巩水利--增材制造技术发展ppt课件.pptVIP

AdditiveManufacturingTechnologyandItsEffectonManufacturingofChina 2014 05 29 Beijing BAMTRI AVIC Prof Dr GONGShuili 目录 AdditiveManufacturing AMor3DPrinting 是人类通过对物质可控的动态累积以逼近目标形体的一种生产过程 是与材料去除成形 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 Introduction Reshapingtheglobalmanufacturingcompetitionstructure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 杂志则认为它将 与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命 Changetheproductionandlifemodeinthefuture社会化制造那么每个人都可以成为一个工厂它将改变制造商品的方式并改变世界的经济格局进而改变人类的生活方式 一 Thethirdindustrialrevolution 一 StrategicsignificanceofAMforChina 可成为我国制造业自主创新的有效手段 符合绿色制造发展方向 有利于制造业的可持续发展 可促进传统制造技术水平的提升 促进制造与服务融合发展 有望培育新兴产业 优化产业结构 促进产业升级 AneffectivewayforindependentinnovationofmanufacturingindustryforChinaCompliancewiththegreenmanufacturingdevelopment andconducivetothesustainabledevelopmentofmanufacturingindustry Promotetheupgradingoftraditionalmanufacturingtechnology andthefusiondevelopmentbetweenmanufacturingandservice Expectedtocultivatenewindustries optimizetheindustrialstructureandpromoteindustrialupgrading Aerospace 高性能金属零件直接增材制造技术的发展 为航空航天产品从产品设计 模型和原型制造 零件生产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生产周期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米原来需要机加工或模具压制多个局部结构 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 增材制造实现自由成形 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 Verificationandpresentationofconcept概念验证和呈现工业设计产品设计Designverificationandtest设计验证和测试反复设计和优化成型 装配和功能性测试Productionandmanufacturing Moldingandsecondaryoperations制模与二次操作热成型砂型铸造金属镀层EDM电极Smallbatchproduction massproduction批量生产失蜡铸造吹塑制模塑料挤塑环氧制模 一 Majoruse 生产与制造 直接制造零件 二 Technicalmethodsandmeans Majorprocess IndustrychainofAM USER Additivemanufacturinghasalongindustrychain andimprovesthetechnologyandeconomy 母合金 中间合金 金属冶炼 粉末 金属丝材 材料检测 材料储运 激光器 电子枪 成形软件 机电控制 传感器 机床 装备集成 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 热处理 表面处理 无损检测 性能测试 生物陶瓷 净化 4 4国际发展现状 EuropeanandAmericancountrieshaveincreasedtheirsupport andmadethenationalstrategiesandplansforadditivemanufacturingdevelopment Ithasdrawmoreattentionofgovernment researchinstitutions enterprisesandthemedia 2012年3月 美国白宫宣布振兴美国制造的新举措 将投资10亿美金帮助美国制造体系的改革 鼓励优先发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究与企业联盟英国政府自2011年开始持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究中心德国建立了直接制造研究中心 主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用西班牙也启动了增材制造专项 研究增材制造共性技术 材料 技术交流及商业模式等内容日本一直重视增材制造技术 研制和应用水平走在了亚洲前列 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Cleardevelopmentideas 大型运输机舱体壁板结构 航空发动机机匣 Basicresearch Standardsetting Industryapplications IndustrialDevelopment 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Cleardevelopmentprojects ResearchplanofelectronbeamrapidprototypingmadebyAmericanNASA 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Directmanufacturingofperformanceparts 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国际发展现状 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Europehavecarriedoutextensiveesearch 意大利AVIO公司电子束选区熔化生产线拥有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生产线 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应用 Solvingthemanufacturingproblemsfordifficult machiningmaterials 例如 德国EOS公司开发的选区激光烧结 SLS 增材制造装备可成形传统工艺 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 特别是具有优异的耐高温性能 可连续服役于180摄氏度的动态力学场合 240摄氏度的静态力学场合以及260摄氏度电气场合等 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Repairingandre 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 已应用于机械 能源 船舶等领域核心 高附加值零部件的快速修复 美国AeroMet公司应用于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 增材制造技术的使用 实现了高性能 高效率和低成本修复和再制造 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Rapidcustomizingpersonalizedstructureinbiomedicalarea 与生物医疗技术相结合 应用于牙齿 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应用比重约为占全部应用的15 增材制造的人体修复体 增材制造的金属牙齿已应用于人体 并有专用装备增材制造金属颅骨修复体 已获临床应用增材制造人体关节金属修复体 已有专业的服务公司 4 4国际发展现状 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM three dimensionalprinting ofmicroandnanostructuresinthefieldofelectronicsmanufacturing 与电子制造技术相融合 可应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 还可提高贵重材料利用率 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OLED 4 4国际发展现状 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Productizationandserializationonproductionandsaleofequipments 欧美及日本在该领域处于世界领先水平 已形成了众多专业化和规模化的装备生产企业 近年来 开始出现知名企业强强联合与兼并的态势 进一步加大了地区不平衡和技术垄断程度 4 4国际发展现状 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Equipmentsaredevelopingtospecialization 如德国EOS公司提供专门用于工业应用级金属牙齿激光增材制造装备 铸造成本低 但工艺繁琐 周期长 难以个性化制造 机加工精度高 但材料浪费严重SLM工艺简单 个性化制造 材料利用率高 零件性能好 4 4国际发展现状 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Equipmentsexpandfromresearchandindustryhigh endtypestomassconsumptiontype 欧美发达国家开始重视低成本 几万甚至几千人民币 增材制造装备的研制与产业化 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 生产的办公型三维打印装备类似于打印机 可用于多类型塑料彩色零件的增材制造美国MakerBot公司生产的简易型装备设备 可低成本制造塑料零件 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Formrelativelyintegratedindustrychainincludingequipments materials software services 世界知名的增材制造装备生产企业超过30余家 主要分布在美国 德国 英国及日本等少数发达国家已有专业增材制造材料生产企业 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 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Industryandmarketshaveachievedcertainscale andannualoutputvalueisgrowingatdouble digitrates 1989年 2011年 增材制造装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2011年 增材制造产品及服务产值较前一年增加了29 4 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Mixofmultidisciplinesuchasnumericalcontrol newmaterials newenergyetc Applicationareasincludeaerospace automobile mould biomedical electronic construction consumerproducts education officialbusinessetc Applicationareadistribution 多轴联动 高速扫描控制 高精密传动等数控技术微细金属粉末 光敏树脂 水溶喷印树脂等新材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国际发展现状 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM Technology 从快速原型 工艺辅助等间接制造发展为零部件直接制造 新材料 新器件 新产品不断出现 Equipment 向产品化 系列化和专业化方向发展 从科研和工业等高端型向办公和个人消费等大众化型拓展 Industry 形成了集装备 材料 软件 服务于一体的产业链 初具产业规模和市场销售 Standards 已发布较成熟的 成系列的相关技术标准 并已开始了国际标准的制定 Application 多学科交叉融合发展 应用领域不断扩大 三 DevelopmentandtrendsofInternationalAM 四 Ourdevelopmentsituation Somerelatedresearchinstitutesandbasesarebuilt Developmentofadditivemanufacturingequipmentsrelyingonuniversitiesandresearchinstitutesunderfinancialsupportofnationalprojects 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究所 西北工业大学 清华大学 华南理工大学 西北有色金属研究院 等等 四 Ourdevelopmentsituation 625所EBRM设备 625所SLM设备 State of the artistransitingfromrapidprototypingtocomponentsdirectmanufacturing Areasonhighperformanceplaciticsandmetalcomponentsaredevelopingrapidly Someexceedinternationallevel However generallyspeaking thereisstillbigroomforimprovement 制作飞机风洞模型 辅助新型飞机结构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结构的快速验证 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 Ourdevelopmentsituation Thereisbigimprovementroomforadditivemanufacturingequipments Industrialchainneedstobeestablishedinvolvingmaterials hardware softwareandservices 截止2011年底 我国增材制造装备使用量占全球份额的8 6 装备产量仅占世界总量的3 6 说明我国使用的不到10 的装备还有超过一半依赖于进口 我国增材制造装备的应用量和生产量均有较大提升空间 4 5我国发展情况 四 Ourdevelopmentsituation 四 Ourgeneralsituation 4 5我国总体情况 Researchcondition 形成了一批各具特色的研发机构 并研发成功了一批增材制造装备 Technologicallevel 总体上还处于从模型制作向零部件直接制造的过渡阶段 部分指标达世界领先水平 Applicationandindustry 在典型关键领域进行了局部应用 但缺乏产业链 产业规模提升空间大 Standards 已开始了相关标准的制定工作 但起步较晚 标准涉及内容较分散 未形成成套的系列化标准 4 6我国面临的主要差距 Weaknessoftheoreticalresearch 在基础理论与成形机理研究方面 我国在一些局部点上开展研究 但国外研究更基础 更系统和更深入Lackofkeygenerictechnologyresearch 国外基于成熟理论基础上的工艺控制 成形精度 制件性能以及工艺稳定性高Weaknessofmaterialsresearch 增材制造用材料与传统工艺所用材料有较大差别 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装备国内都有研制 但在成形精度和智能化程度以及材料适应范围方面与国外先进水平相比存在差距Corecomponentsrelyonimport 激光器 精密光学器件等装备核心元器件依靠进口 五 Ourgap solutionandsuggest Advantages Opportunities Threats Disadvantages 行业需求背景与支持推动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经验与教训 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能力有限