巩水利增材制造技术发展

AdditiveManufacturingTechnologyandItsEffectonManufacturingofChina2021.05.29.，中国航空工业集团公司北京航空制造工程研讨所BAMTRI,AVIC.巩水利Prof.Dr.GONGShuili内容提要12DevelopmentofInternational534IntroductionTechnicalmethodsandmeansDomestictechnologydevelopmentsDisparityandsuggestions目录AdditiveManufacturing(AMor3DPrinting)：——是人类经过对物质可控的动态累积以逼近目的形体的一种消费过程；是与资料去除成形、受迫成形等对应的科学技术体系；是以“堆积〞为共同特征的技术群。一、IntroductionReshapingtheglobalmanufacturingcompetitionstructure上世纪美国<时代>周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业〞英国<经济学人>杂志那么以为它将“与其他数字化消费方式一同推进实现第三次工业革命〞Changethe

production

andlife

modeinthefuture社会化制造那么每个人都可以成为一个工厂它将改动制造商品的方式并改动世界的经济格局进而改动人类的生活方式一、Thethirdindustrialrevolution?!一、StrategicsignificanceofAMforChina可成为我国制造业自主创新的有效手段；符合绿色制造开展方向，有利于制造业的可继续开展；可促进传统制造技术程度的提升，促进制造与效力交融开展；有望培育新兴产业、优化产业构造、促进产业晋级。AneffectivewayforindependentinnovationofmanufacturingindustryforChinaCompliancewiththegreenmanufacturingdevelopment,andconducivetothesustainabledevelopmentofmanufacturingindustry;Promotetheupgradingoftraditionalmanufacturingtechnology,andthefusiondevelopmentbetweenmanufacturingandservice;Expectedto

cultivatenewindustries,

optimizethe

industrialstructureandpromoteindustrialupgradingAerospace高性能金属零件直接增材制造技术的开展，为航空航天产品从产品设计、模型和原型制造、零件消费和产品测试都带了新的思想和技术途径，有望大幅缩短航空航天产品的研发和消费周期thedevelopmentofdirectmanufacturingtechnologyofperformanceparts,newideasandtechnicalapproacharebroughtintoproductdesign,modelandprototypemanufacturing,partsmanufacturingandproducttesting,whichisexpectedtosignificantlyshortentheresearchanddevelopmentcycleofaerospaceproduction.增材制造大型复杂发动机机匣铸造熔模〔直径1.2米原来需求机加工或模具压制多个部分构造，然后拼接成整体，精度难以控制，工序繁琐，周期长，增材制造方法精度高、整体成形、周期短。激光近成形的叶片〔Optomec公司〕，传统铸锻，均需制造复杂模具，增材制造实现自在成形SLSCast一、DevelopmenthistoryofAMtechnology快速原型/快速成形快速工具/模具/铸型快速成形直接制造Verification

andpresentationofconcept

概念验证和呈现工业设计产品设计Designverification

andtest设计验证和测试反复设计和优化成型、装配和功能性测试Production

andmanufacturingMoldingandsecondaryoperations制模与二次操作热成型砂型铸造金属镀层EDM电极Smallbatchproduction,

massproduction批量消费失蜡铸造吹塑制模塑料挤塑环氧制模一、Majoruse 消费与制造直接制造零件二、Technicalmethodsandmeans：MajorprocessTechnologyMaterialCharacteristicsApplications光固化成形（SLA）液态树脂精度高；表面质量好航空航天、生物医学等激光选区烧结（SLS）高分子、金属、陶瓷、砂等粉末材料成形材料广泛、应用范围广等制作复杂铸件用熔模或砂芯等激光选区熔化（SLM）金属或合金粉末可直接制造高性能复杂金属零件用于航空航天、珠宝首饰、模具等熔融沉积制造（FDM）低熔点丝状材料零件强度高、系统成本低汽车、工艺品等激光近净成形（LNSF）金属粉末成型效率高、可直接成形金属零件航空领域电子束选区熔化（EBSM）金属粉末可成形难熔材料航空航天、医疗、石油化工等电子束熔丝沉积（EBFFF）金属丝材成形速度快、精度不高航空航天高附加值产品制造分层实体制造（LOM）片材成形速率高、性能不高用于新产品外形验证立体喷印（3DP）光敏树脂、粘接剂喷粘接剂时强度不高、喷头易堵塞制造业、医学、建筑业等的原型验证IndustrychainofAMUSERpost-treatmentandservicesManufacturingEquipmentMaterialAdditivemanufacturinghasalongindustrychain,andimprovesthe

