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3D打印,这个加法不简单

2018-02-04 08:10 来源: 经济日报

首届中国(哈尔滨)航空航天3D打印材料及应用制备技术博览会上,小型3D打印机打印出的精致工艺品吸引观众驻足。

▲ 首届中国(哈尔滨)航空航天3D打印材料及应用制备技术博览会上,一台小型3D打印机正在打印小老鼠。

展示区展示的3D打印钛合金牙齿。

将一件东西制作出来,有几种办法?在近日举办的首届中国(哈尔滨)航空航天3D打印材料及应用制备技术博览会暨高峰论坛上,有专家称,制造业有三大制造法,它们是等法、减法、加法。

青铜器时代,人们将原材料熔化浇铸成形,成品的材料与原材料相等,这是制造业的“等法”;传统工业时代,人们拿到原材料,车铣刨磨,去除多余的部分,最终成型,这是制造业的“减法”;数字制造时代,3D打印则让制造变成“加法”,通过计算机分层软件将物体的三维模型进行均等切分,还原成二维的切面,然后一层一层累积打印出来。所以3D打印又被称作增材制造,被誉为将带来“第三次工业革命”的新技术

加法是数学中最基础最简单的法则,但在制造业中,3D打印这个“加法”却并不简单。想知道它的不凡之处在哪吗?请听记者为您一一道来。

加法的应用不简单

增材制造具有柔性化、低成本、集成化、智能化特点,发展潜力巨大

3D打印的产品常常很酷炫。

在中国航天科工集团有限公司增材制造创新中心的展示大厅里,就摆放着一些“酷炫”的部件:它们结构复杂,不少还有精致的镂空,有的似花儿盛开,有的如蜂窝集簇。

“这些零件用传统机器加工手段实现不了。”中国航天科工增材制造创新中心工作人员李明亮介绍,传统机械加工通过切削等方式对原材料进行减材制造,而3D打印是将增材制造粉末一层层叠加,最后完成零件的制造。在航天领域,绝大部分零件并不规整,常常外形独特且需保证足够轻便,因此,增材“从无到有”的叠加方式比传统机械加工“从多到少”的切削方式更为高效。

“增材制造具有柔性化、低成本、集成化、智能化的特点,在航天领域蕴藏着很大发展潜力。”航天科工集团第三研究院院长张红文研究员说,航天产品中,内部轻量化异型精密构件、中小型超复杂薄壁带型腔构件、支撑骨架+外表蒙皮的复杂结构件、舱体骨架梁框类等大型主承力整体构件,对增材制造的技术需求尤为迫切。比如有一种常用的航天产品构件,使用传统制造技术非常复杂,而用3D打印技术可以把制造周期从两个半月缩短到10天,成本能够降低三分之一。

张红文介绍,增材制造可以推动产品设计创新,使产品结构一体化,可将数十个、数百个甚至更多零件组装的产品一体化设计后,3D打印一次制造出来,大大简化了制造工序;并可使结构更加紧凑,大大减少了质量与体积;还可节约制造和装配成本,消除装配误差。

北京航空航天大学教授王华明院士表示,3D打印技术已成为制造技术大家庭中的“明星成员”,但这并不意味着所有构件都适合使用3D打印技术来制造。“3D打印技术应该用于制造尺寸非常大、结构非常复杂、性能要求非常高的构件。因为在这类构件中,3D打印技术与传统的减材加工技术相比,更能节省材料、方便加工、缩短周期、降低成本。”

王华明还列举了中国C919大型客机的例子。该机型机头驾驶室的主风挡窗框,就是用3D打印技术制成。“中国商飞公司如果从国外订货,周期至少两年,仅模具费用就需要1300万元。他们找到我们时工期仅剩55天,我们不但如期完成,还将成本降至120万元。”

加法的材料不简单

3D打印带来了原材料的革新,生产出很多新型材料

3D打印这个加法,颠覆的不仅是制造技术和制造设备,它也带来了原材料的革新。

“3D打印既是新工艺,更是新材料。”王华明介绍,他率领的研发团队在3D打印研发实践中,可以合成很多用传统方法无法合成的材料,也可以解决传统制备材料过程中无法解决的天花板问题。

比如研发团队为AP1000核电机组打印的管道,长15米、直径6米、管壁厚度超过200毫米,是个庞然大物。由于核电对于安全性能要求极高,钢材往往需要加碳来提高强度。然而,当钢中碳含量升高时,硬度、强度虽然提高,塑性、韧性却会降低。按照传统制造方式,核电用钢必须要达到0.20的含碳量,才能满足强度需要。而当它们用3D打印来制造时,奇迹发生了:打印出的钢材含碳量仅为0.04,强度却比传统冶炼方式制出的钢材还高。原因在于,3D打印出来的钢材晶粒可以达到微米级,并做到绝对均匀,这是传统冶金技术无法做到的。

