“對中國制造業(yè)來說，未來5~10年的路格外艱辛，尤其是高端裝備制造領(lǐng)域。”在近日舉辦的2020中國(西安)國際3D打印博覽會上，西安交通大學(xué)校長王樹國如是說。

嫦娥4號登陸月球背面，長征五號遙三運載火箭成功發(fā)射，“雪龍2號”遠(yuǎn)征南極，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)……近年來，我國高端裝備不斷取得突破。然而，與擁有數(shù)百年工業(yè)化歷史的歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國高端裝備制造領(lǐng)域在自主創(chuàng)新能力、關(guān)鍵核心技術(shù)等方面還存在一定差距。

中國航天科技集團(tuán)有限公司首席信息官王國慶表示，傳統(tǒng)的等材制造、減材制造已經(jīng)無法滿足高端裝備對精度、性能、可靠性、效率的高要求，增材制造(即3D打印)是未來的發(fā)展方向之一。

3D打印用途多

目前，很多高端裝備的零部件要求表面抗腐蝕、耐磨損，內(nèi)部高強度、高韌性，同時要盡量輕量化。“傳統(tǒng)的制造工藝很難達(dá)到，但3D打印能將多種材料放到一起進(jìn)行功能梯度的制造，展現(xiàn)出實現(xiàn)這些功能的潛力。” 中國工程院院士、國家增材制造創(chuàng)新中心主任盧秉恒說。

3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及復(fù)雜的加工工序，在一臺設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形問題。可以說，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其制造的優(yōu)勢就越顯著。

2015年，美國國家航空航天局(NASA)基于3D打印技術(shù)，打印出航空火箭發(fā)動機的頭部。“零件大量減少，焊縫也隨之減少，降低了火箭發(fā)動機出現(xiàn)故障的概率的同時，迭代周期縮短、成本降低。”王國慶介紹說。

盧秉恒介紹，以前很多高精尖設(shè)備可以設(shè)計出來，但是制造手段無法實現(xiàn)，現(xiàn)在利用3D打印“所想即所得”，多材料、多結(jié)構(gòu)的輕量化制造成為可能，且可以實現(xiàn)最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與優(yōu)化，而常規(guī)制造手段進(jìn)行制造必須提前設(shè)計一整套工裝設(shè)備管理軟件。

目前，研究人員已經(jīng)驗證了在空間站微重力條件下進(jìn)行3D打印的可行性。太空機器人在維修、裝配過程中，發(fā)現(xiàn)零部件需要更換，可通過3D打印即刻制備，能大幅提高精度和效率。

在制造領(lǐng)域，有一個現(xiàn)象很普遍，很多造價昂貴的設(shè)備磨損后便不能使用，造成資源浪費。“實際上僅僅只是一些容易磨損的關(guān)鍵零部件出現(xiàn)問題，如果用3D打印進(jìn)行修復(fù)，這些廢棄設(shè)備或可重?zé)ㄉ鷻C。”盧秉恒說。

落地應(yīng)用少

3D打印作為一項創(chuàng)新的顛覆性技術(shù)，已經(jīng)基于多種金屬，包括不銹鋼、模具鋼、鈦合金、鋁合金、銅合金等材料，開發(fā)出眾多工藝技術(shù)，比如噴粉的激光熔化沉積、激光選區(qū)熔化、電子束選區(qū)熔化等，在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)增材制造。

然而，盡管3D打印的應(yīng)用研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，但真正的3D打印應(yīng)用非常少。中航工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所項目總設(shè)計師王向明表示，3D打印甚至看不到規(guī)模化的應(yīng)用，應(yīng)用數(shù)量、應(yīng)用規(guī)模受限。

為什么會出現(xiàn)這種情況?他認(rèn)為原因有二：一是不會用，熟悉3D打印技術(shù)的一線設(shè)計人員少，導(dǎo)致設(shè)計與技術(shù)脫節(jié);二是不敢用，3D打印作為一種新技術(shù)，設(shè)備能否使用幾十年，其安全性很難驗證。

以航天領(lǐng)域為例，王國慶介紹，以往通過焊接的方式制造上千米長的噴管，工序長，涉及的工種也非常多，但打印這些超大零部件缺乏大型3D打印設(shè)備，應(yīng)該盡快開發(fā)增材制造設(shè)備。此外，還需要在原材料制備方法、工藝控制和質(zhì)量驗收等方面開展工作，研發(fā)適用于各領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的3D打印材料，提高設(shè)備穩(wěn)定性。

中國工程院院士、阿里巴巴集團(tuán)技術(shù)委員會主席王堅造訪過很多制造業(yè)企業(yè)。他介紹，企業(yè)引進(jìn)新技術(shù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級需要投入大量成本，但無法確保生產(chǎn)效率。現(xiàn)在有很多新技術(shù)都號稱能解決企業(yè)的很多問題，但制造業(yè)企業(yè)的挑戰(zhàn)越來越多、越來越大。這是因為新技術(shù)并未有機融入到整個企業(yè)的生產(chǎn)流程中，碎片化的新技術(shù)并不能發(fā)揮出它的創(chuàng)造力。

評估和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)先行

“作為設(shè)計人員，我更關(guān)注使用安全。” 王向明說，在設(shè)計零件過程中，要考慮穩(wěn)定性和壽命，這里面隱含著很多力學(xué)方面的基礎(chǔ)問題和科學(xué)問題。

王國慶表示，應(yīng)該開發(fā)適合增材制造的無損檢測方法。針對3D打印的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的方法沒辦法檢測或檢測成本高，檢測甚至已經(jīng)成為工程應(yīng)用的最大障礙。

他認(rèn)為，應(yīng)該建立成熟的面向增材制造的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計與評判體系，解決基于增材制造的組織性能缺陷怎樣評價、有點缺陷行不行、有多少缺陷能放行等具體問題。

“制造過程中很難做到零缺陷，所以就需要評判體系。” 王國慶說。

為此，王向明所在的研究團(tuán)隊提出了一個增材結(jié)構(gòu)疲勞強度的評估辦法和驗證模式。“有了這樣的方法，設(shè)計人員就可以快速地對某種工藝、某種材料構(gòu)成的某種形狀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估，計算出使用壽命，作為判斷增材結(jié)構(gòu)疲勞特性的依據(jù)。”

此外，王國慶還提出，應(yīng)該重視增材制造全流程標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)。從原材料研發(fā)到設(shè)計，從工藝到裝配，都應(yīng)該制定流程標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)滯后，3D打印的零部件只能應(yīng)用于裝備局部，無法實現(xiàn)整機的完全替代，將影響3D打印的大面積推廣和應(yīng)用，希望行業(yè)能夠在整個標(biāo)準(zhǔn)體系制定上有所建樹。

盧秉恒也表示，在增材制造過程中，研究人員非常關(guān)注性能。近些年，各國的研究表明，3D打印結(jié)構(gòu)的性能基本上接近傳統(tǒng)鍛件，某些性能甚至超過鍛件。“未來，增材制造在實際的工程中應(yīng)用越來越廣，很多大型的、復(fù)雜的零部件，會使用增材制造去開發(fā)、生產(chǎn)。” 盧秉恒說。