3D金屬打印應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)淺析

3D金屬打印應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)淺析

美國是3D打印技術(shù)發(fā)源地，幾乎早期的3D打印發(fā)明專利和原創(chuàng)技術(shù)均來自美國。美國對(duì)3D打印科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展做出了極其巨大的貢獻(xiàn)。2012年，美國時(shí)任總統(tǒng)奧巴馬呼吁要建立一個(gè)新興制造技術(shù)研究院。當(dāng)年，美國國家增材制造創(chuàng)新研究院（National Additive Manufacturing Innovation Institute ——NAMII）成立。2013年10月9日，由美國國家國防制造和加工中心（National Center for Defense Manufacturing and Machining，NCDMM）領(lǐng)導(dǎo)的美國國家增材制造創(chuàng)新研究院宣布更名為America Makes。America Makes的目的是縮小商業(yè)化需求與大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究之間的差距。美國勞倫斯-利弗摩爾國家實(shí)驗(yàn)室——LLNL，這是碩果累累的世界級(jí)增材制造科研機(jī)構(gòu)。LLNL除了研發(fā)金屬3D打印技術(shù)，還挖掘其他新金屬3D打印技術(shù)的商業(yè)價(jià)值，例如，對(duì)NIF發(fā)明的大面積光刻技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。使用多路復(fù)用器，激光二極管和Q開關(guān)激光脈沖來選擇性地熔化每層金屬粉末。近紅外光的圖案化是通過將光成像到光尋址閥（QALV）上實(shí)現(xiàn)的。

歐盟委員會(huì)于2011年11月30日公布了“地平線2020”科研規(guī)劃提案，規(guī)劃為期7年，預(yù)計(jì)耗資約800億歐元。歐洲的一大特點(diǎn)是科研院所與企業(yè)的交互十分緊密，例如德國費(fèi)勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)（Fraunhofer）、DMRC研究中心以及英國的謝菲爾大學(xué)。英國地平線增材制造計(jì)劃專注于飛機(jī)金屬輕質(zhì)部件生產(chǎn)所需的增材制造技術(shù)。英國地平線增材制造計(jì)劃的目標(biāo)是通過建立3D打印飛行零部件的可行方法，利用3D打印技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的高度幾何復(fù)雜性和多種材料的能力，為下一代飛機(jī)制造先進(jìn)的零部件，從而使英國處在航空航天設(shè)計(jì)和制造的前沿。2014年成立了由吉?jiǎng)P恩航空領(lǐng)導(dǎo)，雷尼紹、Autodesk、謝菲爾德大學(xué)、華威大學(xué)、達(dá)爾康（Del-cam）等參加的3D打印聯(lián)盟。

德國的弗勞恩霍夫（Fraunhofer）是歐洲增材制造技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用研究的中流砥柱，世界上很多著名的增材制造領(lǐng)域的專利都是來自于這個(gè)研究所。Fraunhofer研究所擁有80多家機(jī)構(gòu)，其中在德國有66家研究所，是歐洲大的從事應(yīng)用研究方向科研的機(jī)構(gòu)。年度研究總經(jīng)費(fèi)達(dá)20億歐元。3D金屬打印的成就德國各公司和研究機(jī)構(gòu)做出了巨大的貢獻(xiàn)。

Fraunhofer與企業(yè)合作的一個(gè)典型的案例是協(xié)助西門子將3D打印導(dǎo)向葉片推進(jìn)到產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。經(jīng)Fraunhofer改進(jìn)后的工藝鏈完成了帶復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的葉片制造任務(wù)，并且提高了表面質(zhì)量。西門子公司在導(dǎo)向葉片完成3D打印之后進(jìn)行了精密測(cè)量、精加工以及高溫焊接工作。

