增材制造技術(shù)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(tuán)公司北京航空制造工程研究所BAMTRI,AVIC.鞏水利Prof. Dr. GONG Shuili內(nèi) 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(zhì)可控的動態(tài)累積以逼近目標(biāo)形體的一種生產(chǎn)過程；是與材料去除成形、受迫成形等對應(yīng)的科學(xué)技術(shù)體系；是以“堆積”為共同特征的技術(shù)群。 一、IntroductionuReshaping the global manufacturing competition structurel上世紀(jì)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(jīng)濟(jì)學(xué)人雜志則認(rèn)為它將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一

3、起推動實(shí)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)格局l進(jìn)而改變?nèi)祟惖纳罘绞?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(jìn)傳統(tǒng)制造技術(shù)水平的提升，促進(jìn)制造與服務(wù)融合發(fā)展；u有望培育新興產(chǎn)業(yè)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，為航空航天產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計、模型和原型制造、零件生產(chǎn)和產(chǎn)品測試都帶了新的思想和技術(shù)途徑，有望大幅縮短航空航天產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)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(fù)雜發(fā)動機(jī)機(jī)匣鑄造熔模（直徑1.2米原來需要機(jī)加工或模具壓制多個局部結(jié)構(gòu)，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(fù)雜模具，增材制造實(shí)現(xiàn)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(yàn)證和呈現(xiàn)l 工業(yè)設(shè)計l 產(chǎn)品設(shè)計uDesign verification and testu設(shè)計驗(yàn)證和測試l 反復(fù)設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量好航空航

9、天、生物醫(yī)學(xué)等激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）高分子、金屬、陶瓷、砂等粉末材料成形材料廣泛、應(yīng)用范圍廣等制作復(fù)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(fù)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(diǎn)絲狀材料零件強(qiáng)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(lǐng)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(chǎn)品制造分層實(shí)體制造（LOM）片材成形速率高、性能不高用于新產(chǎn)品外形驗(yàn)證立體噴?。?DP）光敏樹脂

10、、粘接劑噴粘接劑時強(qiáng)度不高、噴頭易堵塞制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑業(yè)等的原型驗(yàn)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(yùn)、金屬絲材、材料檢測、材料儲運(yùn)激光器、電子槍、成形軟件、機(jī)電控制激光器、電子槍、成形軟件、機(jī)電控制、傳感器、機(jī)床、裝備集成、真空器件、傳感器、機(jī)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(chǎn)品研制、工藝開發(fā)等、委托產(chǎn)品研制、工藝開發(fā)等、委托加工加工機(jī)械加工、熱處理、表面處機(jī)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(xiàn)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(shù)字化制造技術(shù)；在全國范圍籌建多個研究與企業(yè)聯(lián)盟英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，目前已在多個大學(xué)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(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應(yīng)用西班牙也啟動了增材制造專項(xiàng)，研究增材制造共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等內(nèi)容日本一直重視增材制造技術(shù)，研制和應(yīng)用水平走在了亞洲前列三：Development and trends of International AMClear development ideas大型運(yùn)輸機(jī)艙體壁板結(jié)構(gòu)航空發(fā)動機(jī)機(jī)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(xué)設(shè)計并利用增材制造技術(shù)制造了世界上第

15、一架“3D打印”無人駕駛飛機(jī)，最高時速達(dá)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(dá)141公里4.4 國際發(fā)展現(xiàn)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(chǎn)線擁有生產(chǎn)線擁有13臺設(shè)備；臺設(shè)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(shè)備的臺設(shè)備的電子電子束選區(qū)熔化束選區(qū)熔化生產(chǎn)線。生產(chǎn)線。大推力渦扇發(fā)動機(jī)鈦鋁合金大推力渦扇發(fā)動機(jī)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(jī)及發(fā)的飛機(jī)及發(fā)動機(jī)上已有動機(jī)上已有大量應(yīng)用。大量應(yīng)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(jié)（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(jié)工藝可成形復(fù)雜高精度零部件，力學(xué)性能較尼龍等塑料高出1倍（拉伸強(qiáng)度達(dá)95MPa，楊氏模量達(dá)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(xué)場合、240攝氏度的靜態(tài)力學(xué)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(shù)為代表，已應(yīng)用于機(jī)械、能源、船舶等領(lǐng)域核心、高附加值零部件的快速修復(fù)美國AeroMet公司應(yīng)用于F15等戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼梁修復(fù)英國Rolls-Royce公司用于航空發(fā)動機(jī)葉片修復(fù)激光成形修復(fù)的發(fā)動機(jī)零件相比傳統(tǒng)電鍍、熱噴涂等技術(shù)，增材制造技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了高性能、高效率和低成本

