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史玉升:3D打印技术的工业应用及产业化发展

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:南极熊

2017-10-27 09:35

    增材制造技术发展的时间只有30多年,其中3D打印技术作为一种重要的增材制造技术,突破了面向制造工艺的产品设计概念,实现了面向性能的产品设计理念。3D打印技术虽然还存在相关设计理论和方法不完善、用于打印的耗材种类少、工业打印装备贵、相关应用研究不足等问题,但是由于3D打印技术具有既解决了复杂零件难以整体制造的难题,又减少了机加工制造带来的原材料和能源浪费的优点,因而方兴未艾。 

    奥巴马早在2012年就提出3D打印技术是对于美国制造业的一次具有战略意义的重大变革,对制造业的振兴起着至关重要的作用,并把这项技术定义为“一种全新的生产方式”,认为它的市场前景十分明朗,对于新一次工业革命的开展起着推动作用。2012年8月,美国政府部门和企业一起出资,在美国俄亥俄州成立了一所专门研究3D打印技术的创新研究所。美国政府对于3D打印技术的重视程度之高,由此可见一斑。 

    1.3D打印技术的优势 

    在材料加工和产品制造领域,按照是否去除材料,可将现有的加工制造划分为等材制造、减材制造和增材制造3个类型。 

    1.1 传统加工技术的局限性 

    3000年前,夏朝晚期出现了青铜铸造工艺。作为一种等材加工工艺,经过先人的不断探索,至西周时期青铜铸造工艺发展至巅峰,出现了一批如司母戊鼎、四羊方尊、大盂鼎等举世称赞的青铜艺术品。随着人类生产力的提高,冶铁技术的出现,铁器得以应用,特别是铸铁农具的普遍推广,成为农业文明时期生产力发展的重要标志,引起了全社会整个技术基础的巨大变化。此外,锻造技术作为另一种典型的等材加工技术,对于刃具、兵器的制造具有重要意义。 

    第一次工业革命时期,切削加工技术(车削、铣削、磨削等)作为一种减材加工技术一经出现,便由于其具有加工时间短、产品表面粗糙度低、精度高、便于大批量生产等优点,得到迅速发展和广泛运用。进入21世纪,工业应用对产品的要求越发提高,产品结构更为复杂,单个零件体积越来越小,同时企业需要缩短产品研发周期、降低研发成本,目前传统的加工工艺已越来越难以满足企业制造复杂零件和研发新品的需求。此外,节能环保已经成为当代制造业的发展趋势,铸造和锻造过程中会产生大量的废热,而切削加工也会附带产生大量的材料浪费,这些都不符合时代的主流。 

    1.2 3D打印技术的特点 

    3D打印技术,作为一种增材制造技术,突破了传统制造业技术的4个复杂性难题,即形状复杂性、材料复杂性、层次复杂性和功能复杂性。 

    1)形状复杂性。几乎任意复杂的形状,只要在三维设计软件中设计出来,就能通过3D打印技术制造出来。 

    2)材料复杂性。全彩色、异质、功能梯度材料的结构,均可用3D打印技术实现,如图1(a)所示。 

    3)层次复杂性。传统加工技术难以实现的多尺度(宏、介、微观),如原子打印、细胞打印都可以实现。 

    4)功能复杂性。对于结构复杂的零件,3D打印技术可以实现整体打印成形,避免了将一个复杂零件进行分拆制造后通过焊接成形而带来的质量增大和潜在的质量缺陷,甚至能够取消复杂零部件的装配。图1(b)所示的齿轮组,通过3D打印技术整体成形,齿轮就可以转动。 

    3D打印直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品,极大地简化了生产流程,降低了研发成本,缩短了研发周期,使得任意复杂结构零件的生产成为可能,对面向功能的产品设计具有重大的推进作用。 

    2.3D打印技术的工业应用现状 

    3D打印技术由于其突出的技术特点,已迅速融入到现代制造体系中。其既可以独立发展,在直接整体成形方面独树一帜,又能与铸造、机加工、热等静压等传统制造工艺交叉融合,改造和提升传统的制造业。 

