增材制造技術發(fā)展

1、Additive ManufacturingAdditive Manufacturing T Technology and echnology and I Its ts EffectEffect on on M Manufacturing of Chinaanufacturing of China2014.05.29.，Beijing中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所BAMTRI,AVIC.鞏水利Prof. Dr. GONG Shuili內 容 提 要Development of InternationalIntroductionTechnical methods and meansD

2、omestic technology developmentsDisparity and suggestions目 錄Additive Manufacturing (AM or 3D Printing)：是人類通過對物質可控的動態(tài)累積以逼近目標形體的一種生產過程；是與材料去除成形、受迫成形等對應的科學技術體系；是以“堆積”為共同特征的技術群。 一、IntroductionuReshaping the global manufacturing competition structurel上世紀美國時代周刊將3D打印列為“美國十大增長最快的工業(yè)”l英國經濟學人雜志則認為它將“與其他數字化生產模式一

3、起推動實現第三次工業(yè)革命”uChange the production and life mode in the futurel社會化制造l那么每個人都可以成為一個工廠l它將改變制造商品的方式l并改變世界的經濟格局l進而改變人類的生活方式 一、 The third industrial revolution ?!一、 Strategic significance of AM for Chinau可成為我國制造業(yè)自主創(chuàng)新的有效手段；u符合綠色制造發(fā)展方向，有利于制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；u可促進傳統(tǒng)制造技術水平的提升，促進制造與服務融合發(fā)展；u有望培育新興產業(yè)、優(yōu)化產業(yè)結構、促進產業(yè)升級。uAn ef

4、fective way for independent innovation of manufacturing industry for ChinauCompliance with the green manufacturing development, and conducive to the sustainable development of manufacturing industry;uPromote the upgrading of traditional manufacturing technology, and the fusion development between ma

5、nufacturing and service;uExpected to cultivate new industries, optimize the industrial structure and promote industrial upgradingAerospace高性能金屬零件直接增材制造技術的發(fā)展，為航空航天產品從產品設計、模型和原型制造、零件生產和產品測試都帶了新的思想和技術途徑，有望大幅縮短航空航天產品的研發(fā)和生產周期the development of direct manufacturing technology of performance parts, new ide

6、as and technical approach are brought into product design, model and prototype manufacturing, parts manufacturing and product testing, which is expected to significantly shorten the research and development cycle of aerospace production. 增材制造大型復雜發(fā)動機機匣鑄造熔模（直徑1.2米原來需要機加工或模具壓制多個局部結構，然后拼接成整體，精度難以控制，工序繁瑣

7、，周期長，增材制造方法精度高、整體成形、周期短。激光近成形的葉片（Optomec公司），傳統(tǒng)鑄鍛，均需制造復雜模具，增材制造實現自由成形SLSCast一、Development history of AM technology快速原型快速原型/ /快速成形快速成形快速工具快速工具/ /模具模具/ /鑄型鑄型快速成形快速成形直接制造直接制造uVerification and presentation of concept 概念驗證和呈現l 工業(yè)設計l 產品設計uDesign verification and testu設計驗證和測試l 反復設計和優(yōu)化l 成型、裝配和功能性測試uProductio

8、n and manufacturinguMolding and secondary operations 制模與二次操作 l 熱成型 l 砂型鑄造 l 金屬鍍層 l EDM電極uSmall batch production, mass production 批量生產l 失蠟鑄造l 吹塑制模 l 塑料擠塑 l 環(huán)氧制模 一、Major use生產與制造l 直接制造零件 二、Technical methods and means：Major processTechnologyMaterial CharacteristicsApplications光固化成形（SLA）液態(tài)樹脂精度高；表面質量好航空航

