鞏水利增材制造技術(shù)發(fā)展

AdditiveManufacturingTechnologyandItsEffectonManufacturingofChina2021.05.29.，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研討所BAMTRI,AVIC.鞏水利Prof.Dr.GONGShuili內(nèi)容提要12DevelopmentofInternational534IntroductionTechnicalmethodsandmeansDomestictechnologydevelopmentsDisparityandsuggestions目錄AdditiveManufacturing(AMor3DPrinting)：——是人類經(jīng)過對物質(zhì)可控的動態(tài)累積以逼近目的形體的一種消費(fèi)過程；是與資料去除成形、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>雜志那么以為它將“與其他數(shù)字化消費(fèi)方式一同推進(jìn)實現(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動制造商品的方式并改動世界的經(jīng)濟(jì)格局進(jìn)而改動人類的生活方式一、Thethirdindustrialrevolution?!一、StrategicsignificanceofAMforChina可成為我國制造業(yè)自主創(chuàng)新的有效手段；符合綠色制造開展方向，有利于制造業(yè)的可繼續(xù)開展；可促進(jìn)傳統(tǒng)制造技術(shù)程度的提升，促進(jìn)制造與效力交融開展；有望培育新興產(chǎn)業(yè)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)構(gòu)造、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)晉級。AneffectivewayforindependentinnovationofmanufacturingindustryforChinaCompliancewiththegreenmanufacturingdevelopment,andconducivetothesustainabledevelopmentofmanufacturingindustry;Promotetheupgradingoftraditionalmanufacturingtechnology,andthefusiondevelopmentbetweenmanufacturingandservice;Expectedto

cultivatenewindustries,

optimizethe

industrialstructureandpromoteindustrialupgradingAerospace高性能金屬零件直接增材制造技術(shù)的開展，為航空航天產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計、模型和原型制造、零件消費(fèi)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)和消費(fèi)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米原來需求機(jī)加工或模具壓制多個部分構(gòu)造，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，增材制造實現(xiàn)自在成形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

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

andtest設(shè)計驗證和測試反復(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批量消費(fèi)失蠟鑄造吹塑制模塑料擠塑環(huán)氧制模一、Majoruse 消費(fèi)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)品制造分層實體制造（LOM）片材成形速率高、性能不高用于新產(chǎn)品外形驗證立體噴印（3DP）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)等的原型驗證IndustrychainofAMUSERpost-treatmentandservicesManufacturingEquipmentMaterialAdditivemanufacturinghasalongindustrychain,andimprovesthe

technologyandeconomy.母合金、中間合金、金屬冶煉、粉末、金屬絲材、資料檢測、資料儲運(yùn)激光器、電子槍、成形軟件、機(jī)電控制、傳感器、機(jī)床、配備集成、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、熱處置、外表處置、無損檢測、性能測試、生物陶瓷、凈化4.4國際開展現(xiàn)狀EuropeanandAmericancountrieshaveincreasedtheirsupport,andmadethenationalstrategiesandplansforadditivemanufacturingdevelopment;Ithasdrawmoreattentionofgovernment,researchinstitutions,enterprisesandthemedia.2021年3月，美國白宮宣布振興美國制造的新舉措，將投資10億美金協(xié)助美國制造體系的改革，鼓勵優(yōu)先開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討與企業(yè)聯(lián)盟英國政府自2021年開場繼續(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)建立了增材制造研討中心德國建立了直接制造研討中心，主要研討和推進(jìn)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中構(gòu)造輕量化方面的運(yùn)用西班牙也啟動了增材制造專項，研討增材制造共性技術(shù)、資料、技術(shù)交流及商業(yè)方式等內(nèi)容日本不斷注重增材制造技術(shù)，研制和運(yùn)用程度走在了亞洲前列三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMCleardevelopmentideas大型運(yùn)輸機(jī)艙體壁板構(gòu)造航空發(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國際開展現(xiàn)狀三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEurope

havecarriedoutextensiveesearch

意大利AVIO公司電子束選區(qū)熔化消費(fèi)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)熔化消費(fèi)線。大推力渦扇發(fā)動機(jī)鈦鋁合金三四級渦輪葉片“Rapidmanufacturingcenteroflargeaerospaceparts〞，hasbeenestablishedin2007Additivemanufacturingofsmallandprecisestructurekeepsaheadoftheworld.空客、羅·羅、EADS等公司的飛機(jī)及發(fā)動機(jī)上已有大量運(yùn)用。Solvingthemanufacturingproblemsfordifficult-machiningmaterials。例如，德國EOS公司開發(fā)的選區(qū)激光燒結(jié)〔SLS〕增材制造配備可成形傳統(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)良的耐高溫性能，可延續(xù)服役于180攝氏度的動態(tài)力學(xué)場所、240攝氏度的靜態(tài)力學(xué)場所以及260攝氏度電氣場所等三：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，已運(yùn)用于機(jī)械、能源、船舶等領(lǐng)域中心、高附加值零部件的快速修復(fù)美國AeroMet公司運(yùn)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)的運(yùn)用，實現(xiàn)了高性能、高效率和低本錢修復(fù)和再制造三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMRapidcustomizingpersonalizedstructureinbiomedicalarea。與生物醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)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)域的運(yùn)用比重約為占全部運(yùn)用的15%。增材制造的人體修復(fù)體增材制造的金屬牙齒已運(yùn)用于人體，并有公用配備增材制造金屬顱骨修復(fù)體，已獲臨床運(yùn)用增材制造人體關(guān)節(jié)金屬修復(fù)體，已有專業(yè)的效力公司4.4國際開展現(xiàn)狀三：DevelopmentandtrendsofInternationalAM“three-dimensionalprinting〞ofmicroandnanostructuresinthefieldofelectronicsmanufacturing.與電子制造技術(shù)相交融，可運(yùn)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，還可提高貴重資料利用率！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國際開展現(xiàn)狀三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMProductizationandserializationonproductionandsaleofequipments.歐美及日本在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先程度，已構(gòu)成了眾多專業(yè)化和規(guī)?；呐鋫湎M(fèi)企業(yè)。近年來，開場出現(xiàn)知名企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合與兼并的態(tài)勢，進(jìn)一步加大了地域不平衡和技術(shù)壟斷程度美國3DSystems公司消費(fèi)和銷售三種工藝類型、數(shù)十種型號的增材制造配備僅SLS工藝配備就有9種型號公司于2021年2月兼并了辦公型三維打印配備知名企業(yè)美國ZCorp公司美國Stratasys公司專營低本錢熔融堆積〔FDM〕工藝配備是全球累計銷售配備數(shù)量最多的企業(yè)，占總運(yùn)用量的約40%2021年4月，公司兼并了桌面型三維打印配備知名企業(yè)以色列Objet公司德國EOS公司專門消費(fèi)和銷售SLS、SLM配備共有六種型號成形資料包括高分子、砂、金屬及其復(fù)合資料4.4國際開展現(xiàn)狀三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsaredevelopingtospecialization.如德國EOS公司提供專門用于工業(yè)運(yùn)用級金屬牙齒激光增材制造配備鑄造本錢低，但工藝繁瑣，周期長，難以個性化制造；機(jī)加工精度高，但資料浪費(fèi)嚴(yán)重SLM工藝簡單、個性化制造、資料利用率高、零件性能好4.4國際開展現(xiàn)狀三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsexpandfromresearchandindustryhigh-endtypestomassconsumptiontype.歐美興隆國家開場注重低本錢〔幾萬甚至幾千人民幣〕增材制造配備的研制與產(chǎn)業(yè)化，促使增材制造技術(shù)從實驗室和工廠走向辦公室甚至是家庭美國ZCorp公司〔并入3DSystems公司〕消費(fèi)的辦公型三維打印配備類似于打印機(jī)，可用于多類型塑料彩色零件的增材制造美國MakerBot公司消費(fèi)的簡易型配備設(shè)備，可低本錢制造塑料零件三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMFormrelativelyintegratedindustrychainincludingequipments,materials,software,services.世界知名的增材制造配備消費(fèi)企業(yè)超越30余家，主要分布在美國、德國、英國及日本等少數(shù)興隆國家已有專業(yè)增材制造資料消費(fèi)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-2021年，增材制造配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2021年，增材制造產(chǎn)品及效力產(chǎn)值較前一年添加了29.4%三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMMixofmultidisciplinesuchasnumericalcontrol,newmaterials,newenergyetc.Applicationareasincludeaerospace,automobile,mould,biomedical,electronic,construction,consumerproducts,education,officialbusinessetc.Applicationareadistribution多軸聯(lián)動、高速掃描控制、高精細(xì)傳動等數(shù)控技術(shù)微細(xì)金屬粉末、光敏樹脂、水溶噴印樹脂等新資料及其制備技術(shù)高能束激光、電子束、等離子等新能源技術(shù)4.4國際開展現(xiàn)狀三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMTechnology:從快速原型、工藝輔助等間接制造開展為零部件直接制造，新資料、新器件、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)；Equipment:向產(chǎn)品化、系列化和專業(yè)化方向開展；從科研和工業(yè)等高端型向辦公和個人消費(fèi)等群眾化型拓展；Industry:構(gòu)成了集配備、資料、軟件、效力于一體的產(chǎn)業(yè)鏈，初具產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場銷售；Standards:已發(fā)布較成熟的、成系列的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，并已開場了國際規(guī)范的制定；Application:多學(xué)科交叉交融開展，運(yùn)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。