3D打印,這個加法不簡單

  • 2018-02-02 10:27
  • 來源: 經濟日報
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首屆中國(哈爾濱)航空航天3D打印材料及應用制備技術博覽會上,小型3D打印機打印出的精致工藝品吸引觀眾駐足。

首屆中國(哈爾濱)航空航天3D打印材料及應用制備技術博覽會上,一臺小型3D打印機正在打印小老鼠。

  展示區展示的3D打印鈦合金牙齒。

  將一件東西制作出來,有幾種辦法?在近日舉辦的首屆中國(哈爾濱)航空航天3D打印材料及應用制備技術博覽會暨高峰論壇上,有專家稱,制造業有三大制造法,它們是等法、減法、加法。

  青銅器時代,人們將原材料熔化澆鑄成形,成品的材料與原材料相等,這是制造業的“等法”;傳統工業時代,人們拿到原材料,車銑刨磨,去除多余的部分,最終成型,這是制造業的“減法”;數字制造時代,3D打印則讓制造變成“加法”,通過計算機分層軟件將物體的三維模型進行均等切分,還原成二維的切面,然后一層一層累積打印出來。所以3D打印又被稱作增材制造,被譽為將帶來“第三次工業革命”的新技術

  加法是數學中最基礎最簡單的法則,但在制造業中,3D打印這個“加法”卻并不簡單。想知道它的不凡之處在哪嗎?請聽記者為您一一道來。

  加法的應用不簡單

  增材制造具有柔性化、低成本、集成化、智能化特點,發展潛力巨大

  3D打印的產品常常很酷炫。

  在中國航天科工集團有限公司增材制造創新中心的展示大廳里,就擺放著一些“酷炫”的部件:它們結構復雜,不少還有精致的鏤空,有的似花兒盛開,有的如蜂窩集簇。

  “這些零件用傳統機器加工手段實現不了。”中國航天科工增材制造創新中心工作人員李明亮介紹,傳統機械加工通過切削等方式對原材料進行減材制造,而3D打印是將增材制造粉末一層層疊加,最后完成零件的制造。在航天領域,絕大部分零件并不規整,常常外形獨特且需保證足夠輕便,因此,增材“從無到有”的疊加方式比傳統機械加工“從多到少”的切削方式更為高效。

  “增材制造具有柔性化、低成本、集成化、智能化的特點,在航天領域蘊藏著很大發展潛力。”航天科工集團第三研究院院長張紅文研究員說,航天產品中,內部輕量化異型精密構件、中小型超復雜薄壁帶型腔構件、支撐骨架+外表蒙皮的復雜結構件、艙體骨架梁框類等大型主承力整體構件,對增材制造的技術需求尤為迫切。比如有一種常用的航天產品構件,使用傳統制造技術非常復雜,而用3D打印技術可以把制造周期從兩個半月縮短到10天,成本能夠降低三分之一。

  張紅文介紹,增材制造可以推動產品設計創新,使產品結構一體化,可將數十個、數百個甚至更多零件組裝的產品一體化設計后,3D打印一次制造出來,大大簡化了制造工序;并可使結構更加緊湊,大大減少了質量與體積;還可節約制造和裝配成本,消除裝配誤差。

  北京航空航天大學教授王華明院士表示,3D打印技術已成為制造技術大家庭中的“明星成員”,但這并不意味著所有構件都適合使用3D打印技術來制造。“3D打印技術應該用于制造尺寸非常大、結構非常復雜、性能要求非常高的構件。因為在這類構件中,3D打印技術與傳統的減材加工技術相比,更能節省材料、方便加工、縮短周期、降低成本。”

  王華明還列舉了中國C919大型客機的例子。該機型機頭駕駛室的主風擋窗框,就是用3D打印技術制成。“中國商飛公司如果從國外訂貨,周期至少兩年,僅模具費用就需要1300萬元。他們找到我們時工期僅剩55天,我們不但如期完成,還將成本降至120萬元。”

  加法的材料不簡單

  3D打印帶來了原材料的革新,生產出很多新型材料

  3D打印這個加法,顛覆的不僅是制造技術和制造設備,它也帶來了原材料的革新。

  “3D打印既是新工藝,更是新材料。”王華明介紹,他率領的研發團隊在3D打印研發實踐中,可以合成很多用傳統方法無法合成的材料,也可以解決傳統制備材料過程中無法解決的天花板問題。

  比如研發團隊為AP1000核電機組打印的管道,長15米、直徑6米、管壁厚度超過200毫米,是個龐然大物。由于核電對于安全性能要求極高,鋼材往往需要加碳來提高強度。然而,當鋼中碳含量升高時,硬度、強度雖然提高,塑性、韌性卻會降低。按照傳統制造方式,核電用鋼必須要達到0.20的含碳量,才能滿足強度需要。而當它們用3D打印來制造時,奇跡發生了:打印出的鋼材含碳量僅為0.04,強度卻比傳統冶煉方式制出的鋼材還高。原因在于,3D打印出來的鋼材晶粒可以達到微米級,并做到絕對均勻,這是傳統冶金技術無法做到的。

