【產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟】王華明：3D打印“從快速成形到直接產(chǎn)品制造”

2012年12月9-10日，由亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第六屆亞洲制造業(yè)論壇年會(huì)在北京索菲特大酒店隆重舉行。本次年會(huì)主要以“全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇與制造業(yè)轉(zhuǎn)型”為主題，進(jìn)行專題式報(bào)道，涵蓋了航空工業(yè)、海洋裝備、綠色制造與再制造、能源裝備、智能制造與高端制造、新材料與智能材料、3D打印技術(shù)等多個(gè)產(chǎn)業(yè)。同時(shí)主辦方亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)特邀美國(guó)參眾兩院資深議員與投資人事，與嘉賓共同探討如何投資美國(guó)等話題。

　　北京航空航天大學(xué)教授、中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng) 王華明：
　　首先，為什么3D打印這么熱？3D打印出現(xiàn)很多年了，應(yīng)該說(shuō)快30年了，最近熱起來(lái)是因?yàn)閵W巴馬3月9號(hào)宣布了重振美國(guó)制造業(yè)計(jì)劃，在美國(guó)成立一個(gè)制造創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要由15個(gè)制造創(chuàng)新的研究院組成，每一個(gè)研究院主要是致力于具有廣闊應(yīng)用價(jià)值的前沿新技術(shù)的研發(fā)、示范、人才培訓(xùn)等推向制造業(yè)并產(chǎn)品應(yīng)用，提供就業(yè)機(jī)會(huì)，提升美國(guó)在制造業(yè)的全球競(jìng)爭(zhēng)力和領(lǐng)導(dǎo)地位。這是目標(biāo)。當(dāng)天就責(zé)成美國(guó)國(guó)防部等五個(gè)聯(lián)邦部門去選擇一種技術(shù)，先成立一個(gè)連辦研究所，大概是在4月17號(hào)就選擇了第一個(gè)技術(shù)，3D打印，今年8月16號(hào)成立了國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究院，這是創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)研究院，這個(gè)研究院政府投資3000萬(wàn)美元，企業(yè)投資4500萬(wàn)美元，主要由聯(lián)邦政府負(fù)責(zé)管理和組建，是一個(gè)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的機(jī)構(gòu)。我想為什么大概從5月份開始，增材制造就開始熱起來(lái)的原因。
　　第二個(gè)，說(shuō)一下到底什么是增材，增材制造或者是3D打印。這是傳統(tǒng)的細(xì)胞膜，大家做零件的話，先有一個(gè)毛坯，然后制造零件，當(dāng)然這個(gè)利潤(rùn)率比較低，這是一個(gè)傳統(tǒng)的方法，但是不是說(shuō)我們要取代它。增材制造就是往上面添加材料，更形象的就是高等數(shù)學(xué)里面的定積分。增材制造從分類上來(lái)說(shuō)，是兩大類，一類就是原型制造，快速成型，成型出來(lái)一個(gè)模樣，再把它翻成一個(gè)金屬零件，這個(gè)零件從80年代中期開始，現(xiàn)在擴(kuò)展到更多領(lǐng)域。另外一個(gè)是做高性能的金屬零件直接制造，這個(gè)從90年代初開始，難度比較大。原型子早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件，這個(gè)件可以用，也可以再翻成別的零件。主要用途還是在新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)，在這個(gè)階段對(duì)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、商業(yè)宣傳、產(chǎn)品的評(píng)估等做快速準(zhǔn)備，效果是反映在新產(chǎn)品的研發(fā)成本和生產(chǎn)準(zhǔn)備的成本，以及新產(chǎn)品研發(fā)周期。
　　這種快速原型制造的方法，應(yīng)該說(shuō)這是大家都知道的3D打印，這應(yīng)該是1986年MIT發(fā)明的方法，叫3D打印�；�本工藝包括光敏樹脂化等等很多方法，3D打印就是這么回事，用噴墨打印機(jī)把膠水打出來(lái)，一烤干，建一個(gè)厚度，鋪一層粉末，如何打印就可以反復(fù)打一個(gè)東西出來(lái)，這是鋪紙工藝，這里就不講了，剛才顏教授介紹了這個(gè)造型，清華大學(xué)做得非常好。然后，這個(gè)就是選擇性激光燒結(jié)，3D打印完全被它取代，它的精度是比較高的。
　　第二類，就是高性能金屬構(gòu)建的直接制造，這個(gè)事情發(fā)展相對(duì)比較萬(wàn)，上世紀(jì)90年代。用的手段是一樣的，主要用高功率的激光束或者是高功率的電子束對(duì)粉末絲材進(jìn)行熔化，往上堆積，應(yīng)該說(shuō)這是它的一個(gè)主要方法。到現(xiàn)在為止，可能大家見到的都是做小的居多，做大的難度還會(huì)非常大，后面我還會(huì)講講個(gè)人觀點(diǎn)，這可能是增材制造發(fā)展的方向，也是一個(gè)難點(diǎn)。 這是國(guó)外做的一些情況，關(guān)于在金屬零件這塊做得很多，要做到這個(gè)程度難度非常大，這個(gè)也可以看出來(lái)，表面并不是能達(dá)到真正的精度。像這個(gè)雖然說(shuō)表面很光，但是離傳統(tǒng)的加工還有很大的差別。這是密歇根大學(xué)做的梯度材料，這是熱縮冷展的結(jié)構(gòu)，這是所謂空心的結(jié)構(gòu)。
