專訪中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院副總工程師張學(xué)軍研究員

中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院（621所）副總工程師張學(xué)軍研究員

眾所周知，3D打印是當(dāng)前熱點(diǎn)技術(shù)之一。自國(guó)家高度重視并加快推進(jìn)其隊(duì)伍發(fā)展后，3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)增。據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，2017年我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到173億元，并且未來(lái)五年（2017-2021）年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為41.36%，到2021年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到691億元。但事實(shí)上，許多3D打印行業(yè)的專業(yè)人士認(rèn)為，我國(guó)3D打印仍然處于產(chǎn)業(yè)化初級(jí)階段。行業(yè)缺乏標(biāo)準(zhǔn)體系化建設(shè)。新材料的研發(fā)、資本的青睞程度等仍是制約行業(yè)的發(fā)展的主要因素。而這些問(wèn)題都急需各相關(guān)職能部門(mén)的通力合作，才能突出重圍，從而推進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。一直以來(lái)，航空航天都是3D打印技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)航者。它在3D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展從側(cè)面反映著一個(gè)國(guó)家3D打印技術(shù)的水平。為深入了解我國(guó)航空航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，近日，【材料+】記者和《中國(guó)有色金屬報(bào)》到中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院（621所），有幸采訪到副總工程師張學(xué)軍研究員，為我們揭開(kāi)中國(guó)航發(fā)3D打印中心神秘的面紗。

3D打印中心建立
北京航材院621所“3D打印研究與工程技術(shù)中心”（以下簡(jiǎn)稱“3D打印中心”）成立于2013年，隸屬先進(jìn)航空材料增材技術(shù)研究的專業(yè)機(jī)構(gòu)。目前，3D打印中心由高溫合金、鈦合金、鋁合金、功能材料、生物醫(yī)學(xué)制品、焊接、熱處理、表面、物理冶金、無(wú)損檢測(cè)、失效分析、力學(xué)性能測(cè)試等專業(yè)組成，具有顯著的專業(yè)集成優(yōu)勢(shì)。張學(xué)軍研究員表示，3D打印中心的建立有力地推動(dòng)了增材制造技術(shù)在航空、航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今已有25年，但產(chǎn)業(yè)鏈遠(yuǎn)沒(méi)有完成，產(chǎn)業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)。3D打印材料目前尚屬初步入門(mén)階段，很多金屬打印材料都是傳統(tǒng)鑄造、焊接用的材料，而專屬于3D打印的材料還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化。除此之外，現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)使用的熔融鑄造法制造葉片，可以忍受“三高”（即高溫度、高應(yīng)力、高轉(zhuǎn)速）。但是熔融鑄造也遇到了一些發(fā)展問(wèn)題。如果使用3D打印技術(shù)制備葉片，在工作時(shí)不是熔了就是斷裂。因此，我們需要建立增材制造材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)，制定增材的制造產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法，以及目前3D打印工藝制品表面粗糙度及打印精度等制約3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。在這樣的背景下，3D打印中心應(yīng)運(yùn)而生�！�


全力推進(jìn)“標(biāo)準(zhǔn)”的落地
總的來(lái)說(shuō)，3D打印中心的主要是作為數(shù)據(jù)庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法的主導(dǎo)者。近年來(lái)，增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，引發(fā)全球技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，其中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)支撐和引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為國(guó)際共識(shí)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）成立了ISO/TC261增材制造技術(shù)委員會(huì)，下設(shè)術(shù)語(yǔ)、方法、工藝、測(cè)試方法以及數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)4個(gè)工作組，開(kāi)展增材制造技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定工作。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）成立了ASTM F42增材制造技術(shù)委員會(huì)，開(kāi)始研制增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。歐盟近期發(fā)布了《3D打印標(biāo)準(zhǔn)化路線圖》，規(guī)范增材制造（3D打�。�標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展戰(zhàn)略方向。

與世界其他國(guó)家相比，目前我們國(guó)內(nèi)尚未建立起統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)3D打印設(shè)備生產(chǎn)商各自按照不同的思路和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn),因此無(wú)法在全國(guó)范圍內(nèi)建立起統(tǒng)一的售后和維修服務(wù)體系。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的缺失也限制了3D打印行業(yè)的"出海"。雖然我國(guó)多項(xiàng)3D打印技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn),但目前仍主要出口到發(fā)展中國(guó)家。發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)不認(rèn)可我們的設(shè)備和技術(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家有健全的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)中小企業(yè)各自執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)得不到信任,希望國(guó)家盡快制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系,帶領(lǐng)企業(yè)“走出去”。

在這種趨勢(shì)下，2016年4月，全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在北京成立，主任委員由中國(guó)工程院院士盧秉恒擔(dān)任，共有委員61名。同時(shí)在3D打印技術(shù)術(shù)語(yǔ)和定義、文件格式、工藝和材料分類、測(cè)試方法等方面啟動(dòng)了6項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。張學(xué)軍委員告訴記者“標(biāo)準(zhǔn)的建立之所以推進(jìn)的很慢，是因?yàn)橹�前的發(fā)展研究不集中，缺乏數(shù)據(jù)。為此，中國(guó)航發(fā)聯(lián)合旗下各專業(yè)研究所。檢測(cè)中心和其他相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)，由中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院依托單位，共同成立中國(guó)“中國(guó)航發(fā)3D打印中心”。這個(gè)中心實(shí)現(xiàn)從材料到工藝的全過(guò)程的研究發(fā)展，集中全力出數(shù)據(jù)，大力實(shí)質(zhì)的推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的建立和出臺(tái)�！�

