【產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟】王華明：3D打印“從快速成形到直接產(chǎn)品制造”

2012年12月9-10日，由亞洲制造業(yè)協(xié)會主辦的第六屆亞洲制造業(yè)論壇年會在北京索菲特大酒店隆重舉行。本次年會主要以“全球經(jīng)濟復(fù)蘇與制造業(yè)轉(zhuǎn)型”為主題，進行專題式報道，涵蓋了航空工業(yè)、海洋裝備、綠色制造與再制造、能源裝備、智能制造與高端制造、新材料與智能材料、3D打印技術(shù)等多個產(chǎn)業(yè)。同時主辦方亞洲制造業(yè)協(xié)會特邀美國參眾兩院資深議員與投資人事，與嘉賓共同探討如何投資美國等話題。

　　北京航空航天大學教授、中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長 王華明：
　　首先，為什么3D打印這么熱？3D打印出現(xiàn)很多年了，應(yīng)該說快30年了，最近熱起來是因為奧巴馬3月9號宣布了重振美國制造業(yè)計劃，在美國成立一個制造創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)主要由15個制造創(chuàng)新的研究院組成，每一個研究院主要是致力于具有廣闊應(yīng)用價值的前沿新技術(shù)的研發(fā)、示范、人才培訓等推向制造業(yè)并產(chǎn)品應(yīng)用，提供就業(yè)機會，提升美國在制造業(yè)的全球競爭力和領(lǐng)導(dǎo)地位。這是目標。當天就責成美國國防部等五個聯(lián)邦部門去選擇一種技術(shù)，先成立一個連辦研究所，大概是在4月17號就選擇了第一個技術(shù)，3D打印，今年8月16號成立了國家增材制造創(chuàng)新研究院，這是創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的第一個研究院，這個研究院政府投資3000萬美元，企業(yè)投資4500萬美元，主要由聯(lián)邦政府負責管理和組建，是一個產(chǎn)學研結(jié)合的機構(gòu)。我想為什么大概從5月份開始，增材制造就開始熱起來的原因。
　　第二個，說一下到底什么是增材，增材制造或者是3D打印。這是傳統(tǒng)的細胞膜，大家做零件的話，先有一個毛坯，然后制造零件，當然這個利潤率比較低，這是一個傳統(tǒng)的方法，但是不是說我們要取代它。增材制造就是往上面添加材料，更形象的就是高等數(shù)學里面的定積分。增材制造從分類上來說，是兩大類，一類就是原型制造，快速成型，成型出來一個模樣，再把它翻成一個金屬零件，這個零件從80年代中期開始，現(xiàn)在擴展到更多領(lǐng)域。另外一個是做高性能的金屬零件直接制造，這個從90年代初開始，難度比較大。原型子早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件，這個件可以用，也可以再翻成別的零件。主要用途還是在新產(chǎn)品的快速設(shè)計，在這個階段對設(shè)計的優(yōu)化、商業(yè)宣傳、產(chǎn)品的評估等做快速準備，效果是反映在新產(chǎn)品的研發(fā)成本和生產(chǎn)準備的成本，以及新產(chǎn)品研發(fā)周期。
　　這種快速原型制造的方法，應(yīng)該說這是大家都知道的3D打印，這應(yīng)該是1986年MIT發(fā)明的方法，叫3D打印�；�本工藝包括光敏樹脂化等等很多方法，3D打印就是這么回事，用噴墨打印機把膠水打出來，一烤干，建一個厚度，鋪一層粉末，如何打印就可以反復(fù)打一個東西出來，這是鋪紙工藝，這里就不講了，剛才顏教授介紹了這個造型，清華大學做得非常好。然后，這個就是選擇性激光燒結(jié)，3D打印完全被它取代，它的精度是比較高的。
　　第二類，就是高性能金屬構(gòu)建的直接制造，這個事情發(fā)展相對比較萬，上世紀90年代。用的手段是一樣的，主要用高功率的激光束或者是高功率的電子束對粉末絲材進行熔化，往上堆積，應(yīng)該說這是它的一個主要方法。到現(xiàn)在為止，可能大家見到的都是做小的居多，做大的難度還會非常大，后面我還會講講個人觀點，這可能是增材制造發(fā)展的方向，也是一個難點。 這是國外做的一些情況，關(guān)于在金屬零件這塊做得很多，要做到這個程度難度非常大，這個也可以看出來，表面并不是能達到真正的精度。像這個雖然說表面很光，但是離傳統(tǒng)的加工還有很大的差別。這是密歇根大學做的梯度材料，這是熱縮冷展的結(jié)構(gòu)，這是所謂空心的結(jié)構(gòu)。
