鞏水利-增材制造技術(shù)發(fā)展

AdditiveManufacturing

TechnologyandItsEffectonManufacturingofChina2014.05.29.，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.GONGShuili內(nèi)容提要12DevelopmentofInternational534IntroductionTechnicalmethodsandmeansDomestictechnologydevelopmentsDisparityandsuggestions目錄AdditiveManufacturing(AMor3D

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、IntroductionReshapingtheglobalmanufacturingcompetitionstructure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)”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)模式一起推動實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”Changethe

production

andlife

modeinthefuture社會化制造那么每個人都可以成為一個工廠它將改變制造商品的方式并改變世界的經(jīng)濟(jì)格局進(jìn)而改變?nèi)祟惖纳罘绞?/p>

一、Thethirdindustrialrevolution?!一、StrategicsignificanceofAMforChina可成為我國制造業(yè)自主創(chuàng)新的有效手段；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；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；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。AneffectivewayforindependentinnovationofmanufacturingindustryforChinaCompliancewiththegreenmanufacturingdevelopment,andconducivetothesustainabledevelopmentofmanufacturingindustry;Promotetheupgradingoftraditionalmanufacturingtechnology,andthefusiondevelopmentbetweenmanufacturingandservice;Expectedto

cultivatenewindustries,

optimizethe

industrialstructureandpromoteindustrialupgradingAerospace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thedevelopmentofdirectmanufacturingtechnologyofperformanceparts,newideasandtechnicalapproacharebroughtintoproductdesign,modelandprototypemanufacturing,partsmanufacturingandproducttesting,whichisexpectedtosignificantlyshortentheresearchanddevelopmentcycleofaerospaceproduction.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，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、DevelopmenthistoryofAMtechnology快速原型/快速成形快速工具/模具/鑄型快速成形直接制造Verification

andpresentationofconcept

概念驗(yàn)證和呈現(xiàn)工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計Design

verification

andtest設(shè)計驗(yàn)證和測試反復(fù)設(shè)計和優(yōu)化成型、裝配和功能性測試Production

andmanufacturingMoldingandsecondaryoperations制模與二次操作

熱成型

砂型鑄造

金屬鍍層EDM電極Smallbatchproduction,

massproduction

批量生產(chǎn)失蠟鑄造吹塑制模

塑料擠塑環(huán)氧制模

一、Majoruse 生產(chǎn)與制造直接制造零件二、Technicalmethodsandmeans：MajorprocessTechnologyMaterialCharacteristicsApplications光固化成形（SLA）液態(tài)樹脂精度高；表面質(zhì)量好航空航天、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、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IndustrychainofAMUSERpost-treatmentandservicesManufacturingEquipmentMaterial

Additivemanufacturinghasalongindustrychain,andimprovesthe

technologyandeconomy.母合金、中間合金、金屬冶煉、粉末、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、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)產(chǎn)品研制、工藝開發(fā)等、委托加工機(jī)械加工、熱處理、表面處理、無損檢測、性能測試、生物陶瓷、凈化4.4國際發(fā)展現(xiàn)狀EuropeanandAmericancountrieshaveincreasedtheirsupport,andmadethenationalstrategiesandplansforadditivemanufacturingdevelopment;Ithasdrawmoreattentionofgovernment,researchinstitutions,enterprisesandthemedia.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，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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMCleardevelopmentideas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Basicresearch→Standardsetting→Industryapplications→IndustrialDevelopment三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMCleardevelopmentprojectsResearchplanofelectronbeamrapidprototypingmadebyAmericanNASA三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMDirectmanufacturingofperformanceparts.

Performanceisclosetothetraditionalprocess;Appliedinsomecomplicatedconditions.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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEurope

havecarriedoutextensiveesearch

意大利AVIO公司電子束選區(qū)熔化生產(chǎn)線擁有13臺設(shè)備；英國羅·羅公司正在建立擁有30臺設(shè)備的電子束選區(qū)熔化生產(chǎn)線。大推力渦扇發(fā)動機(jī)鈦鋁合金三四級渦輪葉片

“Rapidmanufacturingcenteroflargeaerospaceparts”，

hasbeenestablishedin2007

Additivemanufacturingofsmallandprecisestructurekeepsaheadoftheworld.空客、羅·羅、EADS等公司的飛機(jī)及發(fā)動機(jī)上已有大量應(yīng)用。Solvingthemanufacturingproblemsfordifficult-machiningmaterials。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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMRepairingandre-manufacturinghightemperatureparts。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、高效率和低成本修復(fù)和再制造三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMRapidcustomizingpersonalizedstructureinbiomedicalarea。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：DevelopmentandtrendsofInternationalAM“three-dimensionalprinting”ofmicroandnanostructuresinthefieldofelectronicsmanufacturing.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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMProductizationandserializationonproductionandsaleofequipments.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3DSystems公司生產(chǎn)和銷售三種工藝類型、數(shù)十種型號的增材制造裝備僅SLS工藝裝備就有9種型號公司于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公司專營低成本熔融沉積（FDM）工藝裝備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%2012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公司專門生產(chǎn)和銷售SLS、SLM裝備共有六種型號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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsaredevelopingtospecialization.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、材料利用率高、零件性能好4.4國際發(fā)展現(xiàn)狀三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsexpandfromresearchandindustryhigh-endtypestomassconsumptiontype.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3DSystems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)備，可低成本制造塑料零件

三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMFormrelativelyintegratedindustrychainincludingequipments,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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMIndustryandmarketshaveachievedcertainscale,andannualoutputvalueisgrowingatdouble-digitrates.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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMMixofmultidisciplinesuchasnumericalcontrol,newmaterials,newenergyetc.Applicationareasincludeaerospace,automobile,mould,biomedical,electronic,construction,consumerproducts,education,officialbusinessetc.Ap