2017年，亞琛應(yīng)用技術(shù)大學(xué)還與Fraunhofer ILT聯(lián)合建立亞琛3D打印中心，這項(xiàng)由亞琛應(yīng)用科技大學(xué)和Fraunhofer合作的項(xiàng)目有著宏偉的目標(biāo)。該項(xiàng)目旨在加速和優(yōu)化大型金屬部件的整個(gè)制造過程。受到航空、航天和航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)3D金屬打印需求的推動(dòng)，世界各國3D金屬打印巨頭，均將大型和超大型SLM系統(tǒng)作為主力系統(tǒng)來發(fā)展。世界著名的3家3D金屬打印公司：EOS公司、C0NCEPT LASER和SLM SOLUTION 均來自德國。其中 C0NCEPT LASER推出了當(dāng)前世界大的《X LINE 2000R》的大型SLM，成形腔面積為800mm×400mm，高度為500mm的3D打印系

統(tǒng)，見下圖。     

自2005年開始，增材制造零件開始在波音及空客飛機(jī)上使用，主要用于冷卻系統(tǒng)、導(dǎo)管、內(nèi)飾和娛樂系統(tǒng)。波音公司共有包括777、787民用飛機(jī)等10個(gè)不同的飛機(jī)項(xiàng)目，大約有300種類型的零部件采用增材制造生產(chǎn)?？湛凸镜?/span>A350飛機(jī)上也有上千種增材制造的零件，這些增材制造零部件被用于空客2014年底交付的新機(jī)型A350 XWB寬體飛機(jī)上，極大節(jié)約了生產(chǎn)周期和成本。2013年底，GE公司宣布，將采用金屬選區(qū)熔化技術(shù)為其下一代GE leap發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)噴油嘴，每年的產(chǎn)量將達(dá)到40000個(gè)，生產(chǎn)周期可縮短2/3，生產(chǎn)成本降低50%，同時(shí)可靠性大大提高。目前，增材制造技術(shù)在國外發(fā)展相對(duì)超前，波音、空客等國際一流航空飛機(jī)制造商均有對(duì)外公開報(bào)道增材制造鈦合金、鎳基合金零件在航空飛機(jī)上的應(yīng)用，而國內(nèi)的增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)落后。

據(jù)Wohlers 2017年報(bào)告顯示，美國、德國及日本20余年來增材制造總裝機(jī)量占世界總量的54.4%。美國以36.8%的份額遙遙領(lǐng)先，在應(yīng)用領(lǐng)域方面，航空業(yè)應(yīng)用較多，成果顯著。比例均占到18%以上；目前增材制造主要應(yīng)用于功能部件生產(chǎn)、原型機(jī)的組裝裝配等等。未來，增材制造技術(shù)將繼續(xù)向工業(yè)產(chǎn)品制造、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品零部件制造、功能零件制造、醫(yī)療領(lǐng)域人工定制化假體制造等方面不斷發(fā)展，使該技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新相結(jié)合。

一個(gè)值得重視的趨勢(shì)，美國和德國研究所和公司，正在持續(xù)不斷地加大3D打印技術(shù)在所謂“內(nèi)結(jié)構(gòu)”（即本報(bào)告作者對(duì)具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的總稱）成形制造的應(yīng)用研發(fā)力度。“內(nèi)結(jié)構(gòu)”是以航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、各種具有大量熱交換（如燃料電池）和醫(yī)療器件為代表的結(jié)構(gòu)件之拓?fù)涮卣?。傳統(tǒng)的數(shù)控加工（NC加工）的優(yōu)勢(shì)是在于對(duì)零件的外部結(jié)構(gòu)精密高效加工；而內(nèi)結(jié)構(gòu)——具有內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件：如具有內(nèi)部直及彎曲管道的結(jié)構(gòu)件，具有內(nèi)部：變截面的桿件、窄縫和薄壁結(jié)構(gòu)，柵格狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件、仿生結(jié)構(gòu)、多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、形成紊流的內(nèi)部點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，則是無能為力的。而正是這些NC加工無能為力的結(jié)構(gòu)，組成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和醫(yī)療器件的許多核心和關(guān)鍵零部件。NC加工是多維加工，工具（刀具）與加工件的幾何干涉，是無法消除的。3D打印本質(zhì)上是2維加工的疊加，每次2維加工（熔化、熔覆、光固化、噴射、切割等等）是不存在刀具干涉的，因而成為內(nèi)結(jié)構(gòu)加工制造的無可比擬的不可替代的利器。世界3D打印增材制造界，經(jīng)過了30多年的曲折發(fā)展，學(xué)術(shù)和工程界才逐漸認(rèn)識(shí)到上述《內(nèi)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域》才是3D金屬打印主要應(yīng)用領(lǐng)域。人們?cè)谡J(rèn)知上的進(jìn)步，是3D打印發(fā)展的又一次飛躍，《內(nèi)結(jié)構(gòu)》應(yīng)用，具有劃時(shí)代的意義。美國GE（通用電氣）公司、德國SIEMENS（西門子）公司和美國GKN（吉?jiǎng)P恩）是首先實(shí)現(xiàn)這一飛躍的巨無霸。