下面我就講一下我認為真正的方向，就是高性能難加工的金屬大型復(fù)雜構(gòu)建激光直接制造，我覺得這可能也是一個方向。這個方向剛才講了，就是用高功率的激光或者是高功率的電子束對材料進行熔化，展現(xiàn)出一個毛坯。當然，它有很多優(yōu)勢，從典型的數(shù)字化技術(shù)得到一個成型的零件，而這些零件用傳統(tǒng)的方法做很困難，例如這么一個零件，用傳統(tǒng)方法做，從鑄錠到制坯到模具非常困難。用增材制造方法做有很多好處，組織很細，力學性能很好，可以實現(xiàn)多材料去做。制造技術(shù)上有很多優(yōu)勢，不再需要模具、不再需要工裝等等，有很多優(yōu)點。從這個意義上來說，我覺得確實是一種數(shù)字化的帶有變革性的，短流程、低成本的數(shù)字化制造技術(shù)。這種技術(shù)是一個發(fā)展方向，我覺得它也是增材制造的發(fā)展方向。到現(xiàn)在為止像鈦合金這種技術(shù)還沒有取得突破，難在哪個？熱應(yīng)力太大，凝固會收縮，體積收縮就帶來非常大的應(yīng)力。最終結(jié)果就是熱應(yīng)力太大，要做大零件就非常困難。
　　第二個難題是冶金過程復(fù)雜，焊接過程是很難控制的過程，所以帶來的結(jié)果是力學性能不行，性能不行的結(jié)果就是關(guān)鍵構(gòu)建沒辦法用。這是美國人做的結(jié)果，激光成型在鍛壓，疲勞性會差一些，2002年大概做過試驗，現(xiàn)在就不再做了。我認為一個是變形、一個性能、一個是裝備，還有一個是標準，這是非常重要的。這是美國的增材學會主辦的增材制造的研討會，我們看它的主題激光修復(fù)，只能做小的，國際上的方向是做表面工程。
　　下面，我就簡單說一下我們大概是這樣，干了快20年，走出了實質(zhì)性的一步，包括從工藝到裝備到標準走出了第一步，現(xiàn)在在飛機上有所應(yīng)用。我們做出來了這樣的裝備我覺得是非常大的，可能有7、8米，尺寸做到4×3×2米的尺寸，我們具備這種能力，然后就是標準，我覺得這是非常重要的，經(jīng)過20年，大概積累下一個初步的標準。應(yīng)用我們大概也很慶幸，就是C919的機頭的主風擋窗框就是這樣一個情況，四個框，一個框50萬，200萬元的模具，我們采用了這個技術(shù)，大概不到55天，做出來四個框，成本就不用說了，太低了。2010年還出了這么一段，這是機翼和機身連接的部位，這邊是一個翅膀，這是機身，大家看一下這個是非常大的，這是前面的零件、后面的零件，四個零件是采用激光去做，激光做有很多的優(yōu)勢。這邊是采用鍛件、這邊是采用增材制造，確實它的優(yōu)勢太明顯了，鍛件可能是1600公斤，激光是1300公斤，我們已具備這種能力做出這么大的鈦合金構(gòu)建，恐怕這是其他方面做不出來的。
　　下面就簡單說一下增材制造的個人觀點，就是它前景的一個評價，我認為這種技術(shù)確實帶有一種變革性的，短流程、低成本、數(shù)字化，高性能的制備構(gòu)建制造一體化的技術(shù)。對構(gòu)建的制造是重要的，尤其是這種技術(shù)一部分高性能難加工構(gòu)建技術(shù)的革命。 我覺得它的潛力應(yīng)該是很大的，我用的詞不合適，我覺得它是一匹千里馬，增材制造和傳統(tǒng)制造的關(guān)系下面可以討論，就像昨天耿總說的一句話，沒有合作，沒有競爭，增材制造和傳統(tǒng)制造也是一樣，每一種技術(shù)都有各自的優(yōu)勢，并不是取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，但是有很多確實趨勢很有用武之地。根據(jù)顏教授說到2010年增材制造的產(chǎn)值大概十幾億美元，國內(nèi)兩個億，間接說明它的作用有待發(fā)揮。現(xiàn)在更多的說到第三次工業(yè)革命，我覺得第一，它絕不是劃等號，至多是作為第三次工業(yè)革命的元素或者是組成部分，其實第三次工業(yè)革命已經(jīng)在發(fā)生，我覺得增材制造需要提前、需要創(chuàng)新，也需要理性。 這是最后調(diào)侃一下，可能以后飛機發(fā)動機也就是這樣做出來的，也許這就是所謂的第三次工業(yè)革命當中的一個符號。
來源：制造業(yè)經(jīng)理人