9、天、生物醫(yī)學等激光選區(qū)燒結（SLS）高分子、金屬、陶瓷、砂等粉末材料成形材料廣泛、應用范圍廣等制作復雜鑄件用熔?；蛏靶镜燃す膺x區(qū)熔化（SLM）金屬或合金粉末可直接制造高性能復雜金屬零件用于航空航天、珠寶首飾、模具等熔融沉積制造（FDM）低熔點絲狀材料零件強度高、系統(tǒng)成本低汽車、工藝品等激光近凈成形（LNSF）金屬粉末成型效率高、可直接成形金屬零件航空領域電子束選區(qū)熔化（EBSM）金屬粉末可成形難熔材料航空航天、醫(yī)療、石油化工等電子束熔絲沉積（EBFFF）金屬絲材成形速度快、精度不高航空航天高附加值產品制造分層實體制造（LOM）片材成形速率高、性能不高用于新產品外形驗證立體噴?。?DP）光敏樹脂

10、、粘接劑噴粘接劑時強度不高、噴頭易堵塞制造業(yè)、醫(yī)學、建筑業(yè)等的原型驗證Industry chain of AMIndustry chain of AMUSERUSERpost-treatment and servicesManufacturingManufacturingEquipmentEquipmentMaterialMaterial Additive manufacturing has a long industry chain, and improves the technology and economy.母合金、中間合金、金屬冶煉、粉末母合金、中間合金、金屬冶煉、粉末、金屬絲材、材

11、料檢測、材料儲運、金屬絲材、材料檢測、材料儲運激光器、電子槍、成形軟件、機電控制激光器、電子槍、成形軟件、機電控制、傳感器、機床、裝備集成、真空器件、傳感器、機床、裝備集成、真空器件、氣體循環(huán)器件、冷卻系統(tǒng)、氣體循環(huán)器件、冷卻系統(tǒng)產品研制、工藝開發(fā)等、委托產品研制、工藝開發(fā)等、委托加工加工機械加工、熱處理、表面處機械加工、熱處理、表面處理、無損檢測、性能測試、理、無損檢測、性能測試、生物陶瓷、凈化生物陶瓷、凈化4.4 國際發(fā)展現狀uEuropean and American countries have increased their support, and made the nationa

12、l strategies and plans for additive manufacturing development; It has draw more attention of government, research institutions, enterprises and the media.2012年3月，美國白宮宣布振興美國制造的新舉措，將投資10億美金幫助美國制造體系的改革，鼓勵優(yōu)先發(fā)展增材制造為代表的數字化制造技術；在全國范圍籌建多個研究與企業(yè)聯盟英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術的研發(fā)經費，目前已在多個大學建立了增材制造研究中心德國建立了直接制造研究中心，主

13、要研究和推動增材制造技術在航空航天領域中結構輕量化方面的應用西班牙也啟動了增材制造專項，研究增材制造共性技術、材料、技術交流及商業(yè)模式等內容日本一直重視增材制造技術，研制和應用水平走在了亞洲前列三：Development and trends of International AMClear development ideas大型運輸機艙體壁板結構航空發(fā)動機機匣Basic research Standard setting Industry applications Industrial Development三：Development and trends of International

14、AMClear development projectsResearch plan of electron beam rapid prototyping made by American NASA三：Development and trends of International AMuDirect manufacturing of performance parts. Performance is close to the traditional process; Applied in some complicated conditions.英國南安普頓大學設計并利用增材制造技術制造了世界上第

15、一架“3D打印”無人駕駛飛機，最高時速達100多公里世界上第一輛“3D打印”賽車“阿里翁”，已在德國的霍根海姆賽道完成測試，時速達141公里4.4 國際發(fā)展現狀三：Development and trends of International AMEurope have carried out extensive esearch l意大利意大利AVIO公司公司電子束選區(qū)熔化電子束選區(qū)熔化生產線擁有生產線擁有13臺設備；臺設備；l英國羅英國羅羅公司正在建立擁有羅公司正在建立擁有30臺設備的臺設備的電子電子束選區(qū)熔化束選區(qū)熔化生產線。生產線。大推力渦扇發(fā)動機鈦鋁合金大推力渦扇發(fā)動機鈦鋁合金 三四級

