俄罗斯发展先进制造技术 3D打印技术不断获得突破
2016-11-23 14:35:36   来源:新华网
内容摘要
俄罗斯科学界于21世纪前十年开始研究与先进制造技术相关的新工业化课题。俄在发展3D打印技术时需重点研发“选择性激光烧结和熔融”、粉末注射成型、打印产品表面处理、生物医学打印技术、具有细微多孔结构的打印制品的应用、开发金属粉末耗材等相关技术。俄罗斯的托木斯克理工大学高科技物理研究所等4家单位联合研制了该国首台太空3D打印机样机。

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在3D打印方面,俄罗斯目前有东西两大研发集群。“东方团队”是以俄科学院西伯利亚分院、西伯利亚国立工业大学、托木斯克理工大学和当地工业园的研发人员为核心的创业团队。“东方团队”研制出首台太空3D打印样机。

“西方团队”是位于莫斯科附近的“斯科尔科沃”创新中心,在当地创业基金和官方资金支持下,该中心已培育出以3D打印技术生产实用工业品的多家企业。

俄罗斯科学界于21世纪前十年开始研究与先进制造技术相关的新工业化课题。俄非商业独立研究机构“宏观经济分析与短期预测中心”2014年发布报告说,俄在新材料、信息技术、与3D打印相关的生物医学技术研发等领域有一定基础优势,可为俄发展先进制造技术提供支持。该国生产企业已从2010年开始扩大采购生产设备,并会保持对先进制造设备的需求。

2014年9月,俄经济现代化和创新发展委员会举行主席团会议,为俄发展先进制造技术确定了基本方向。俄开展新型工业生产的关键在于构建适合本土先进制造技术发展的模式,增材制造(3D打印的另一种说法)、计算机模型、人工智能、信息技术和机器人技术是俄学习推广先进制造技术的优先方向。

主席团发表的报告说,俄在发展3D打印技术时需重点研发“选择性激光烧结和熔融”、粉末注射成型、打印产品表面处理、生物医学打印技术、具有细微多孔结构的打印制品的应用、开发金属粉末耗材等相关技术。

2011年成立的非商业性组织“战略创意机构”为发展先进制造技术提供有力支撑,负责支持俄各界制订的对经济、社会优先发展领域有重要创新意义和推动作用的项目,其监事会主席是俄总统普京。该机构每年向监事会提交“国家技术创意”市场开发路线图,当中所列项目一旦获批,可得到政府资金支持和这家机构的融资及产品出口便利。2016年2月,该机构审议通过的路线图包含4大项目,其中“未来工厂”项目的一个主要发展方向就是3D打印。

诞生于斯科尔科沃园区的“异形打印”公司是拥有一定国际知名度的俄3D打印企业,其团队曾为2014年入轨的俄首颗小型商业卫星“平板-极光”号提供了用于制造太阳能电池板的3D打印机。31岁的公司总经理安东诺夫说,其主要制造工艺是将强化纤维在打印过程中融入热塑性聚合物,由此制成的碳纤维复合材料制品的坚固性是普通塑料制品的15到20倍,是铝制品的2倍,但比铝制品轻。目前该公司还为欧洲空中客车和俄联合航空制造公司打印机舱内部件,为俄私营航天企业的小卫星制造外壳部件和太阳能电池板等。

与生物医学技术结合是俄发展3D打印的另一个着力点。2013年在斯科尔科沃园区建立的“3D生物打印”公司已成为俄生物医学3D打印发展的风向标。公司科学部主任米罗诺夫介绍,其主要工艺流程是先将人或动物的脂肪组织干细胞或胚胎干细胞、诱导多能干细胞培育成细胞团,再根据所需组织器官的数字化三维模型,用生物打印机将不同细胞团层层叠加,每层间由凝胶黏合塑形,组织器官的各种细微空腔都要准确预留出来。“肉冻”般的半成品需被放入“孵化器”,待各层细胞团相互融合、整体生长状况达标后,再进行动物实验。目前,该公司能用这种技术为实验动物制作可发挥生理功能的血管和甲状腺,下一步试验目标是打印肾脏和肝脏。

此外,很多小型俄3D打印公司也在开展个性化服务,如用3D打印笔让用户在家随心所欲制作小物件;利用3D打印技术建成试验性房屋等。2015年俄经营业绩最好的小型3D打印企业的年度资金流量达1亿卢布(约合人民币1千万元),月均销售小型3D打印机过百台。

不过,目前俄3D打印技术主要用于制作批量较小、满足特殊工业及家用需求的产品,因此只能作为传统制造技术的补充,颠覆传统生产方式的周期会很漫长。很多初创小企业由于同质化竞争、供大于求而生存期较短。受俄经济形势和国际大环境影响,俄3D打印行业还需通过艰苦行军才有望走到未来先进制造业的舞台中央。


俄罗斯研制成功该国首台太空3D打印样机

据报道,在美国将3D打印机送入国际空间站后,由位于俄罗斯西伯利亚的托木斯克理工大学高科技物理研究所等4家单位联合研制了该国首台太空3D打印机样机,计划在进一步完善后,在2018年送入国际空间站进行测试。

该研究所副所长科卢巴耶夫介绍说,目前在国际空间站内使用各种设备和装置时,需为它们定期补充、更换零部件,例如螺母、电缆紧固件、仪器插孔的防护盖等。它们需由货运飞船从地球运送,运输成本太高。如果使用太空3D打印机在空间站中按需制造这些零部件,就要方便得多。这个流程并不复杂,宇航员在与地面通信联络时可收到某个零部件的数字化三维模型,将该模型输入后期处理软件,生成所需产品的各个横截面数据和打印控制代码后,即可执行“打印”操作。