三：DevelopmentandtrendsofInternationalAM四.Ourdevelopmentsituation電子束熔絲堆積成形：北京625所1990~1995~2000~2003~電子束選區(qū)熔化成形：清華大學(xué)北京625所2007西北有色院2021中科院金屬所2021……快速原型：清華大學(xué)西安交大華中科大中北大學(xué)北京625所北京隆源公司……2003~金屬激光成形：西工大北京有色院北京625所華中科大華南理工北京殷華公司……2021~大型構(gòu)造激光成形：北航西工大北京625所……2006~激光成形大型航空鈦合金構(gòu)造裝機(jī)運(yùn)用：北京航空航天大學(xué)……電子束熔絲堆積成形鈦合金構(gòu)造及激光選區(qū)熔化成形精細(xì)構(gòu)造裝機(jī)運(yùn)用北京625所SomerelatedresearchinstitutesandbasesarebuiltDevelopmentofadditivemanufacturingequipmentsrelyingonuniversitiesandresearchinstitutesunderfinancialsupportofnationalprojects.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討所、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北有色金屬研討院，等等。四.Ourdevelopmentsituation625所EBRM設(shè)備625所SLM設(shè)備State-of-the-artistransitingfromrapidprototypingtocomponentsdirectmanufacturing.Areasonhighperformanceplaciticsandmetalcomponentsaredevelopingrapidly.Someexceedinternationallevel.However,generallyspeaking,thereisstillbigroomforimprovement.制造飛機(jī)風(fēng)洞模型，輔助新型飛機(jī)構(gòu)造的創(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)品構(gòu)造的快速驗證，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，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.OurdevelopmentsituationThereisbigimprovementroomforadditivemanufacturingequipments.Industrialchainneedstobeestablishedinvolvingmaterials,hardware,softwareandservices.EquipmentusagedistributionofinternationaladditivemanufacturingEquipmentproductiondistributionofinternationaladditivemanufacturing截止2021年底，我國增材制造配備運(yùn)用量占全球份額的8.6%，配備產(chǎn)量僅占世界總量的3.6%。闡明我國運(yùn)用的不到10%的配備還有超越一半依賴于進(jìn)口！我國增材制造配備的運(yùn)用量和消費(fèi)量均有較大提升空間4.5我國開展情況四.Ourdevelopmentsituation四.Ourgeneralsituation4.5我國總體情況Researchcondition:構(gòu)成了一批各具特征的研發(fā)機(jī)構(gòu)，并研發(fā)勝利了一批增材制造配備；Technologicallevel:總體上還處于從模型制造向零部件直接制造的過渡階段，部分目的達(dá)世界領(lǐng)先程度；Applicationandindustry:在典型關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)展了部分運(yùn)用，但缺乏產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)規(guī)模提升空間大！；Standards:已開場了相關(guān)規(guī)范的制定任務(wù)，但起步較晚，規(guī)范涉及內(nèi)容較分散，未構(gòu)成成套的系列化規(guī)范。4.6我國面臨的主要差距Weaknessoftheoreticalresearch:在根底實際與成形機(jī)理研討方面，我國在一些部分點(diǎn)上開展研討，但國外研討更根底、更系統(tǒng)和更深化Lackofkeygenerictechnologyresearch:國外基于成熟實際根底上的工藝控制，成形精度、制件性能以及工藝穩(wěn)定性高Weaknessofmaterialsresearch:增材制造用資料與傳統(tǒng)工藝所用資料有較大差別，我國與國外相比無論是種類還是質(zhì)量上都有差距Lowequipmentlevel:大部分增材制造工藝配備國內(nèi)都有研制，但在成形精度和智能化程度以及資料順應(yīng)范圍方面與國外先進(jìn)程度相比存在差距Corecomponentsrelyonimport:激光器、精細(xì)光學(xué)器件等配備中心元器件依托進(jìn)口五.Ourgap,solutionandsuggestAdvantagesOpportunitiesThreatsDisadvantages行業(yè)需求背景與支持推進(jìn)明確的產(chǎn)品需求和強(qiáng)勁的研發(fā)動力強(qiáng)大扎實領(lǐng)先的技術(shù)實力自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件平臺前期研發(fā)的閱歷與教訓(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)品才干有限，產(chǎn)品才干低端航空產(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Analysisonadvantages,disadvantages,opportunitiesandthreatsAerospace飛機(jī)大型鈦合金框梁、接頭