16、渦輪葉片三四級渦輪葉片p “Rapid manufacturing center of Rapid manufacturing center of large aerospace partslarge aerospace parts”， has been has been established in 2007established in 2007p Additive manufacturing of small Additive manufacturing of small and precise structure and precise structure keeps ahead kee

17、ps ahead of the world.of the world.空客、空客、羅羅 羅 、羅 、EADSEADS等公司等公司的飛機及發(fā)的飛機及發(fā)動機上已有動機上已有大量應用。大量應用。uSolving the manufacturing problems for difficult-machining materials 。例如，德國EOS公司開發(fā)的選區(qū)激光燒結（SLS）增材制造裝備可成形傳統(tǒng)工藝（注塑、擠塑）難加工的耐高溫塑料利用基于粉材的激光燒結工藝可成形復雜高精度零部件，力學性能較尼龍等塑料高出1倍（拉伸強度達95MPa，楊氏模量達4400MPa）特別是具有優(yōu)異的耐高溫性能，可連續(xù)服

18、役于180攝氏度的動態(tài)力學場合、240攝氏度的靜態(tài)力學場合以及260攝氏度電氣場合等三：Development and trends of International AMuRepairing and re-manufacturing high temperature parts。以激光、等離子束和電弧等能束增材制造再制造技術為代表，已應用于機械、能源、船舶等領域核心、高附加值零部件的快速修復美國AeroMet公司應用于F15等戰(zhàn)斗機機翼梁修復英國Rolls-Royce公司用于航空發(fā)動機葉片修復激光成形修復的發(fā)動機零件相比傳統(tǒng)電鍍、熱噴涂等技術，增材制造技術的使用，實現了高性能、高效率和低成本

19、修復和再制造三：Development and trends of International AMuRapid customizing personalized structure in biomedical area 。與生物醫(yī)療技術相結合，應用于牙齒、骨骼等“人體零部件”修復或植入手術中。在過去的10余年，增材制造在生物醫(yī)療領域的應用比重約為占全部應用的15%。增材制造的人體修復體增材制造的金屬牙齒已應用于人體，并有專用裝備增材制造金屬顱骨修復體，已獲臨床應用增材制造人體關節(jié)金屬修復體，已有專業(yè)的服務公司4.4 國際發(fā)展現狀三：Development and trends of Inte

20、rnational AMu“three-dimensional printing”of micro and nano structures in the field of electronics manufacturing.與電子制造技術相融合，可應用于有機發(fā)光二極管、薄膜太陽能電池、無芯片RFID標簽、柔性顯示器等微納尺度功能性器件的“三維打印”與壓膜制版、光刻蝕和鍍膜等工藝相比，增材制造用于電子領域不僅減少污染排放，還可提高貴重材料利用率！增材制造的微納電子器件電子電路多層柔性PCB無芯片RFID標簽有機薄膜光伏器件有機發(fā)光顯示OLED4.4 國際發(fā)展現狀三：Development and

21、 trends of International AMuProductization and serialization on production and sale of equipments. 歐美及日本在該領域處于世界領先水平，已形成了眾多專業(yè)化和規(guī)模化的裝備生產企業(yè)。近年來，開始出現知名企業(yè)強強聯合與兼并的態(tài)勢，進一步加大了地區(qū)不平衡和技術壟斷程度美國3D Systems公司l生產和銷售三種工藝類型、數十種型號的增材制造裝備l僅SLS工藝裝備就有9種型號l公司于2012年2月兼并了辦公型三維打印裝備知名企業(yè)美國ZCorp公司美國Stratasys公司l專營低成本熔融沉積（FDM）工藝裝

22、備l是全球累計銷售裝備數量最多的企業(yè)，占總應用量的約40%l2012年4月，公司兼并了桌面型三維打印裝備知名企業(yè)以色列Objet公司德國EOS公司l專門生產和銷售SLS、SLM裝備l共有六種型號l成形材料包括高分子、砂、金屬及其復合材料4.4 國際發(fā)展現狀三：Development and trends of International AMuEquipments are developing to specialization. 如德國EOS公司提供專門用于工業(yè)應用級金屬牙齒激光增材制造裝備鑄造成本低，但工藝繁瑣，周期長，難以個性化制造；機加工精度高，但材料浪費嚴重SLM工藝簡單、個性化制造