鑒于現(xiàn)在3D打印的民企“遍地開(kāi)花”，可以選擇和這些企業(yè)合作的問(wèn)題，張學(xué)軍研究員講到：“標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)和普適的準(zhǔn)則。我們要確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性。很多企業(yè)已經(jīng)做得很好，但是企業(yè)和我們的目的不同，企業(yè)準(zhǔn)求的是市場(chǎng)和效益。我們要確保我們提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠和可重復(fù)性。因此，我們要自己去做，去掌握這里面的所有環(huán)節(jié)�！�

推進(jìn)3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)的互補(bǔ)發(fā)展
鑒于現(xiàn)在很多人提出3D打印未來(lái)可能取代傳統(tǒng)制造技術(shù)。記者也就這一問(wèn)題，咨詢了張學(xué)軍研究員的看法，張學(xué)軍研究員說(shuō)：“20年前，當(dāng)有人提出使用數(shù)碼相機(jī)的時(shí)候，大家都不屑一顧。現(xiàn)在，數(shù)碼相機(jī)幾乎人人一臺(tái)，大家也普遍接受了數(shù)碼相機(jī)。但是對(duì)于一些專業(yè)的人來(lái)說(shuō)，他們還是需要使用膠片機(jī)的。也就是說(shuō)，高質(zhì)量的照片還是來(lái)自膠片機(jī)。數(shù)碼相機(jī)跟膠片相機(jī)共存，只是功用不一樣而已。3D打印和傳統(tǒng)鑄造也是這樣的關(guān)系�！�3D打印目前在航空領(lǐng)域可以用來(lái)打印具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件，比如有很多內(nèi)部流道的部件、一些優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的“異形件”等等。其他的構(gòu)件制備，與鑄造件相比，主要存在以下三個(gè)方面的差距：首先，3D打印的成本比較高。對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單，可以直接鑄造的零件，3D打印的部件除了生產(chǎn)周期短，在原料，設(shè)備和打印及后處理等，其成本遠(yuǎn)高于鑄造件。這主要受制于現(xiàn)階段原料和設(shè)備的進(jìn)口，以及工藝的不成熟等。其次，由于3D打印過(guò)程金屬粉末通過(guò)熔融再構(gòu)造。這個(gè)過(guò)程內(nèi)部的組織生長(zhǎng)機(jī)理還不清楚，很難控制構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量。加之，3D打印出來(lái)的構(gòu)件表面一般都比較粗糙，后序又無(wú)法再加工。這些因素都將制約著3D打印的發(fā)展。因此，未來(lái)3D打印和鑄造技術(shù)在制造業(yè)的存在也是相互彌補(bǔ)的。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)部件、減重設(shè)計(jì)、零件的再制造及一體化設(shè)計(jì)等方面，3D打印能夠發(fā)揮其自身的重要作用。

另外，3D打印充分體現(xiàn)了個(gè)性化。目前3D打印在航天航空、生物醫(yī)療和教育產(chǎn)業(yè)三大領(lǐng)域的應(yīng)用效益最為明顯，但大都遭遇技術(shù)難點(diǎn)。在航天航空領(lǐng)域中，可以利用3D打印直接制造金屬構(gòu)件，但其疲勞強(qiáng)度不如鍛件；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，可以利用3D打印做個(gè)性化人體替代物，但是否合格還缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；在教育領(lǐng)域，設(shè)備的安全性和材質(zhì)的回收利用等方面都存在技術(shù)難點(diǎn)，這些都制約著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，張學(xué)軍研究員指出：“現(xiàn)在和未來(lái)一段時(shí)間，3D打印中心除了大量出數(shù)據(jù)，出標(biāo)準(zhǔn)外，3D打印中心其實(shí)也在做3D打印全產(chǎn)業(yè)鏈的事情。在粉體階段，利用基因組思想進(jìn)行合金成分的優(yōu)化，研究材料的制備；分析進(jìn)口設(shè)備的成型工藝，設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)設(shè)備，研究國(guó)產(chǎn)工藝；采用自備粉體進(jìn)行打印成件；對(duì)成件品通過(guò)檢測(cè)中心數(shù)據(jù)，進(jìn)行評(píng)價(jià)；研究后處理工藝，這包括構(gòu)件的熱處理、組織調(diào)整、應(yīng)力調(diào)整、熱等靜壓、表面加工等；最后進(jìn)行零件的裝機(jī)試驗(yàn)�！�

3D打印是一項(xiàng)前景廣闊的技術(shù)。希望中國(guó)航發(fā)3D打印中心能早日打通這一高科技產(chǎn)業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的“最后一公里”，也希望在中國(guó)航發(fā)的帶領(lǐng)下，我國(guó)3D打印全產(chǎn)業(yè)鏈不斷快速、健康發(fā)展。

來(lái)源： 材料十