下面我就講一下我認(rèn)為真正的方向，就是高性能難加工的金屬大型復(fù)雜構(gòu)建激光直接制造，我覺得這可能也是一個(gè)方向。這個(gè)方向剛才講了，就是用高功率的激光或者是高功率的電子束對(duì)材料進(jìn)行熔化，展現(xiàn)出一個(gè)毛坯。當(dāng)然，它有很多優(yōu)勢(shì)，從典型的數(shù)字化技術(shù)得到一個(gè)成型的零件，而這些零件用傳統(tǒng)的方法做很困難，例如這么一個(gè)零件，用傳統(tǒng)方法做，從鑄錠到制坯到模具非常困難。用增材制造方法做有很多好處，組織很細(xì)，力學(xué)性能很好，可以實(shí)現(xiàn)多材料去做。制造技術(shù)上有很多優(yōu)勢(shì)，不再需要模具、不再需要工裝等等，有很多優(yōu)點(diǎn)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，我覺得確實(shí)是一種數(shù)字化的帶有變革性的，短流程、低成本的數(shù)字化制造技術(shù)。這種技術(shù)是一個(gè)發(fā)展方向，我覺得它也是增材制造的發(fā)展方向。到現(xiàn)在為止像鈦合金這種技術(shù)還沒有取得突破，難在哪個(gè)？熱應(yīng)力太大，凝固會(huì)收縮，體積收縮就帶來(lái)非常大的應(yīng)力。最終結(jié)果就是熱應(yīng)力太大，要做大零件就非常困難。
　　第二個(gè)難題是冶金過(guò)程復(fù)雜，焊接過(guò)程是很難控制的過(guò)程，所以帶來(lái)的結(jié)果是力學(xué)性能不行，性能不行的結(jié)果就是關(guān)鍵構(gòu)建沒辦法用。這是美國(guó)人做的結(jié)果，激光成型在鍛壓，疲勞性會(huì)差一些，2002年大概做過(guò)試驗(yàn)，現(xiàn)在就不再做了。我認(rèn)為一個(gè)是變形、一個(gè)性能、一個(gè)是裝備，還有一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)，這是非常重要的。這是美國(guó)的增材學(xué)會(huì)主辦的增材制造的研討會(huì)，我們看它的主題激光修復(fù)，只能做小的，國(guó)際上的方向是做表面工程。
　　下面，我就簡(jiǎn)單說(shuō)一下我們大概是這樣，干了快20年，走出了實(shí)質(zhì)性的一步，包括從工藝到裝備到標(biāo)準(zhǔn)走出了第一步，現(xiàn)在在飛機(jī)上有所應(yīng)用。我們做出來(lái)了這樣的裝備我覺得是非常大的，可能有7、8米，尺寸做到4×3×2米的尺寸，我們具備這種能力，然后就是標(biāo)準(zhǔn)，我覺得這是非常重要的，經(jīng)過(guò)20年，大概積累下一個(gè)初步的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用我們大概也很慶幸，就是C919的機(jī)頭的主風(fēng)擋窗框就是這樣一個(gè)情況，四個(gè)框，一個(gè)框50萬(wàn)，200萬(wàn)元的模具，我們采用了這個(gè)技術(shù)，大概不到55天，做出來(lái)四個(gè)框，成本就不用說(shuō)了，太低了。2010年還出了這么一段，這是機(jī)翼和機(jī)身連接的部位，這邊是一個(gè)翅膀，這是機(jī)身，大家看一下這個(gè)是非常大的，這是前面的零件、后面的零件，四個(gè)零件是采用激光去做，激光做有很多的優(yōu)勢(shì)。這邊是采用鍛件、這邊是采用增材制造，確實(shí)它的優(yōu)勢(shì)太明顯了，鍛件可能是1600公斤，激光是1300公斤，我們已具備這種能力做出這么大的鈦合金構(gòu)建，恐怕這是其他方面做不出來(lái)的。
　　下面就簡(jiǎn)單說(shuō)一下增材制造的個(gè)人觀點(diǎn)，就是它前景的一個(gè)評(píng)價(jià)，我認(rèn)為這種技術(shù)確實(shí)帶有一種變革性的，短流程、低成本、數(shù)字化，高性能的制備構(gòu)建制造一體化的技術(shù)。對(duì)構(gòu)建的制造是重要的，尤其是這種技術(shù)一部分高性能難加工構(gòu)建技術(shù)的革命。 我覺得它的潛力應(yīng)該是很大的，我用的詞不合適，我覺得它是一匹千里馬，增材制造和傳統(tǒng)制造的關(guān)系下面可以討論，就像昨天耿總說(shuō)的一句話，沒有合作，沒有競(jìng)爭(zhēng)，增材制造和傳統(tǒng)制造也是一樣，每一種技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)，并不是取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，但是有很多確實(shí)趨勢(shì)很有用武之地。根據(jù)顏教授說(shuō)到2010年增材制造的產(chǎn)值大概十幾億美元，國(guó)內(nèi)兩個(gè)億，間接說(shuō)明它的作用有待發(fā)揮�，F(xiàn)在更多的說(shuō)到第三次工業(yè)革命，我覺得第一，它絕不是劃等號(hào)，至多是作為第三次工業(yè)革命的元素或者是組成部分，其實(shí)第三次工業(yè)革命已經(jīng)在發(fā)生，我覺得增材制造需要提前、需要?jiǎng)?chuàng)新，也需要理性。 這是最后調(diào)侃一下，可能以后飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)也就是這樣做出來(lái)的，也許這就是所謂的第三次工業(yè)革命當(dāng)中的一個(gè)符號(hào)。
來(lái)源：制造業(yè)經(jīng)理人