太空3D打印正在受到各个航天大国青睐。2014年,美国已为国际空间站送去了第一台太空3D打印机,并进行了测试。中国科学院空间应用工程与技术中心等机构也在2016年3月宣布,研制出俄罗斯首台太空3D打印机,并用抛物线飞行方式完成了微重力环境下的试验。

但科卢巴耶夫认为,要让太空3D打印真正走向应用,还需解决一些技术细节问题。例如,太空3D打印任务需在与空间站内部环境隔离的条件下实施,以免生成的废气飘散到空间站内;此外,在地面环境下,重力有助3D打印机层层铺设的材料粉末及其喷涂的胶水黏合在一起,而在太空失重环境中,需要对3D打印机进行针对性的改造。

俄科学院西伯利亚分院强度物理及材料研究所也参与了这项研制。该研究所所长普萨希耶表示,在地面执行3D打印时需用类似吸油烟机的大功率装置将打印过程中多余的粉末吸走并过滤,在空间站这种封闭环境中怎样实施这一操作才能确保宇航员的安全,还需进一步研究。

俄罗斯载人航天任务的重要实施者“能源”集团公司也参与了这一3D打印项目,在其支持下,俄研发单位已向俄航天主管部门递交了国际空间站试验申请。如果获批,俄研发单位将再制作数台太空3D打印机,进行多轮地面测试,力争在2018年年底前将一台筛选出的3D打印机送入国际空间站的俄罗斯太空舱。

俄专家认为,未来的太空3D打印机须具备小规模工业化生产各种工具、零部件和日常用品的能力,才能成为本世纪载人考察月球和火星任务中的标配装备。


俄罗斯研究小组成功进行3D打印子弹测试

近日,俄罗斯视角研究基金会对3D打印子弹进行了测试。据悉,这些3D打印的子弹是采用的类似于传统子弹的制造方式生产的。

据OFweek3D打印网了解,在不到一个星期的时间里,俄罗斯军方对外宣传了一些新的3D打印应用程序,包括无人机、坦克、武器等。而3D打印子弹是轧过最新的国防应用技术,它可以为国家的军队提供一种新型的弹药。据俄罗斯视角基金会报告说,他们对3D打印子弹进行了大量的测试,并发现3D打印的子弹在某些方面的表现和现有的子弹一样好。

据了解,研究人员使用激光烧结的形式来创建3D打印子弹,通过层层金属粉末融合,以创建一个完整的子弹,与传统子弹相比,没有接缝。虽然3D打印对于批量生产金属部件来说不是最快的方法,但研究表明,其在创建特定的设计以及模具是非常高效的一种方式。

3D打印子弹的测试由俄罗斯视角研究基金会与国防研究中心JSCTsniitochmash合作进行。射击实验表明,子弹具有必要的强度和形式,与其他弹药一样能够有效地工作。研究人员认为,激光烧结技术将继续用于开发进一步的军事物品。

如果俄罗斯3D打印研究继续以目前的速度向前推进,该国的军队可能有一天会使用3D打印武器和弹药。在俄罗斯视角研究基金和JSCTsniitochmash进行的3D打印子弹测试之前,AK-47突击步枪的创造者、传奇武器制造商KalashnikovConcern在2016年2月建议,它可以使用增材制造打造一种新型的突击步枪。俄罗斯金属公司Stankoprom与KalashnikovConcern公司签订合同,为新的武器生产3D打印金属零件。

随着工业或消费级3D打印机在俄罗斯的快速兴起,该国的国防部门可以说是最大的增材制造研究领域。然而,3D打印的武器已经成为世界各地的一个有争议的主题,因为个人可以使用从互联网下载的文件在家里打印自己的武器。但早在2016年9月,美国第五巡回上诉法院裁定,在线分发3D打印枪设计是非法的。


俄罗斯计划开发零重力生物3D打印机

俄罗斯正致力于将3D打印技术应用于航天工业,并已取得一些成果。2016年3月末,俄罗斯制造的3D打印微型卫星Tomsk-TPU-120成功发射,用于在国际空间站(ISS)内制造卫星的碳3D打印机也在研发过程中。此外,俄罗斯联合火箭航天集团(USRC)与3D生物打印解决方案(3D Bioprinting Solutions)公司签订协议,共同开发磁性零重力生物3D打印机,并计划于2018年在国际空间站中投入运行。

零重力3D打印技术将在太空探索中发挥巨大作用,而且是解决目前火星探索成本高昂问题的关键因素。将必需品运送到太空极其昂贵,但如果利用3D技术,则可以只运送少量的原材料,再在空间站进行按需制造,从而显著降低成本,并提高深空探索的效率与灵活性。因此美国、欧洲都在积极开展零重力3D打印研究。

尽管俄罗斯零重力3D打印技术研发还未最终取得成功,URSC已经开始进行更深入的研究,探索生物3D打印技术,并计划开发一台磁性生物3D打印机,用于在太空中制造组织与器官。未来参与火星探索的宇航员无疑将受益于该技术,但URSC目前希望将该技术用于监测长时间停留在太空中宇宙辐射对人体组织的影响,以发展相应的防范技术。

除了生物打印解决方案公司,其他多个俄罗斯公司也将参与该3D打印机的开发与测试过程。URSC总监称零重力生物3D打印技术的发展是人类探索其他行星所迈出的重要一步,实现在载人航天过程中制造人体器官将支持太空探索迈入新的时代。

零重力生物3D打印技术还将对地球上制药技术发展产生重要影响,可能会催生新的组织工程学和再生医学方法与技术。此外,生物打印解决方案公司相信该技术也将加速人造组织与器官技术的发展。

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