與工業(yè)化國家相比，我國3D金屬打印技術(shù)的研究和應(yīng)用尚存在一定的差距。增材制造技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)還面臨許多新挑戰(zhàn)和新問題。中國增材制造技術(shù)目前主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)過程，較少進(jìn)入生產(chǎn)過程，還存在裝備工作不穩(wěn)定，使用成本高、制造效率低、制造精度尚不令人滿意等問題。目前多數(shù)增材制造技術(shù)還較多停留在高校及科研機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，我國著名實(shí)驗(yàn)室與3D打印公司結(jié)合不緊密。實(shí)驗(yàn)室逐利搞生產(chǎn)開公司，公司無力深度開發(fā)，同行之間主要是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，無法協(xié)同合作，而這些方面，西方比我們做得好。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，2016 年，中國智能制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模達(dá)12000億元，增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模為80億元，雖然增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年實(shí)現(xiàn)較快增長，但增材制造僅占智能制造產(chǎn)業(yè)的6‰，與傳統(tǒng)制造業(yè)相比相差甚遠(yuǎn)。目前增材制造企業(yè)規(guī)模普遍較小，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用只是傳統(tǒng)大批量制造技術(shù)的一個(gè)補(bǔ)充。

2017年5月，中國首架具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型客機(jī)C919在上海首飛成功，其中C919上裝載了23個(gè)3D打印零部件，主要用于C919前機(jī)身和中后機(jī)身的登機(jī)門、服務(wù)門以及前后貨倉門。從增材制造替代傳統(tǒng)鑄造、到拓?fù)鋬?yōu)化工藝，C919艙門件的打印成功并裝機(jī)試飛成功，標(biāo)志著增材制造技術(shù)將真正的進(jìn)入到國內(nèi)航空航天制造領(lǐng)域。

根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》中的研制大型飛機(jī)重大科技專項(xiàng)，發(fā)展大型商用飛機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。

幾種合金的3D打印技術(shù)值得重視：

鈦合金，由于其卓越的力學(xué)和耐腐蝕性能，抗疲勞性能良好，及熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，可以在350℃~450℃以下長期使用，在航空航天關(guān)鍵部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、機(jī)匣、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和隔熱板等的應(yīng)用已成為國際航空航天領(lǐng)域共識(shí)。在C919國產(chǎn)大飛機(jī)上就裝載了23件3D打印鈦合金艙門件，2件風(fēng)扇進(jìn)氣口構(gòu)件，這是國內(nèi)民航界次實(shí)現(xiàn)3D打印件的裝機(jī)應(yīng)用。

鋁合金，具有比模量、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、加工性能好、成本低廉等突出優(yōu)點(diǎn)，尤其是通過在鋁合金中添加不同的微量元素，可獲得更理想的性能，被認(rèn)為是十分理想的航空金屬材料，在飛機(jī)蒙皮、航空發(fā)動(dòng)機(jī)艙、艙體結(jié)構(gòu)、承載壁板、儀器安裝框架、燃料儲(chǔ)箱等應(yīng)用廣泛。

高溫合金，其工作溫度高達(dá)幾百度甚至上千度，具有良好的力學(xué)性能、較高的抗氧化、抗腐蝕性能，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的首選材料。

高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%，主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片、渦輪盤、機(jī)匣、尾噴嘴等。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)追求卓越的性能而面臨大量內(nèi)結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的零部件制造，增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)和不可替代性，就不言而喻了。增材制造技術(shù)在我國的快速發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化將為我國航空航天事業(yè)的跨越式發(fā)展插上起飛之翼。

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