19、修復(fù)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(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于牙齒、骨骼等“人體零部件”修復(fù)或植入手術(shù)中。在過去的10余年，增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用比重約為占全部應(yīng)用的15%。增材制造的人體修復(fù)體增材制造的金屬牙齒已應(yīng)用于人體，并有專用裝備增材制造金屬顱骨修復(fù)體，已獲臨床應(yīng)用增材制造人體關(guān)節(jié)金屬修復(fù)體，已有專業(yè)的服務(wù)公司4.4 國際發(fā)展現(xiàn)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(shù)相融合，可應(yīng)用于有機(jī)發(fā)光二極管、薄膜太陽能電池、無芯片RFID標(biāo)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(lǐng)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(biāo)簽有機(jī)薄膜光伏器件有機(jī)發(fā)光顯示OLED4.4 國際發(fā)展現(xiàn)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(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，已形成了眾多專業(yè)化和規(guī)?；难b備生產(chǎn)企業(yè)。近年來，開始出現(xiàn)知名企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合與兼并的態(tài)勢，進(jìn)一步加大了地區(qū)不平衡和技術(shù)壟斷程度美國3D Systems公司l生產(chǎn)和銷售三種工藝類型、數(shù)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(shù)量最多的企業(yè)，占總應(yīng)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(chǎn)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(fù)合材料4.4 國際發(fā)展現(xiàn)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(yīng)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(jī)加工精度高，但材料浪費(fèi)嚴(yán)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(xiàn)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(dá)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(chǎn)業(yè)化，促使增材制造技術(shù)從實(shí)驗(yàn)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(chǎn)的辦公型三維打印裝備類似于打印機(jī)，可用于多類型塑料彩色零件的增材制造 美國MakerBot公司生產(chǎn)的簡易型裝備設(shè)

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(chǎn)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(shù)發(fā)達(dá)國家已有專業(yè)增材制造材料生產(chǎn)企業(yè)，如瑞典Sandvik公司提供微細(xì)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(dá)31.6%，自2000年后以更快的速度遞增2011年，增材制造產(chǎn)品及服務(wù)產(chǎn)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(lián)動、高速掃描控制、高精密傳動等數(shù)控技術(shù)微細(xì)金屬粉末、光敏樹脂、水溶噴印樹脂等新材料及其制備技術(shù)高能束激光、電子束、等離子等新能源技術(shù)4.4 國際發(fā)展現(xiàn)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(chǎn)品不斷出現(xiàn)；uEquipment: 向產(chǎn)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(fèi)等大眾化型拓展；uIndustry: 形成了集裝備、材料、軟件、服務(wù)于一體的產(chǎn)業(yè)鏈，初具產(chǎn)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(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并已開始了國際標(biāo)準(zhǔn)的制定；uApplication: 多學(xué)科交叉融合發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)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(xué)清華大學(xué)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(xué)清華大學(xué)西安交大西安交大華中科大華中科大中北大學(xué)中北大學(xué)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(jié)構(gòu)大型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)裝機(jī)金結(jié)構(gòu)裝機(jī)應(yīng)用：應(yīng)用：北京航空航北京航空航天大學(xué)天大學(xué)電子束熔絲電子束熔絲沉積成形沉積成形鈦合金結(jié)構(gòu)鈦合金結(jié)構(gòu)及激光選區(qū)及激光選區(qū)熔化成形精熔化成形精密結(jié)構(gòu)裝機(jī)密結(jié)構(gòu)裝機(jī)應(yīng)用應(yīng)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(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北有色金屬研究院，等等。四. Our development situation625625所所EBRMEBRM設(shè)備設(shè)備625625所所SLMSLM設(shè)備設(shè)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(jī)風(fēng)洞模型，輔助新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計與快速開發(fā)用于汽車、家電和數(shù)碼等快速更新?lián)Q代行業(yè)中新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的快速驗(yàn)證，如海爾等重要企業(yè)均建立的增材制造技術(shù)中心輔助汽車發(fā)動機(jī)缸體缸蓋等復(fù)雜鑄件蠟型和砂型的快速制造

32、，二汽、玉柴等相關(guān)企業(yè)均設(shè)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(chǎn)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(jìn)口！我國增材制造裝備的應(yīng)用量和生產(chǎn)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(jī)構(gòu)，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(biāo)達(dá)世界領(lǐng)先水平；pApplication and industry: 在典型關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行了局部應(yīng)用，但缺乏產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)規(guī)模提升空間大??；pStandards: 已開始了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，但起步較晚，標(biāo)準(zhǔn)涉及內(nèi)容較分散，未形成成套的系列化標(biāo)準(zhǔn)。4.6 我國面臨的主要差距pWeakness of theoretical research: 在基礎(chǔ)理論與成形機(jī)理研究方面，我國在一些局部點(diǎn)上開展研究，但國外研究更基礎(chǔ)、更系統(tǒng)和更深入pLack of key generic technology research: 國外基于成熟理論基礎(chǔ)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(zhì)量上都有差距pLow equipment level: 大部分增材制造工藝裝備國內(nèi)都有研制，但在成形精度和智能化程度以及材料適應(yīng)范圍方面與國外先進(jìn)水平相比存在差距pCore components rely on import: 激光器、精密光學(xué)器件等裝備核心元器件依靠進(jìn)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(chǎn)品需求和強(qiáng)勁的研發(fā)動力強(qiáng)大扎實(shí)領(lǐng)先的技術(shù)實(shí)力自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件平臺前期研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)現(xiàn)環(huán)境下的低盈利甚至負(fù)盈利市場份額到達(dá)市場的時間國內(nèi)市場需求大而緊迫 國際主要競爭產(chǎn)品能力有限，產(chǎn)品能力低端航空產(chǎn)業(yè)需求旺盛現(xiàn)有商品無法滿足需求國際國內(nèi)同行的快速研發(fā)競爭高端產(chǎn)品的性能 Analysis on advantages, disadvantages, opportunities and threatsAerospace飛機(jī)大型鈦合金框梁、接頭飛機(jī)大型鈦合金框梁、接頭飛機(jī)小型精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)飛機(jī)小型精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)航空發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)匣航空發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)匣整體式小型火箭發(fā)動機(jī)整體式小型火箭發(fā)動機(jī)火