technologyandeconomy.母合金、中间合金、金属冶炼、粉末、金属丝材、资料检测、资料储运激光器、电子枪、成形软件、机电控制、传感器、机床、配备集成、真空器件、气体循环器件、冷却系统产品研制、工艺开发等、委托加工机械加工、热处置、外表处置、无损检测、性能测试、生物陶瓷、净化4.4国际开展现状EuropeanandAmericancountrieshaveincreasedtheirsupport,andmadethenationalstrategiesandplansforadditivemanufacturingdevelopment;Ithasdrawmoreattentionofgovernment,researchinstitutions,enterprisesandthemedia.2021年3月，美国白宫宣布振兴美国制造的新举措，将投资10亿美金协助美国制造体系的改革，鼓励优先开展增材制造为代表的数字化制造技术；在全国范围筹建多个研讨与企业联盟英国政府自2021年开场继续增大对增材制造技术的研发经费，目前已在多个大学建立了增材制造研讨中心德国建立了直接制造研讨中心，主要研讨和推进增材制造技术在航空航天领域中构造轻量化方面的运用西班牙也启动了增材制造专项，研讨增材制造共性技术、资料、技术交流及商业方式等内容日本不断注重增材制造技术，研制和运用程度走在了亚洲前列三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMCleardevelopmentideas大型运输机舱体壁板构造航空发动机机匣Basicresearch→Standardsetting→Industryapplications→IndustrialDevelopment三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMCleardevelopmentprojectsResearchplanofelectronbeamrapidprototypingmadebyAmericanNASA三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMDirectmanufacturingofperformanceparts.Performanceisclosetothetraditionalprocess;Appliedinsomecomplicatedconditions.英国南安普顿大学设计并利用增材制造技术制造了世界上第一架“3D打印〞无人驾驶飞机，最高时速达100多公里世界上第一辆“3D打印〞赛车“阿里翁〞，已在德国的霍根海姆赛道完成测试，时速达141公里4.4国际开展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEurope

havecarriedoutextensiveesearch

意大利AVIO公司电子束选区熔化消费线拥有13台设备；英国罗·罗公司正在建立拥有30台设备的电子束选区熔化消费线。大推力涡扇发动机钛铝合金三四级涡轮叶片“Rapidmanufacturingcenteroflargeaerospaceparts〞，hasbeenestablishedin2007Additivemanufacturingofsmallandprecisestructurekeepsaheadoftheworld.空客、罗·罗、EADS等公司的飞机及发动机上已有大量运用。Solvingthemanufacturingproblemsfordifficult-machiningmaterials。例如，德国EOS公司开发的选区激光烧结〔SLS〕增材制造配备可成形传统工艺〔注塑、挤塑〕难加工的耐高温塑料利用基于粉材的激光烧结工艺可成形复杂高精度零部件，力学性能较尼龙等塑料高出1倍〔拉伸强度达95MPa，杨氏模量达4400MPa〕特别是具有优良的耐高温性能，可延续服役于180摄氏度的动态力学场所、240摄氏度的静态力学场所以及260摄氏度电气场所等三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMRepairingandre-manufacturinghightemperatureparts。以激光、等离子束和电弧等能束增材制造再制造技术为代表，已运用于机械、能源、船舶等领域中心、高附加值零部件的快速修复美国AeroMet公司运用于F15等战斗机机翼梁修复英国Rolls-Royce公司用于航空发动机叶片修复激光成形修复的发动机零件相比传统电镀、热喷涂等技术，增材制造技术的运用，实现了高性能、高效率和低本钱修复和再制造三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMRapidcustomizingpersonalizedstructureinbiomedicalarea。与生物医疗技术相结合，运用于牙齿、骨骼等“人体零部件〞修复或植入手术中。在过去的10余年，增材制造在生物医疗领域的运用比重约为占全部运用的15%。增材制造的人体修复体增材制造的金属牙齿已运用于人体，并有公用配备增材制造金属颅骨修复体，已获临床运用增材制造人体关节金属修复体，已有专业的效力公司4.4国际开展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAM“three-dimensionalprinting〞ofmicroandnanostructuresinthefieldofelectronicsmanufacturing.与电子制造技术相交融，可运用于有机发光二极管、薄膜太阳能电池、无芯片RFID标签、柔性显示器等微纳尺度功能性器件的“三维打印〞与压膜制版、光刻蚀和镀膜等工艺相比，增材制造用于电子领域不仅减少污染排放，还可提高贵重资料利用率！增材制造的微纳电子器件电子电路多层柔性PCB无芯片RFID标签有机薄膜光伏器件有机发光显示OLED4.4国际开展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMProductizationandserializationonproductionandsaleofequipments.欧美及日本在该领域处于世界领先程度，已构成了众多专业化和规模化的配备消费企业。近年来，开场出现知名企业强强结合与兼并的态势，进一步加大了地域不平衡和技术垄断程度美国3DSystems公司消费和销售三种工艺类型、数十种型号的增材制造配备仅SLS工艺配备就有9种型号公司于2021年2月兼并了办公型三维打印配备知名企业美国ZCorp公司美国Stratasys公司专营低本钱熔融堆积〔FDM〕工艺配备是全球累计销售配备数量最多的企业，占总运用量的约40%2021年4月，公司兼并了桌面型三维打印配备知名企业以色列Objet公司德国EOS公司专门消费和销售SLS、SLM配备共有六种型号成形资料包括高分子、砂、金属及其复合资料4.4国际开展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsaredevelopingtospecialization.如德国EOS公司提供专门用于工业运用级金属牙齿激光增材制造配备铸造本钱低，但工艺繁琐，周期长，难以个性化制造；机加工精度高，但资料浪费严重SLM工艺简单、个性化制造、资料利用率高、零件性能好4.4国际开展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsexpandfromresearchandindustryhigh-endtypestomassconsumptiontype.欧美兴隆国家开场注重低本钱〔几万甚至几千人民币〕增材制造配备的研制与产业化，促使增材制造技术从实验室和工厂走向办公室甚至是家庭美国ZCorp公司〔并入3DSystems公司〕消费的办公型三维打印配备类似于打印机，可用于多类型塑料彩色零件的增材制造美国MakerBot公司消费的简易型配备设备，可低本钱制造塑料零件三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMFormrelativelyintegratedindustrychainincludingequipments,materials,software,services.世界知名的增材制造配备消费企业超越30余家，主要分布在美国、德国、英国及日本等少数兴隆国家已有专业增材制造资料消费企业，如瑞典Sandvik公司提供微细金属粉末专业的增材制造软件公司，如比利时Materialise公司提供增材制造工艺与控制软件三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMIndustryandmarketshaveachievedcertainscale,andannualoutputvalueisgrowingatdouble-digitrates.1989年-2021年，增材制造配备销售量平均年增长率高达31.6%，自2000年后以更快的速度递增2021年，增材制造产品及效力产值较前一年添加了29.4%三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMMixofmultidisciplinesuchasnumericalcontrol,newmaterials,newenergyetc.Applicationareasincludeaerospace,automobile,mould,biomedical,electronic,construction,consumerproducts,education,officialbusinessetc.Applicationareadistribution多轴联动、高速扫描控制、高精细传动等数控技术微细金属粉末、光敏树脂、水溶喷印树脂等新资料及其制备技术高能束激光、电子束、等离子等新能源技术4.4国际开展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMTechnology:从快速原型、工艺辅助等间接制造开展为零部件直接制造，新资料、新器件、新产品不断出现；Equipment:向产品化、系列化和专业化方向开展；从科研和工业等高端型向办公和个人消费等群众化型拓展；Industry:构成了集配备、资料、软件、效力于一体的产业链，初具产业规模和市场销售；Standards:已发布较成熟的、成系列的相关技术规范，并已开场了国际规范的制定；Application:多学科交叉交融开展，运用领域不断扩展。三：DevelopmentandtrendsofInternationalAM四.Ourdevelopmentsituation电子束熔丝堆积成形：北京625所1990~1995~2000~2003~电子束选区熔化成形：清华大学北京625所2007西北有色院2021中科院金属所2021……快速原型：清华大学西安交大华中科大中北大学北京625所北京隆源公司……2003~金属激光成形：西工大北京有色院北京625所华中科大华南理工北京殷华公司……2021~大型构造激光成形：北航西工大北京625所……2006~激光成形大型航空钛合金构造装机运用：北京航空航天大学……电子束熔丝堆积成形钛合金构造及激光选区熔化成形精细构造装机运用北京625所SomerelatedresearchinstitutesandbasesarebuiltDevelopmentofadditivemanufacturingequipmentsrelyingonuniversitiesandresearchinstitutesunderfinancialsupportofnationalprojects.代表性单位有：西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学、中航工业北京航空制造工程研讨所、西北工业大学、清华大学、华南理工大学、西北有色金属研讨院，等等。四.Ourdevelopmentsituation625所EBRM设备625所SLM设备State-of-the-artistransitingfromrapidprototypingtocomponentsdirectmanufacturing.Areasonhighperformanceplaciticsandmetalcomponentsaredevelopingrapidly.Someexceedinternationallevel.However,generallyspeaking,thereisstillbigroomforimprovement.制造飞机风洞模型，辅助新型飞机构造的创新设计与快速开发用于汽车、家电和数码等快速更新换代行业中新产品构造的快速验证，如海尔等重要企业均建立的增材制造技术中心辅助汽车发动机缸体缸盖等复杂铸件蜡型和砂型的快速制造，二汽、玉柴等相关企业均设立了专门的增材制造部门四.OurdevelopmentsituationThereisbigimprovementroomforadditivemanufacturingequipments.Industrialchainneedstobeestablishedinvolvingmaterials,hardware,softwareandservices.EquipmentusagedistributionofinternationaladditivemanufacturingEquipmentproductiondistributionofinternationaladditivemanufacturing截止2021年底，我国增材制造配备运用量占全球份额的8.6%，配备产量仅占世界总量的3.6%。阐明我国运用的不到10%的配备还有超越一半依赖于进口！我国增材制造配备的运用量和消费量均有较大提升空间4.5我国开展情况四.Ourdevelopmentsituation四.Ourgeneralsituation4.5我国总体情况Researchcondition:构成了一批各具特征的研发机构，并研发胜利了一批增材制造配备；Technologicallevel:总体上还处于从模型制造向零部件直接制造的过渡阶段，部分目的达世界领先程度；Applicationandindustry:在典型关键领域进展了部分运用，但缺乏产业链，产业规模提升空间大！；Standards:已开场了相关规范的制定任务，但起步较晚，规范涉及内容较分散，未构成成套的系列化规范。4.6我国面临的主要差距Weaknessoftheoreticalresearch:在根底实际与成形机理研讨方面，我国在一些部分点上开展研讨，但国外研讨更根底、更系统和更深化Lackofkeygenerictechnologyresearch:国外基于成熟实际根底上的工艺控制，成形精度、制件性能以及工艺稳定性高Weaknessofmaterialsresearch:增材制造用资料与传统工艺所用资料有较大差别，我国与国外相比无论是种类还是质量上都有差距Lowequipmentlevel:大部分增材制造工艺配备国内都有研制，但在成形精度和智能化程度以及资料顺应范围方面与国外先进程度相比存在差距Corecomponentsrelyonimport:激光器、精细光学器件等配备中心元器件依托进口五.Ourgap,solutionandsuggestAdvantagesOpportunitiesThreatsDisadvantages行业需求背景与支持推进明确的产品需求和强劲的研发动力强大扎实领先的技术实力自主知识产权的软件平台前期研发的阅历与教训现环境下的低盈利甚至负盈利市场份额到达市场的时间国内市场需求大而紧迫国际主要竞争产品才干有限，产品才干低端航空产业需求旺盛现有商品无法满足需求国际国内同行的快速研发竞争高端产品的性能Analysisonadvantages,disadvantages,opportunitiesandthreatsAerospace飞机大型钛合金框梁、接头