    2.1 3D打印直接整体成形 

    在汽车和飞机等制造领域,3D打印技术可以实现大型复杂异形关键零件的快速整体制造,以加速关键零件的开发与制造,提高其创新能力与水平,如通过3D打印可以直接用碳纤维复合材料整体成形汽车与飞机的外壳。在汽车制造中采用3D打印技术,汽车壳体厚度可以按需求变化,实现最优轻量化;此外3D打印可以实现更为复杂的汽车轮廓(无需考虑制造工艺),因而可以实现更好的气动性能。 

    图2所示为3D打印的汽车,整车仅50个零件(常规制造仅仪表盘就有上千个零件),减重50%,该车可以用37.85L燃气,以112.65km/h的速度横穿美国东西部。图3所示为英国南安普顿大学研发的世界上第一架3D打印飞机,该机翼展1.98m,最高时速可达160.93km/h,不需要任何螺丝连接,组装简单。波音公司使用3D打印制造的无人飞机———PhantomRay的翼展为15.24m,机长为10.97m。 

    3D打印技术还可以用于直接成形复杂高性能塑料零件。美国F/A-18战斗机中的管道系统,波音公司的高空飞机的入口管道均采用3D打印技术直接制造而成。美国AeroMet公司使用激光3D打印技术制造的次承力结构件在F/A-18战斗机上实现了装机验证。美国宇航局打印的高温合金喷嘴,喷出燃烧温度可达3315℃;澳大利亚莫纳什大学打印的新型喷气式航空发动机,可用于新设计概念的验证。美国GE(通用电气)公司,运用3D打印技术,将由20个零件组成的发动机喷嘴集成为一个零件进行打印,减重25%,增效15%,获得85000个零件订单,使得GE的发动机性能提升了一代。此外,3D打印技术可以实现绿色可持续化的制造。据统计,48%的温室气体排放是由制造业造成的,而采用3D打印技术可以有效地减少温室气体的排放。图4为飞机客舱的零件,其中图4(a)为机加工,图4(b)为3D打印成形,从表1可以看出,3D打印所需原材料的质量只有机加工的1/8,最终产品质量为机加工的3/8,而能耗和温室气体排放量只有机加工的1/5,成功实现减材、减重。 

    2.2 3D打印与传统铸造工艺相结合3D打印技术与传统铸造工艺相结合,加快了航空航天等领域关键零件的开发与制造,实现了航空航天、国防等领域大型复杂异形关键零件的快速、低成本整体制造,提高了相关领域的创新能力与水平。 

    坦克上的涡轮盘,过去采用熔模铸造的方式进行加工,即首先用模具制造出蜡模,然后再配合铸造工艺进行铸造。3D打印技术出现后,可以直接打印出蜡模,节约了相关模具制造的时间和费用。图5所示为某大型运输机的钛合金航空发动机机匣铸造过程,该机匣直径为1.2m,最小壁厚为3mm,由于其结构复杂,过去都采用先分开铸造然后焊接的方法制造。而采用3D打印技术,在用CAE软件仿真模拟后,可以整体打印出内机匣的熔模,最后整体浇铸出来,不仅整体质量减少了20%,缺陷减少了90%,制造效率还比传统工艺提高了6倍以上。 

    此外,3D打印技术在六缸柴油发动机缸盖整体成形以及核电泵整体快速精密铸造等领域的应用均取得良好的效果。 

    2.3 3D打印与传统模具制造工艺结合 

    3D打印与传统模具制造工艺结合,能够提高复杂模具的冷却效率,减少产品缺陷,缩短制造周期,大幅降低制造成本。传统的注塑冷却采用打直孔的方式进行冷却,冷却效果不理想。随着对产品生产效率和质量的要求越来越高,现在的注塑模通常带有随形冷却流道,如图6所示。目前,机加工与激光选区熔化(selectivelasermelting,SLM)相结合的方式在模具和工业刀具领域得到了广泛应用。如在机加工的底座上,可通过SLM技术加工随形冷却流道,以达到最优的冷却效果(如图7所示)。 

    经实验比较,3D打印出的随形冷却模具镶块具有显著的冷却效果:冷却周期从24s减少到7s,缩短68%以上;平均注射温度从95℃降至68℃;温度梯度由12℃减小到4℃(温度梯度过大,成形的塑料制品会产生翘曲变形);缺陷率由60%降至0%;制造速率提高到3件/min。     

