3D金屬打印應用的發(fā)展趨勢淺析

3D金屬打印應用的發(fā)展趨勢淺析

美國是3D打印技術發(fā)源地，幾乎早期的3D打印發(fā)明專利和原創(chuàng)技術均來自美國。美國對3D打印科學和技術的發(fā)展做出了極其巨大的貢獻。2012年，美國時任總統(tǒng)奧巴馬呼吁要建立一個新興制造技術研究院。當年，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）領導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)化需求與大學和國家實驗室的基礎研究之間的差距。美國勞倫斯-利弗摩爾國家實驗室——LLNL，這是碩果累累的世界級增材制造科研機構。LLNL除了研發(fā)金屬3D打印技術，還挖掘其他新金屬3D打印技術的商業(yè)價值，例如，對NIF發(fā)明的大面積光刻技術進行應用研究。使用多路復用器，激光二極管和Q開關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）上實現的。

歐盟委員會于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，預計耗資約800億歐元。歐洲的一大特點是科研院所與企業(yè)的交互十分緊密，例如德國費勞恩霍夫應用研究促進協會（Fraunhofer）、DMRC研究中心以及英國的謝菲爾大學。英國地平線增材制造計劃專注于飛機金屬輕質部件生產所需的增材制造技術。英國地平線增材制造計劃的目標是通過建立3D打印飛行零部件的可行方法，利用3D打印技術所實現的高度幾何復雜性和多種材料的能力，為下一代飛機制造先進的零部件，從而使英國處在航空航天設計和制造的前沿。2014年成立了由吉凱恩航空領導，雷尼紹、Autodesk、謝菲爾德大學、華威大學、達爾康（Del-cam）等參加的3D打印聯盟。

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

Fraunhofer與企業(yè)合作的一個典型的案例是協助西門子將3D打印導向葉片推進到產業(yè)化領域。經Fraunhofer改進后的工藝鏈完成了帶復雜冷卻結構的葉片制造任務，并且提高了表面質量。西門子公司在導向葉片完成3D打印之后進行了精密測量、精加工以及高溫焊接工作。

2017年，亞琛應用技術大學還與Fraunhofer ILT聯合建立亞琛3D打印中心，這項由亞琛應用科技大學和Fraunhofer合作的項目有著宏偉的目標。該項目旨在加速和優(yōu)化大型金屬部件的整個制造過程。受到航空、航天和航空、航天發(fā)動機對3D金屬打印需求的推動，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上使用，主要用于冷卻系統(tǒng)、導管、內飾和娛樂系統(tǒng)。波音公司共有包括777、787民用飛機等10個不同的飛機項目，大約有300種類型的零部件采用增材制造生產?？湛凸镜?/span>A350飛機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年底交付的新機型A350 XWB寬體飛機上，極大節(jié)約了生產周期和成本。2013年底，GE公司宣布，將采用金屬選區(qū)熔化技術為其下一代GE leap發(fā)動機生產噴油嘴，每年的產量將達到40000個，生產周期可縮短2/3，生產成本降低50%，同時可靠性大大提高。目前，增材制造技術在國外發(fā)展相對超前，波音、空客等國際一流航空飛機制造商均有對外公開報道增材制造鈦合金、鎳基合金零件在航空飛機上的應用，而國內的增材制造技術在航空航天領域的發(fā)展相對落后。

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

一個值得重視的趨勢，美國和德國研究所和公司，正在持續(xù)不斷地加大3D打印技術在所謂“內結構”（即本報告作者對具有復雜內部結構的構件的總稱）成形制造的應用研發(fā)力度。“內結構”是以航空發(fā)動機、燃氣輪機、各種具有大量熱交換（如燃料電池）和醫(yī)療器件為代表的結構件之拓撲特征。傳統(tǒng)的數控加工（NC加工）的優(yōu)勢是在于對零件的外部結構精密高效加工；而內結構——具有內部復雜結構的結構件：如具有內部直及彎曲管道的結構件，具有內部：變截面的桿件、窄縫和薄壁結構，柵格狀結構的結構件、仿生結構、多層網狀結構、形成紊流的內部點陣結構，則是無能為力的。而正是這些NC加工無能為力的結構，組成了航空發(fā)動機、燃氣輪機、燃料電池和醫(yī)療器件的許多核心和關鍵零部件。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，因而成為內結構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，經過了30多年的曲折發(fā)展，學術和工程界才逐漸認識到上述《內結構領域》才是3D金屬打印主要應用領域。人們在認知上的進步，是3D打印發(fā)展的又一次飛躍，《內結構》應用，具有劃時代的意義。美國GE（通用電氣）公司、德國SIEMENS（西門子）公司和美國GKN（吉凱恩）是首先實現這一飛躍的巨無霸。

與工業(yè)化國家相比，我國3D金屬打印技術的研究和應用尚存在一定的差距。增材制造技術相對傳統(tǒng)制造技術還面臨許多新挑戰(zhàn)和新問題。中國增材制造技術目前主要應用于產品研發(fā)過程，較少進入生產過程，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。目前多數增材制造技術還較多停留在高校及科研機構的實驗室內，我國著名實驗室與3D打印公司結合不緊密。實驗室逐利搞生產開公司，公司無力深度開發(fā)，同行之間主要是競爭關系，無法協同合作，而這些方面，西方比我們做得好。數據統(tǒng)計表明，2016 年，中國智能制造產業(yè)產值規(guī)模達12000億元，增材制造產業(yè)規(guī)模為80億元，雖然增材制造產業(yè)規(guī)模逐年實現較快增長，但增材制造僅占智能制造產業(yè)的6‰，與傳統(tǒng)制造業(yè)相比相差甚遠。目前增材制造企業(yè)規(guī)模普遍較小，產業(yè)應用只是傳統(tǒng)大批量制造技術的一個補充。

2017年5月，中國首架具有完全自主知識產權的大型客機C919在上海首飛成功，其中C919上裝載了23個3D打印零部件，主要用于C919前機身和中后機身的登機門、服務門以及前后貨倉門。從增材制造替代傳統(tǒng)鑄造、到拓撲優(yōu)化工藝，C919艙門件的打印成功并裝機試飛成功，標志著增材制造技術將真正的進入到國內航空航天制造領域。

根據《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》中的研制大型飛機重大科技專項，發(fā)展大型商用飛機和飛機發(fā)動機成為產業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點。

幾種合金的3D打印技術值得重視：

鈦合金，由于其卓越的力學和耐腐蝕性能，抗疲勞性能良好，及熱導率和線膨脹系數小等優(yōu)點，可以在350℃~450℃以下長期使用，在航空航天關鍵部件，如航空發(fā)動機壓氣機葉片、機匣、發(fā)動機艙和隔熱板等的應用已成為國際航空航天領域共識。在C919國產大飛機上就裝載了23件3D打印鈦合金艙門件，2件風扇進氣口構件，這是國內民航界次實現3D打印件的裝機應用。

鋁合金，具有比模量、比強度高、耐腐蝕性能好、加工性能好、成本低廉等突出優(yōu)點，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，被認為是十分理想的航空金屬材料，在飛機蒙皮、航空發(fā)動機艙、艙體結構、承載壁板、儀器安裝框架、燃料儲箱等應用廣泛。

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

高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%~60%，主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片、渦輪盤、機匣、尾噴嘴等。

針對航空發(fā)動機追求卓越的性能而面臨大量內結構和形狀復雜的零部件制造，增材制造技術優(yōu)勢和不可替代性，就不言而喻了。增材制造技術在我國的快速發(fā)展及產業(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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