建筑成本,还最大限度地实现了绿色建筑节能、节地、节水、节材、保护环境减少污染——四节一环保的目标。

    4 3D打印技术的发展愿景

    4.1 3D打印技术对绿色设计的辅助作用

    自20世纪70年代以来,工业污染致使全球性的环境污染和气候恶化不断加重。直到20世纪90年代初,随着“绿色浪潮”的掀起,更多的设计师开始以一种更加绿色的设计思维来进行工业设计。

    考虑到产品的功能、质量、开发周期和成本,功能更加完善、更加复杂的绿色产品在开发过程中,可能有着更多的模具开发、切削、边角料废弃,这是与绿色的理念背道而驰的。而从开发角度来说,一个符合绿色制造理念的产品会比传统产品需要更加复杂的结构设计,如果这种复杂的结构利用传统工业进行加工设计,不仅加工过程复杂,而且加工成本非常高昂。

    一个好的绿色设计,不仅设计出的产品是绿色的,其设计过程也需要体现出绿色的理念。而3D打印技术,正好可以与这种需求契合。

    3D打印技术,从理论上可以打印出任何复杂的模型,传统工业需要经历几道工序才能制造出的复杂模型,利用3D打印技术即可简便地制造出来。目前可供3D打印机使用的材料也非常多样,基本涵盖了目前工业加工过程中所使用到的塑料、橡胶、金属等材料,可以满足不同设计师在设计过程中对材料的需求。在3D打印进人发展的高速期后,会有更多的材料加人到3D打印材料中来,甚至可能会因为3D打印技术新的制造加工原理,开发出可供工业设计与制造的新型材料。

    虽然目前3D打印技术仍然存在着例如打印成本过高等问题,但是目前随着3D打印技术的发展,可以预见的是,今后的3D打印成本会随着技术的不断发展与材料的不断更新而降低。

    4.2 3D打印技术与绿色回收及处理

    传统制造工业的一个重大的问题就在于“减材制造”的过程会产生大量的废弃材料,而现在对这些材料的处理一般都是经过“熔融/融化、固形、再加工”这几个流程,但是最终这些回收后处理过的原材料又会经历上述的加工过程,在这个循环过程中,存在着大量的能量消耗和材料损失。

    目前3D打印技术大部分采用的也是加热熔融原材料,然后再进行层叠的技术,例如FDM技术。未来的3D打印技术可能会将传统回收作业中“固形”的过程变为3D打印的过程,回收的原材料经过分拣,直接成为3D打印的原材料,省略掉回收过程中复杂的固形及其他加工工艺,节省成本的同时也更加有利于加强人们对资源回收利用理念的认可。

    5 结语

    3D打印开创了技术新世界,引领我们进人环保新时代。在人类生存环境日渐恶劣、资源逐渐枯竭的情况下,解决环境问题刻不容缓,而绿色制造为我们带来重要转机。在一定范围内,3D打印技术实现了产品生产过程中污染小、效率高、个性化、低能耗的要求,相信随着时代技术的不断创新、发展,目前存在于3D打印技术中的一些问题与困难,都将完美解决。所以说,3D打印技术当之无愧是绿色制造行业中的主角,其发展趋势不言而喻。

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