王华明：3D打印从快速成形到直接产品制造

中国制造

目前国际经济复苏缓慢，全球制造业走向转型之路。为促进亚洲制造业与世界先进制造业的对话沟通，由亚洲制造业协会主办的第六届亚洲制造业论坛年会，2012年12月9日在北京隆重举行。

和讯网消息 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4×3×2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！

新闻链接：关于第六届亚洲制造业论坛年会
本次会议以“全球产业转型与经济复苏”为主题，围绕新材料与智能材料、海洋装备、绿色制造与再制造、高端制造与智能制造、能源装备产业、航空工业、轨道装备、中国与欧盟制造业对话、中国与美国制造业对话、新兴经济体制造业对话，宏观经济形势与世界经济走势解读等话题展开。

　　
当前，受欧洲债务危机影响，世界经济增长乏力，全球制造业行业面临需求减少、原材料上涨、劳工成本增加、不可控因素增加等多重挑战，为了深化全球制造业对话，共商制造业转型之路。亚洲制造业论坛是亚洲制造业与世界先进制造业对话沟通的平台，目前已经成功举办了五届亚洲制造业论坛年会，先后有3000多位来自欧美、日韩、东盟的国家领导人、工业主管领导、国际组织、制造业行业领袖出席。

来源：和讯网

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