    2.4 3D打印与传统热等静压工艺结合 

    传统热等静压技术(hotisostaticpressing,HIP)是一种集高温、高压于一体的生产技术,其将粉末材料放置到密闭的容器中,向制品施加各向同等的压力,同时施以高温,在高温高压的作用下,粉末材料得以致密化。热等静压技术主要用途: 

    1)对粉末直接加热加压烧结成形; 

    2)对成形后的铸件,包括钛合金、高温合金等需要缩松缩孔的铸件进行致密化处理,以提高铸件的整体力学性能。与3D打印技术结合以后,零件可以整体做出,零件性能与锻件接近。 

    图8所示为一种具有特殊要求的零件,图中外壳部分形状复杂,内部填充材料需要具有特殊性能。首先使用3D打印技术制作外壳,然后在其内部装入异质粉末材料,最后通过热等静压技术实现两种不同种类材料的无缝连接成形。该技术对于航空航天领域特殊零件的制造具有重要的意义,如航天器的外壳外部由陶瓷制成,可以耐高温,内部为金属材料,具有高韧性,采用3D打印技术与热等静压技术相结合的方法制作,可以避免对两种材料进行粘接,且能减轻总体质量、减少缺陷。 

    钛合金、镍基高温合金、陶瓷等材料的高性能异形复杂结构零件用传统方法难以加工,而将3D打印与热等静压结合起来,就可以解决上述难题。 

    2.5 3D打印与机加工复合 

    针对目前3D打印零件表面粗糙度高的问题,诞生了3D打印与传统机加工技术相结合的复合成形技术。图9所示为日本松浦金属激光造型复合加工机LUMEXAdvance-25,通过3D打印与机加工复合的方式,零件的表面质量得到明显改善。如果在3D打印之后进行后加工,内部孔腔的复杂结构仍然难以加工,只有边打印边机加工才能取得较低的表面粗糙度。图10(a)所示为纯激光3D打印加工的表面粗糙的制件,图10(b)所示为复合成形技术加工的精细制件。 

    3.中国3D打印技术存在的问题 

    由于3D打印技术起步较晚,实际的应用过程中,在以下几个方面仍然存在许多问题。 

    1)3D打印的设计理论与方法。 

    面向3D打印的设计理论与方法的缺乏主要体现为没有系统的3D打印材料设计制备的理论与方法、3D打印工业零部件的设计理论与方法、3D打印生物器官的设计理论与方法。目前,国际上还没有完备的可用于3D打印的金属、高分子、陶瓷及其复合材料的设计制备方法,使得3D打印的耗材费用居高不下、性能不能完全满足使用要求。在3D打印工业零部件和人体器官等方面,缺乏必要的数学模型和设计理论。 

    2)3D打印装备。 

    3D打印装备在实际应用中存在的主要问题: 

    ①成形件精度和表面质量较差; 

    ②由于3D打印的工作模式是由点到线,由线到面,由面到体,因而成形效率比较低; 

    ③虽然民用的3D打印机比较便宜,但是工业3D打印装备的价格较高; 

    ④3D打印装备的稳定性较差,造成零件性能的可重复性差,在不同时间和环境下,制造的零件性能没有可重复性; 

    ⑤目前各类国产激光器及其光学系统的性能远远落后于国外产品,主要元器件仍依赖进口。 

    3)3D打印材料。 

    我国3D打印技术起步时重视打印装备的研发,因此国产3D打印装备已接近或达到国际先进水平。但对相关打印材料的研究重视不够,目前正面临“巧妇难为无米之炊”的尴尬境地。打印材料已成为限制3D打印技术发展的主要瓶颈。打印材料存在的主要问题是: 

    ①品种少,种类与现实世界中的材料相距甚远; 

    ②价格贵,极大限制3D打印技术的普及与推广; 

    ③性能低,制件大多数无法直接用作功能零件。 

    4)3D打印应用。 

    3D打印在实际应用过程中,以下几个方面还需进行大量研究: 

    ①3D打印零部件的力学性能; 

    ②3D打印零部件的断裂韧性; 

    ③3D打印零部件的疲劳性能; 

