王华明:3D打印从快速成形到直接产品制造_8

2019-07-04 15:14

  12月9-10日,以全球经济复苏与制造业转型为主题的第六届亚洲制造业论坛年会在北京举行,制造业的专家、企业巨头共聚一堂,共商经济低迷时期的制造业发展趋势。在3D打印技术产业专题环节,北京航空航天大学教授王华明做了主题演讲。

北京航空航天大学教授王华明

  以下是部分文字实录:

  王华明:我就讲一下增材制造3D打印从快速成形到直接产品制造。我来自北京航空航天大学,我这里科普一下为什么现在3D打印这么热,因为媒体都很关心这个事情,简单介绍一下3D打印是什么,然后我介绍一下金属零件的增材制造。

  首先,为什么3D打印这么热?3D打印出现很多年了,应该说快30年了,最近热起来是因为奥巴马3月9号宣布了重振美国制造业计划,在美国成立一个制造创新的网络。这个网络主要由15个制造创新的研究院组成,每一个研究院主要是致力于具有广阔应用价值的前沿新技术的研发、示范、人才培训等推向制造业并产品应用,提供就业机会,提升美国在制造业的全球竞争力和领导地位。这是目标。当天就责成美国国防部等五个联邦部门去选择一种技术,先成立一个连办研究所,大概是在4月17号就选择了第一个技术,3D打印,今年8月16号成立了国家增材制造创新研究院,这是创新网络的第一个研究院,这个研究院政府投资3000万美元,企业投资4500万美元,主要由联邦政府负责管理和组建,是一个产学研结合的机构。我想为什么大概从5月份开始,增材制造就开始热起来的原因。

  第二个,说一下到底什么是增材,增材制造或者是3D打印。这是传统的细胞膜,大家做零件的话,先有一个毛坯,然后制造零件,当然这个利润率比较低,这是一个传统的方法,但是不是说我们要取代它。增材制造就是往上面添加材料,更形象的就是高等数学里面的定积分。增材制造从分类上来说,是两大类,一类就是原型制造,快速成型,成型出来一个模样,再把它翻成一个金属零件,这个零件从80年代中期开始,现在扩展到更多领域。另外一个是做高性能的金属零件直接制造,这个从90年代初开始,难度比较大。原型子早主要是做树脂、石蜡、纸等原型件,这个件可以用,也可以再翻成别的零件。主要用途还是在新产品的快速设计,在这个阶段对设计的优化、商业宣传、产品的评估等做快速准备,效果是反映在新产品的研发成本和生产准备的成本,以及新产品研发周期。

  这种快速原型制造的方法,应该说这是大家都知道的3D打印,这应该是1986年MIT发明的方法,叫3D打印。基本工艺包括光敏树脂化等等很多方法,3D打印就是这么回事,用喷墨打印机把胶水打出来,一烤干,建一个厚度,铺一层粉末,如何打印就可以反复打一个东西出来,这是铺纸工艺,这里就不讲了,刚才颜教授介绍了这个造型,清华大学做得非常好。然后,这个就是选择性激光烧结,3D打印完全被它取代,它的精度是比较高的。

  第二类,就是高性能金属构建的直接制造,这个事情发展相对比较万,上世纪90年代。用的手段是一样的,主要用高功率的激光束或者是高功率的电子束对粉末丝材进行熔化,往上堆积,应该说这是它的一个主要方法。到现在为止,可能大家见到的都是做小的居多,做大的难度还会非常大,后面我还会讲讲个人观点,这可能是增材制造发展的方向,也是一个难点。

  这是国外做的一些情况,关于在金属零件这块做得很多,要做到这个程度难度非常大,这个也可以看出来,表面并不是能达到真正的精度。像这个虽然说表面很光,但是离传统的加工还有很大的差别。这是密歇根大学做的梯度材料,这是热缩冷展的结构,这是所谓空心的结构。

  下面我就讲一下我认为真正的方向,就是高性能难加工的金属大型复杂构建激光直接制造,我觉得这可能也是一个方向。这个方向刚才讲了,就是用高功率的激光或者是高功率的电子束对材料进行熔化,展现出一个毛坯。当然,它有很多优势,从典型的数字化技术得到一个成型的零件,而这些零件用传统的方法做很困难,例如这么一个零件,用传统方法做,从铸锭到制坯到模具非常困难。用增材制造方法做有很多好处,组织很细,力学性能很好,可以实现多材料去做。制造技术上有很多优势,不再需要模具、不再需要工装等等,有很多优点。从这个意义上来说,我觉得确实是一种数字化的带有变革性的,短流程、低成本的数字化制造技术。这种技术是一个发展方向,我觉得它也是增材制造的发展方向。到现在为止像钛合金这种技术还没有取得突破,难在哪个?热应力太大,凝固会收缩,体积收缩就带来非常大的应力。最终结果就是热应力太大,要做大零件就非常困难。

  第二个难题是冶金过程复杂,焊接过程是很难控制的过程,所以带来的结果是力学性能不行,性能不行的结果就是关键构建没办法用。这是美国人做的结果,激光成型在锻压,疲劳性会差一些,2002年大概做过试验,现在就不再做了。我认为一个是变形、一个性能、一个是装备,还有一个是标准,这是非常重要的。这是美国的增材学会主办的增材制造的研讨会,我们看它的主题激光修复,只能做小的,国际上的方向是做表面工程。

  下面,我就简单说一下我们大概是这样,干了快20年,走出了实质性的一步,包括从工艺到装备到标准走出了第一步,现在在飞机上有所应用。我们做出来了这样的装备我觉得是非常大的,可能有7、8米,尺寸做到432米的尺寸,我们具备这种能力,然后就是标准,我觉得这是非常重要的,经过20年,大概积累下一个初步的标准。应用我们大概也很庆幸,就是C919的机头的主风挡窗框就是这样一个情况,四个框,一个框50万,200万元的模具,我们采用了这个技术,大概不到55天,做出来四个框,成本就不用说了,太低了。2010年还出了这么一段,这是机翼和机身连接的部位,这边是一个翅膀,这是机身,大家看一下这个是非常大的,这是前面的零件、后面的零件,四个零件是采用激光去做,激光做有很多的优势。这边是采用锻件、这边是采用增材制造,确实它的优势太明显了,锻件可能是1600公斤,激光是1300公斤,我们已具备这种能力做出这么大的钛合金构建,恐怕这是其他方面做不出来的。

  下面就简单说一下增材制造的个人观点,就是它前景的一个评价,我认为这种技术确实带有一种变革性的,短流程、低成本、数字化,高性能的制备构建制造一体化的技术。对构建的制造是重要的,尤其是这种技术一部分高性能难加工构建技术的革命。

  我觉得它的潜力应该是很大的,我用的词不合适,我觉得它是一匹千里马,增材制造和传统制造的关系下面可以讨论,就像昨天耿总说的一句话,没有合作,没有竞争,增材制造和传统制造也是一样,每一种技术都有各自的优势,并不是取代传统制造技术,但是有很多确实趋势很有用武之地。根据颜教授说到2010年增材制造的产值大概十几亿美元,国内两个亿,间接说明它的作用有待发挥。现在更多的说到第三次工业革命,我觉得第一,它绝不是划等号,至多是作为第三次工业革命的元素或者是组成部分,其实第三次工业革命已经在发生,我觉得增材制造需要提前、需要创新,也需要理性。

  这是最后调侃一下,可能以后飞机发动机也就是这样做出来的,也许这就是所谓的第三次工业革命当中的一个符号。谢谢!

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