  “含碳高的鋼材脆,不能在低溫下使用。這種鋼材卻可以在零下10攝氏度到零下95攝氏度中使用,這是技術革命。”王華明說,3D打印變革了冶金技術,“我們以后將使用3D打印生產極端條件下的材料,這是重要的發展方向”。

  3D打印的原材料與普通制造業原材料有很大不同,達數百種之多,目前以金屬粉末材料和高分子線材最為常見,而工業制造中大量采用的是金屬粉末材料。據統計數據分析,2016年,全球增材金屬粉末市場達到2.5億美元;預計到2025年,將達到50億美元的規模,年復合增長率將近40%。

  “在我國,增材制造產業可謂設備先行了一步。現在,國內做設備的企業如火如荼。而隨著整個增材制造裝備的快速發展,增材粉末市場未來也會大有可為。增材制造對粉末材料的要求很高,不僅球形度、流動性、松裝密度要好,還需要很低的含氧與雜質含量等優異性能,這與傳統的冶金粉末材料有明顯區別。”航天海鷹(哈爾濱)鈦業有限公司副總經理劉振軍介紹,由于鈦合金具有熔點高、活性高的特殊性質,增材制造專用鈦合金粉末是制備難度較大的一種耗材粉末。他所在的海鷹哈鈦公司通過兩年時間,先后突破了真空感應懸浮熔煉、惰性氣體霧化制粉等多項關鍵技術,完成了首臺國產冷坩堝真空感應熔煉氣霧化鈦合金制粉設備的集成制造,實現了增材制造專用鈦合金粉的生產,打破了國外增材制造金屬原材料的市場壟斷和技術封鎖。

  據悉,該項目投產后,每年可生產30噸優質鈦合金粉末產品,一方面解決了國家軍工、國防單位所需要的高性能鈦合金粉末供應;另一方面,也促進了國內金屬粉末制備技術發展,提前布局未來全球增材制造原材料市場。

  加法的前景不簡單

  3D打印是推動制造業向智能制造轉型的重要力量,發展勢頭迅猛

  3D打印是一項顛覆性的創新技術,被美國自然科學基金會稱為20世紀最重要的制造技術創新,進入21世紀后,更是推動制造業向智能制造轉型的重要力量。

  “3D打印始于1986年,從2010年左右開始,發展大幅度加速。從它的市場規模來講,1995年時才3億美元,2016年已達到60.6億美元。”香港城市大學副校長呂堅教授說。

  我國雖為3D打印行業的后起之秀,但發展勢頭迅猛。2012年至2016年,國內3D打印產業市場規模由1.61億美元增至11.9億美元,占全球市場規模的比重由7%升至19.64%。目前,我國3D打印主要集中在家電及電子消費品、建筑、教育、模具檢測、醫療及牙科正畸、文化創意及文物修復、汽車及其他交通工具、航空航天等領域。其中,3D打印最大的需求分別來自民用消費、工業設計和航天軍工。

  “增材制造技術是一個縱向產業鏈超級長,橫向覆蓋面超級廣的技術。”西安國家增材制造創新中心副總工程師、金屬材料研究所所長張麗娟說,3D打印技術從材料到軟件、裝備、工藝、后處理以及應用是一個縱向的長產業鏈;而它的橫向應用領域涵蓋航空航天、醫療、民生、建筑等很多領域。“我國要在智能制造中趕上先進國家,必須進行跨領域跨單位合作。”

  為此,一些企業已經開始布局3D打印全產業鏈的開發。

  中國航天科工增材制造創新中心副總監侯繼偉說:“我們不僅發展3D技術,還要發展整個產業。”簡單來說,3D打印產業鏈需要具備材料提供商(上游)、設備制造商(中游)、服務提供商(下游)3個環節。目前,航天科工在產業鏈的上中下游均有布局,在金屬增材制造粉末材料研發、面向增材制造的結構設計優化、增材制造成形工藝開發、增材制造裝備自主研制等方面,取得了多項關鍵技術突破。

  與此同時,一些領域則對3D打印技術有著更多需求。

  “增材技術具有個性化定制的特點,在航空航天領域具有非常廣泛的應用。航空工業基本是屬于小批量生產的行業。從成本而言,增材制造在小批量生產方面具有優勢。世界上最大的航空公司如空客公司、波音公司,每年飛機的總產量也不過在700架左右,因此采用3D打印技術對于這個行業具有相當重要的意義。”中國商用飛機有限責任公司增材制造中心主任張嘉振介紹,中國商飛公司大飛機上使用的一些零件就是3D打印制造的。他表示,3D打印這種革命性技術未來在航空領域的應用還將更加深入廣泛,會影響到飛機的預研、設計、生產、取證、客服、回收等各個環節。

  總之,3D打印是一種代表未來的制造技術,它還有很長的路要走,還將開拓更廣大的應用地圖。

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責任編輯:李倩

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