    ④3D打印零部件的裂纹扩展速率; 

    ⑤3D打印零部件的高温持久性能; 

    ⑥3D打印零部件的微观组织结构; 

    ⑦标准体系。 

    4.中国3D打印技术产业化建议 

    4.1 指导思想完善 

    3D打印想要实现产业化,必须要坚持多元化发展、协同发展、创新发展的理念。 

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    1)坚持多元发展。发展不同类型的3D打印工艺,实现技术手段多元化;开发应用市场,丰富产品类型,实现服务范围多元化;开拓应用领域,实现市场类型多元化。 

    2)坚持协同发展。企业与高校、院、所协调发展;3D打印产业链中企业之间协调发展;3D打印企业与用户企业协调发展。 

    3)坚持创新发展。加强技术创新,攻破重点关键技术;加强商业模式创新,推动现有产业链各环节规模发展;加强应用服务创新,挖掘潜在市场需求。 

    4.2 关键技术突破 

    1)着力发展潜在应用市场,推进应用服务发展。打造服务平台,为3D打印产业提供设计、技术支持、金融、设备、产品交易等公共信息服务;打造应用示范平台,针对航空航天、汽车、生物医疗等重点领域开展应用示范,对重点企业进行推介;打造体验中心,建立生物用品、工业用品、3D教育体验馆,提高公众认知度;打造孵化基地,重点推进市场前景良好、具备成熟产业化基础的重点领域。相应平台如图11所示,可以为3D打印应用服务提供支撑。 

    2)重点突破关键技术工艺,提高产业核心竞争力。围绕3D打印材料的标准化和规模化生产开展研究,重点进行高端打印材料及配套生产设备的研发,解决材料种类少、性能不能满足使用要求的问题,如图12所示。提升现有不同3D打印工艺装备的水平,包括SLA、FDM、SLS、SLM、LENS、3DP等目前主流的几种打印工艺。主要的措施为在现有基础上,提升设备的生产效率、制造精度,降低制造成本,实现关键零部件(激光器、振镜、喷头等)的研发与产业化,打破国外技术垄断,提高设备的竞争力。一方面提升现有工艺的效率、稳定性;另一方面研发针对特种金属、高分子、陶瓷等材料的新型打印工艺。同时大力推进3D打印与传统制造技术的结合,改造和提升传统制造业。 

    3)构建全流程的工艺规范和技术标准,提升整体产业链水平。构建装备、数据处理、材料、产品服务的整体产业链,如图13所示。 

    4.3 政策建议 

    鉴于3D打印技术存在的问题,提出如下7点建议: 

    1)顶层设计,统筹规划。科学规划,正确引领,在国家自然科学基金中重点安排,统筹发展3D打印技术的基础研究。结合我国各省市产业特色和3D打印基础,形成多个不同特色的3D打印技术产业中心,互为补充,辐射带动周边地区3D打印技术应用和服务产业的发展。 

    2)设立专项,工程推进。设立专项,开展3D打印技术相关软件、工艺、材料、装备、应用、标准及产业化的系统性整体性攻关,推进建设3D打印技术与其他先进制造技术融合的新型数字化制造体系。 

    3)重大需求牵引,重点工程互动。面向航空航天、汽车、生物医疗、电子、文化创意等国家重大需求领域,密切与重大工程的联动,促进3D打印整体产业链的快速形成与发展。 

    4)加强支撑体系建设。加强标准规范建设,支持标准化组织联合行业协会、相关工业企业等制定材料、元器件、工艺等共性基础技术标准规范;加强人才培训机构和专业化服务机构的资质认证,规范培训和服务市场。 

    5)加大资金扶持力度,拓展多种融资渠道。坚持以企业为主导,政府支持推动发展的原则,加强相关产业的资金支持。引导金融机构支持3D打印产业的发展,支持3D打印产业的融资,引导社会资金参与3D打印产业发展。 

    6)鼓励和扶持新型的产业模式,鼓励创新发展模式,形成创新链。 

    7)推行3D打印企业税收减免等优惠政策,促使企业把减免的税收投入到创新研究中。实行给首台套使用企业的补贴政策。在各类院校中设立与3D打印相关的课程或专业,培养各类3D人才。