我國3D打印行現(xiàn)狀分析(一)
國內(nèi)3D打印行業(yè)現(xiàn)狀分析
我國在3D打印的消費級和工業(yè)級領(lǐng)域起步很晚，在技術(shù)和應(yīng)用方面與美國差距明顯。
3D打印是一個跨行業(yè)的產(chǎn)業(yè)，需要CNC技術(shù)——computer numerial control數(shù)控機床技術(shù)和材料科技的共同進步和發(fā)展，但是我國本身在這兩個領(lǐng)域和歐美發(fā)達國家相比就是落后的，當跨行業(yè)的時候，更是舉步維艱。嚴格的說，在工業(yè)級3D打印機領(lǐng)域我國目前還沒有一個企業(yè)可以生產(chǎn)商業(yè)化的產(chǎn)品，在整個行業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的積累已經(jīng)比歐美先進企業(yè)落后了20年。
目前國內(nèi)有一些從事3D打印機生產(chǎn)的中小企業(yè)，大致可分為三類：一是過去為國外相關(guān)企業(yè)提供配套產(chǎn)品，如今轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)研發(fā)工作，能夠制造簡單的3D打印設(shè)備和耗材，其產(chǎn)品都是消費級的低端普及型產(chǎn)品，靠中國特色的低成本在國外市場生存；二是成為國外3D打印設(shè)備的代理商，經(jīng)銷打印設(shè)備、成型軟件和特種材料；三是專注于應(yīng)用領(lǐng)域，購買了國內(nèi)外各類3D打印設(shè)備，專門為相關(guān)企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)提供服務(wù)。
2012年，工信部副部長蘇波宣布 “將進一步推動3D打印產(chǎn)業(yè)化，并制定3D打印路線圖與中長期發(fā)展策略，準備在四川成都建立3D打印技術(shù)園區(qū)，投資規(guī)模約5億元，再投資2億元，成立3D打印技術(shù)協(xié)會。”
我國在高端3D打印的技術(shù)開發(fā)和積累居于世界領(lǐng)先地位
為什么我國在消費級和工業(yè)級3D打印機產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域如此落后的情況下，在高端3D打印領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位呢？
實際上，我國的高端3D打印在產(chǎn)業(yè)化的道路上也是遠遠落后與西方的，但是在不計成本的個別定制和開發(fā)方面，我國已經(jīng)掌握世界上鈦金屬粉末SLS的核心技術(shù)，同時解決了鈦金屬SLS致密度和強度的問題，可以打印出來世界上最大體積的鈦金屬結(jié)構(gòu)件。
鈦是一種密度只有鋼鐵的一半，強度卻遠勝于絕大多數(shù)合金的材料，被廣泛用于航天航空業(yè)。美國是最早開發(fā)鈦合金3D打印技術(shù)的國家。1985年，美國就在國防部的主導下秘密開始了鈦合金激光成形技術(shù)的研究，并在1992年公之于眾。隨后美國繼續(xù)研發(fā)這一技術(shù)，并在2002年將激光成形的鈦合金零件裝上戰(zhàn)機試驗。
然而，因為在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術(shù)難題無法解決，美國始終無法生產(chǎn)高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業(yè)務(wù)的商業(yè)公司Aeromet由于始終無法生產(chǎn)出性能滿足主承力要求的大尺寸復雜鈦合金構(gòu)件，沒有實現(xiàn)有價值的市場應(yīng)用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，目前只能進行小尺寸鈦合金部件的打印和鈦合金零件表面修復。
我國的鈦合金激光成形技術(shù)起步較晚，直到1995年在美國解密其研發(fā)計劃3年后中國才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學習，在全國多所大學和研究所設(shè)立實驗室進行研究。
在國家特別是軍方資金的持續(xù)支持下，經(jīng)過數(shù)年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護系統(tǒng)”、“熱應(yīng)力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術(shù)難題，我們已經(jīng)有能力生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復雜、尺寸達到4m量級、性能滿足主承力結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品，已經(jīng)可以滿足航天航空的直接制造的要求。
2013年1月18日，國務(wù)院向北京航空航天大學教授王華明為帶頭人的團隊——“飛機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”頒發(fā)國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。目前，這一技術(shù)在我國已經(jīng)投入工業(yè)化制造，使我國成為繼美國之后、世界上第二個掌握飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形及技術(shù)的國家。
更加令人欣喜的是，在性能上，根據(jù)公開的材料表明，我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)優(yōu)于美國的激光成形鈦合金構(gòu)件。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造且付諸實用的國家。
我國高端鈦金屬SLS技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域
在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國航空研制的一項獨特優(yōu)勢。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進戰(zhàn)機上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過20%。
傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無法加工成精細的形狀，美國F-22戰(zhàn)機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。鍛造切削雖然精度較好，但是零件制造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制：3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無法制造復雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。
激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術(shù)，它節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當于材料成本1~2倍的加工費用現(xiàn)在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D燒結(jié)快速成型技術(shù)的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝的5%。
更重要的是，許多復雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)建可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術(shù)制造，在強度相當?shù)那闆r下，重量最多可以減少40%。
目前，我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造并且裝機工程應(yīng)用的國家。
圖 中國鈦合金3D打印機制造的大型承力零件
在中航成飛和沈飛的下一代戰(zhàn)斗機的設(shè)計研發(fā)中，激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛運用。通過這一技術(shù)，正在研制的兩種第五代戰(zhàn)斗機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu)，成功降低了飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機的推重比；依托激光鈦合金成形造價低、速度快的特點，沈飛在一年之內(nèi)連續(xù)組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰(zhàn)斗機并且進行試飛。
民用航空制造業(yè)也開始應(yīng)用這一技術(shù)。目前，在西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室下設(shè)的激光制造工程中心，通過立體光固化成型技術(shù)為將于2014年投產(chǎn)，并在2016年投入運營的國產(chǎn)客機C919制造了鈦合金翼梁，長度超過5米。
除了制造外，這些部件在出現(xiàn)問題后，也將可以使用同樣的技術(shù)進行修復，而無需重新制造，這將可以節(jié)省大量用于更換受損部件的費用。
憑借激光鈦合金成形技術(shù)，中國在航空材料科學領(lǐng)域第一次走在了世界先進水平的前列，并為中國航空工業(yè)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。
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