巩水利-增材制造技术发展

AdditiveManufacturing

TechnologyandItsEffectonManufacturingofChina2014.05.29.，Beijing中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所BAMTRI,AVIC.巩水利Prof.Dr.GONGShuili内容提要12DevelopmentofInternational534IntroductionTechnicalmethodsandmeansDomestictechnologydevelopmentsDisparityandsuggestions目录AdditiveManufacturing(AMor3D

Printing)：——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、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”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;Expectedto

cultivatenewindustries,

optimizethe

industrialstructureandpromoteindustrialupgradingAerospace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Design

verification

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：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-treatmentandservicesManufacturingEquipmentMaterial

Additivemanufacturinghasalongindustrychain,andimprovesthe

technologyandeconomy.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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMCleardevelopmentideas大型运输机舱体壁板结构航空发动机机匣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国际发展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEurope

havecarriedoutextensiveesearch

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”，

hasbeenestablishedin2007

Additivemanufacturingofsmallandprecisestructurekeepsaheadoftheworld.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：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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMRapidcustomizingpersonalizedstructureinbiomedicalarea。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OLED4.4国际发展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMProductizationandserializationonproductionandsaleofequipments.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美国3DSystems公司生产和销售三种工艺类型、数十种型号的增材制造装备仅SLS工艺装备就有9种型号公司于2012年2月兼并了办公型三维打印装备知名企业美国ZCorp公司美国Stratasys公司专营低成本熔融沉积（FDM）工艺装备是全球累计销售装备数量最多的企业，占总应用量的约40%2012年4月，公司兼并了桌面型三维打印装备知名企业以色列Objet公司德国EOS公司专门生产和销售SLS、SLM装备共有六种型号成形材料包括高分子、砂、金属及其复合材料4.4国际发展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsaredevelopingtospecialization.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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsexpandfromresearchandindustryhigh-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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMFormrelativelyintegratedindustrychainincludingequipments,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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMIndustryandmarketshaveachievedcertainscale,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：DevelopmentandtrendsofInternationalAMMixofmultidisciplinesuchasnumericalcontrol,newmaterials,newenergyetc.Applicationareasincludeaerospace,automobile,mould,biomedical,electronic,construction,consumerproducts,education,officialbusinessetc.Ap