23、、材料利用率高、零件性能好4.4 國際發(fā)展現狀三：Development and trends of International AMp Equipments expand from research and industry high-end types to mass consumption type.歐美發(fā)達國家開始重視低成本（幾萬甚至幾千人民幣）增材制造裝備的研制與產業(yè)化，促使增材制造技術從實驗室和工廠走向辦公室甚至是家庭美國ZCorp公司（并入3D Systems公司）生產的辦公型三維打印裝備類似于打印機，可用于多類型塑料彩色零件的增材制造 美國MakerBot公司生產的簡易型裝備設

24、備，可低成本制造塑料零件 三：Development and trends of International AMuForm relatively integrated industry chain including equipments, materials, software, services.世界知名的增材制造裝備生產企業(yè)超過30余家，主要分布在美國、德國、英國及日本等少數發(fā)達國家已有專業(yè)增材制造材料生產企業(yè)，如瑞典Sandvik公司提供微細金屬粉末專業(yè)的增材制造軟件公司，如比利時Materialise公司提供增材制造工藝與控制軟件三：Development and trends o

25、f International AMuIndustry and markets have achieved certain scale, and annual output value is growing at double-digit rates.1989年-2011年，增材制造裝備銷售量平均年增長率高達31.6%，自2000年后以更快的速度遞增2011年，增材制造產品及服務產值較前一年增加了29.4%三：Development and trends of International AMuMix of multidiscipline such as numerical control,

26、new materials, new energy etc.uApplication areas include aerospace, automobile, mould, biomedical, electronic, construction, consumer products, education, official business etc.Application area distribution多軸聯動、高速掃描控制、高精密傳動等數控技術微細金屬粉末、光敏樹脂、水溶噴印樹脂等新材料及其制備技術高能束激光、電子束、等離子等新能源技術4.4 國際發(fā)展現狀三：Development a

27、nd trends of International AMuTechnology: 從快速原型、工藝輔助等間接制造發(fā)展為零部件直接制造，新材料、新器件、新產品不斷出現；uEquipment: 向產品化、系列化和專業(yè)化方向發(fā)展；從科研和工業(yè)等高端型向辦公和個人消費等大眾化型拓展；uIndustry: 形成了集裝備、材料、軟件、服務于一體的產業(yè)鏈，初具產業(yè)規(guī)模和市場銷售；uStandards: 已發(fā)布較成熟的、成系列的相關技術標準，并已開始了國際標準的制定；uApplication: 多學科交叉融合發(fā)展，應用領域不斷擴大。三：Development and trends of Internatio

28、nal AM四 . Our development situation電子束熔絲電子束熔絲沉積成形：沉積成形：北京北京625所所1990199520002003電子束選區(qū)電子束選區(qū)熔化成形：熔化成形：清華大學清華大學北京北京625625所所20072007西北有色院西北有色院20112011中科院金屬所中科院金屬所20112011快速原型：快速原型：清華大學清華大學西安交大西安交大華中科大華中科大中北大學中北大學北京北京625625所所北京隆源公司北京隆源公司2003金屬激光成形：金屬激光成形：西工大西工大北京有色院北京有色院北京北京625625所所華中科大華中科大華南理工華南理工北京殷華公司

29、北京殷華公司2011大型結構大型結構激光成形：激光成形：北航北航西工大西工大北京北京625625所所2006激光成形大激光成形大型航空鈦合型航空鈦合金結構裝機金結構裝機應用：應用：北京航空航北京航空航天大學天大學電子束熔絲電子束熔絲沉積成形沉積成形鈦合金結構鈦合金結構及激光選區(qū)及激光選區(qū)熔化成形精熔化成形精密結構裝機密結構裝機應用應用 北京北京625625所所Some related research institutes and bases are builtp Development of additive manufacturing equipments relying on unive