“含碳高的钢材脆,不能在低温下使用。这种钢材却可以在零下10摄氏度到零下95摄氏度中使用,这是技术革命。”王华明说,3D打印变革了冶金技术,“我们以后将使用3D打印生产极端条件下的材料,这是重要的发展方向”。

3D打印的原材料与普通制造业原材料有很大不同,达数百种之多,目前以金属粉末材料和高分子线材最为常见,而工业制造中大量采用的是金属粉末材料。据统计数据分析,2016年,全球增材金属粉末市场达到2.5亿美元;预计到2025年,将达到50亿美元的规模,年复合增长率将近40%。

“在我国,增材制造产业可谓设备先行了一步。现在,国内做设备的企业如火如荼。而随着整个增材制造装备的快速发展,增材粉末市场未来也会大有可为。增材制造对粉末材料的要求很高,不仅球形度、流动性、松装密度要好,还需要很低的含氧与杂质含量等优异性能,这与传统的冶金粉末材料有明显区别。”航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司副总经理刘振军介绍,由于钛合金具有熔点高、活性高的特殊性质,增材制造专用钛合金粉末是制备难度较大的一种耗材粉末。他所在的海鹰哈钛公司通过两年时间,先后突破了真空感应悬浮熔炼、惰性气体雾化制粉等多项关键技术,完成了首台国产冷坩埚真空感应熔炼气雾化钛合金制粉设备的集成制造,实现了增材制造专用钛合金粉的生产,打破了国外增材制造金属原材料的市场垄断和技术封锁。

据悉,该项目投产后,每年可生产30吨优质钛合金粉末产品,一方面解决了国家军工、国防单位所需要的高性能钛合金粉末供应;另一方面,也促进了国内金属粉末制备技术发展,提前布局未来全球增材制造原材料市场。

加法的前景不简单

3D打印是推动制造业向智能制造转型的重要力量,发展势头迅猛

3D打印是一项颠覆性的创新技术,被美国自然科学基金会称为20世纪最重要的制造技术创新,进入21世纪后,更是推动制造业向智能制造转型的重要力量。

“3D打印始于1986年,从2010年左右开始,发展大幅度加速。从它的市场规模来讲,1995年时才3亿美元,2016年已达到60.6亿美元。”香港城市大学副校长吕坚教授说。

我国虽为3D打印行业的后起之秀,但发展势头迅猛。2012年至2016年,国内3D打印产业市场规模由1.61亿美元增至11.9亿美元,占全球市场规模的比重由7%升至19.64%。目前,我国3D打印主要集中在家电及电子消费品、建筑、教育、模具检测、医疗及牙科正畸、文化创意及文物修复、汽车及其他交通工具、航空航天等领域。其中,3D打印最大的需求分别来自民用消费、工业设计和航天军工。

“增材制造技术是一个纵向产业链超级长,横向覆盖面超级广的技术。”西安国家增材制造创新中心副总工程师、金属材料研究所所长张丽娟说,3D打印技术从材料到软件、装备、工艺、后处理以及应用是一个纵向的长产业链;而它的横向应用领域涵盖航空航天、医疗、民生、建筑等很多领域。“我国要在智能制造中赶上先进国家,必须进行跨领域跨单位合作。”

为此,一些企业已经开始布局3D打印全产业链的开发。

中国航天科工增材制造创新中心副总监侯继伟说:“我们不仅发展3D技术,还要发展整个产业。”简单来说,3D打印产业链需要具备材料提供商(上游)、设备制造商(中游)、服务提供商(下游)3个环节。目前,航天科工在产业链的上中下游均有布局,在金属增材制造粉末材料研发、面向增材制造的结构设计优化、增材制造成形工艺开发、增材制造装备自主研制等方面,取得了多项关键技术突破。

与此同时,一些领域则对3D打印技术有着更多需求。

“增材技术具有个性化定制的特点,在航空航天领域具有非常广泛的应用。航空工业基本是属于小批量生产的行业。从成本而言,增材制造在小批量生产方面具有优势。世界上最大的航空公司如空客公司、波音公司,每年飞机的总产量也不过在700架左右,因此采用3D打印技术对于这个行业具有相当重要的意义。”中国商用飞机有限责任公司增材制造中心主任张嘉振介绍,中国商飞公司大飞机上使用的一些零件就是3D打印制造的。他表示,3D打印这种革命性技术未来在航空领域的应用还将更加深入广泛,会影响到飞机的预研、设计、生产、取证、客服、回收等各个环节。

总之,3D打印是一种代表未来的制造技术,它还有很长的路要走,还将开拓更广大的应用地图。

作者: 经济日报   [责任编辑: 李浩]
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