3D打印变革了整个制造业

作者:Hans-Jürgen Bittermann,本文作者系PROCESS德文版特约撰稿人。 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:174 发布时间:2016-11-24
增材制造(3D打印)对制造业带来的改变——几乎每天都有新的增材制造应用可能性的报道。流程工业企业也有两个涉及到这一领域的方面,一方面为3D打印提供所需的原材料,另一方面利用增材制造技术生产出来的零部件进行生产。
3D打印变革了整个制造业

它不是人们期待的远景规划,也不是无足轻重的小事,据今年7月Ernst & Young公司公布的一份调查报告显示:今天,全球每年在3D打印技术领域中的投资额已经高达近百亿欧元(德国就占了约十亿欧元)。德国机械设备制造业联合会(VDMA)公布的数据是,增材制造领域每年的增长率在25%左右。越来越多的技术服务商和技术供应商在报刊杂志中报道了自己在增材制造领域中能够提供的技术服务明细。

德国德西玛化学工程与生物技术协会(Dechema)确认,利用3D打印技术可以非常好地实现量身定制流程设备的梦想。而增材制造中可以使用的技术也是多种多样,可以利用塑料材料、硅、铝或者钢材进行3D打印,甚至也可以利用陶瓷材料完成3D打印。根据增材制造技术中所使用的原材料不同,增材制造时所采用的制造工艺技术也不同,从精细研磨的粉末原材料与树脂或者聚合物混合后的激光烧结到激光熔化,直至光敏塑料(光敏聚合物)的3D打印。

而给人留下深刻印象的则是可以利用3D打印技术来生产制造药片。杜塞尔多夫市Heinrich-Heine大学制药技术和生物制药研究所的Julian Quodbach博士在2016年度的Powtech展会期间的专业技术报告中介绍了3D打印技术的优点,利用这一技术可以实现很高的载药量,也就是说在一片药片中含有更高的药物有效成分。而令人更感兴趣的则是它的个性化制药可能性,同一剂量的药片制成不同大小的尺寸,同一尺寸的药片有着不同的剂量。而且还可以试想将多种药片结合在一起、制成一片药片,这样患者就无需一次服用多个药片了,而是只服一片就可以了。一个非常现实的可能性就是,几年后医院和药房中就有3D打印机可供使用。

这不是幻想,是真实的现实。Aprecia制药公司开发的Zip-Dose技术就能够利用3D打印机将不同的药物成分粉末逐层打印在一片药片中。药片的每一层都用水溶性的液体介质相互粘接在一起。这样生产出来的多微孔药片每片可以含有高达1 000 mg的药物活性成分。而且在这种药片生产过程中也可以根据患者的实际个性化地控制药片的剂量。相应的,药片可以迅速地在水中溶解,据生产厂家介绍,药片的溶解时间不超过10 s。按照这种技术生产的抗癫痫药品Spritam已于2015年获得了美国食品和药品管理局FDA的审核批准。

流程工艺技术发展的信号

为什么仪器设备和机床设备制造企业也对增材制造技术非常感兴趣呢?增材制造技术可以轻松地完成迄今为止不熟悉的复杂结构的生产制造,尤其适合于在需要特种加工制造工艺技术和小批量生产制造中使用。增材制造技术省去了价格昂贵的、耗费大量时间的专用刀具和模具制造,同时也在零部件生产制造过程中减少了大量的金属材料损失。它可以替代配件生产制造,可以避免利用集装箱或者空运绕半个地球运输配件,未来的配件生产制造只需把零部件数据发送给3D打印机就可以了,3D打印设备就能够在维修设备的现场、用最快的速度在最短的时间内打印出设备维修所需的配件。若配件市场中没有所需规格的特殊备件时,它也可以准确地计算出来,打印出来。

ProcessNet专业网站未来学和创新管理专业组的负责人Eckard Foltin先生认为,增材制造技术是流程工艺技术领域将会发生根本性变革的一个信号。他说:“由于增材制造技术有着个性化制作零部件的可能性,因此它具有在流程工艺技术领域中带来一场根本性变革的潜力。”

现在已经有了能够给人留下深刻印象的实例了,Thaletec公司已经成功地利用粉末金属材料增材制造技术生产出了搪瓷的高压反应器——一个有着反应器内部加热和冷却用温控通道的搪瓷反应器。与其他的解决方案相比,这种把温控通道和搪瓷材料集成在一起的反应器有着在生产过程中更好的传热性能的优点,从而也具有更好地调控生产过程热效应的可能性。

美国的LLNL劳伦斯利物莫国家实验室也试验成功了一种“反应器”的特殊技术,研究人员利用混合聚合物打印出了能够利用沼气能源的甲烷氧化菌分离酶的反应器。分离出来的酶含有活性成分,把甲烷转换为甲醇的活性成分。将来,这种代谢酶聚合物可能会有更多的用途,尤其是在气-液-反应过程中。

增材制造技术在微流体零装置的部件生产制造中也是非常诱人的,DWI莱布茨尼互动材料研究所和RWTH亚琛鲁尔工业大学的科学家们利用3D打印机打印出了一套三维的微通道网络系统。在这一微通道网络系统的通道交叉点处能产生单分散液滴。利用这一方案可以制作出微凝胶和其他微型材料。

但也有人对这一技术的问世提出了警告。尤其需要解决的是与这一技术领域有关的标准问题和质量保证问题,尤其是当增材制造的零部件涉及到与安全有关的产品时,例如隔爆膜、破裂片等。因为适合于增材制造所用原材料必须在打印过程中有足够的、满足3D打印熔化和收缩的特殊要求,并且不允许失去其原有的金属特性。KSB集团公司做到了这一点,2014年年底,该公司在其Pegnitz市的生产厂中安置了两台激光熔化设备,以便在泵的研发、生产过程中尝试使用3D打印技术。在试验过程中,公司的材料技术专家在CAD数据的帮助下寻找着合适的金属材料、生产泵的零件。试验的一项任务就是,金属粉末生产出来的泵零部件是否具有要求的强度和金属性能。

小结

工业领域中的数字化也推动了3D打印技术前进的脚步。例如,Autodesk公司在它的绘图设计软件Autocad 2017中就嵌入了3D打印的子程序(Print Srudio)。但增材制造还没有成长成为参天大树,3D打印技术的领导者Stratasys公司报道说,2016年第二季度的营业额出现了回落。前进的号角已近尾声了吗?肯定不是,对于流程设备的生产厂家和运营商来讲,复杂零部件的增材制造仅仅是一个“游戏规则改变者”。但他们都应遵守相应的游戏规则。