30、rsities and research institutes under financial support of national projects.代表性單位有：西安交通大學、華中科技大學、北京航空航天大學、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、西北工業(yè)大學、清華大學、華南理工大學、西北有色金屬研究院，等等。四. Our development situation625625所所EBRMEBRM設備設備625625所所SLMSLM設備設備p State-of-the-art is transiting from rapid prototyping to components direct ma

31、nufacturing. Areas on high performance placitics and metal components are developing rapidly. Some exceed international level. However, generally speaking, there is still big room for improvement.制作飛機風洞模型，輔助新型飛機結構的創(chuàng)新設計與快速開發(fā)用于汽車、家電和數碼等快速更新換代行業(yè)中新產品結構的快速驗證，如海爾等重要企業(yè)均建立的增材制造技術中心輔助汽車發(fā)動機缸體缸蓋等復雜鑄件蠟型和砂型的快速制造

32、，二汽、玉柴等相關企業(yè)均設立了專門的增材制造部門四. Our development situationuThere is big improvement room for additive manufacturing equipments. Industrial chain needs to be established involving materials, hardware, software and services.Equipment usage distribution of international additive manufacturingEquipment produc

33、tion distribution of international additive manufacturing截止2011年底，我國增材制造裝備使用量占全球份額的8.6%，裝備產量僅占世界總量的3.6%。說明我國使用的不到10%的裝備還 有超過一半依賴于進口！我國增材制造裝備的應用量和生產量均有較大提升空間4.5 我國發(fā)展情況四. Our development situation四. Our general situation4.5 我國總體情況pResearch condition: 形成了一批各具特色的研發(fā)機構，并研發(fā)成功了一批增材制造裝備；pTechnological level:

34、 總體上還處于從模型制作向零部件直接制造的過渡階段，部分指標達世界領先水平；pApplication and industry: 在典型關鍵領域進行了局部應用，但缺乏產業(yè)鏈，產業(yè)規(guī)模提升空間大！；pStandards: 已開始了相關標準的制定工作，但起步較晚，標準涉及內容較分散，未形成成套的系列化標準。4.6 我國面臨的主要差距pWeakness of theoretical research: 在基礎理論與成形機理研究方面，我國在一些局部點上開展研究，但國外研究更基礎、更系統(tǒng)和更深入pLack of key generic technology research: 國外基于成熟理論基礎上的工

35、藝控制，成形精度、制件性能以及工藝穩(wěn)定性高pWeakness of materials research: 增材制造用材料與傳統(tǒng)工藝所用材料有較大差別，我國與國外相比無論是種類還是質量上都有差距pLow equipment level: 大部分增材制造工藝裝備國內都有研制，但在成形精度和智能化程度以及材料適應范圍方面與國外先進水平相比存在差距pCore components rely on import: 激光器、精密光學器件等裝備核心元器件依靠進口五. Our gap, solution and suggestAdvantagesOpportunitiesThreatsDisadvantag

36、es行業(yè)需求背景與支持推動明確的產品需求和強勁的研發(fā)動力強大扎實領先的技術實力自主知識產權的軟件平臺前期研發(fā)的經驗與教訓現環(huán)境下的低盈利甚至負盈利市場份額到達市場的時間國內市場需求大而緊迫 國際主要競爭產品能力有限，產品能力低端航空產業(yè)需求旺盛現有商品無法滿足需求國際國內同行的快速研發(fā)競爭高端產品的性能 Analysis on advantages, disadvantages, opportunities and threatsAerospace飛機大型鈦合金框梁、接頭飛機大型鈦合金框梁、接頭飛機小型精密復雜結構飛機小型精密復雜結構航空發(fā)動機葉片、機匣航空發(fā)動機葉片、機匣整體式小型火箭發(fā)動機整體式小型火箭發(fā)