世界上首款完全使用3D打印技術制造的汽車Urbee 2亮相

　　2013年11月18日，世界上首款完全使用3D打印技術制造的汽車Urbee 2亮相。目前3D打印在制造業(yè)的應用，主要在重工業(yè)領域。

　　在電視媒體的報道中，3D打印似乎簡化成了一臺臺可以放在桌面上的打印機，它們以塑料為材質，打出各種小模型、小玩具。其實，3D打印目前真正直接用于制造業(yè)的，是遠離日常生活的重工業(yè)領域，比如航空航天、核電設備等。

　　2013年12月3日，在上海舉行的“3D打印技術與未來”高峰論壇上，有中國3D打印之父之稱的中國工程院院士盧秉恒稱，3D打印作為科技專項，其重點突破的領域應該是航空航天產品高效研制、醫(yī)學組織器官定制化制造，以及汽車、微納器件。而這里面，航空航天又為重中之重。

　　盧秉恒透露，上述建議作為中國增材制造(即俗稱的“3D打印”)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，已經(jīng)由中國科學院院士路甬祥及中國工程院院長周濟領銜制定，并提交給了高層領導。

　　目前，中國在將3D打印技術運用于航空航天領域上走在了全球的前列。

　　“百分之八九十的企業(yè)會死掉”

　　3D打印，其實就是增材制造。目前關于其定義形形色色。清華大學機械工程系教授、先進成形制造教育部重點實驗室副主任林峰給出的解釋是：如果是傳統(tǒng)的加工方式，是通過增加制造工具和機床的加工維數(shù)，從最早的三軸聯(lián)動、四軸聯(lián)動到五軸聯(lián)動，聯(lián)動的軸數(shù)越來越多，以應對零件復雜程度的越來越提高。這是一種增維制造的方法。而三維打印是一種降維制造過程，它把三維零件結構的加工過程先離散成一系列二維的片層，然后堆疊起來，最后完成三維結構成型。它把零件的復雜程度簡化了。所以降維制造或是分層制造，是它最明顯的特點。

　　“離散-堆積原理是三維打印的基本原理?！绷址逭f。

　　離散的過程把三維的零件沿一個方向切成一片一片，就像微積分中的“微分”過程。在每一個片層里面，可以進一步離散，變成一條條線段。每條線段中又可以進一步離散，變成一個個點。最后把它連起來形成一種低維的型體，點線面。這是在計算機中處理的數(shù)據(jù)過程。然后在設備的物理環(huán)境中再把這些點線面疊在一起，形成三維的實體零件，這是一個堆積的過程。離散和堆積兩個環(huán)節(jié)在三維打印里缺一不可。像蓋房子，就是一個堆積的過程，但是不把它稱為三維打印，因為它不在計算機離散數(shù)據(jù)的控制下，而是在人為操作下運行。

　　目前，國內凡是掛上3D打印招牌的，都會迎來資本市場的熱炒。對此，卓越集團董事長、軟銀賽富投資合伙人陸豪提出了冷思考：互聯(lián)網(wǎng)時代早期，只要觸網(wǎng)的都會拉升，現(xiàn)在的3D打印也是，百分之八九十會死掉，剩下百分之二三十才是真正做到有應用方案和收益的。

　　在陸豪看來，只有找到了真正適合3D打印特征的應用，才能具備價值。

　　而重工、醫(yī)療以及建筑等，是最有可能的。

　　主力應用航空制造

　　北京航空航天大學材料學院材料加工工程系主任、材料加工工程學科責任教授王華明，是3D打印航空科技領域的引領者。其帶領的團隊在國際上首次突破了飛機鈦合金等大型主承力構件激光成形工藝、裝備和應用關鍵技術。

　　在3日的論壇上，王華明就航空與3D打印結合，舉了中國C919大型客機的例子。該機型的機頭駕駛室的主風擋窗框，就運用了他們的激光3D打印技術。“商飛如果從國外訂貨，周期至少兩年，僅模具費用就需要1300萬元人民幣。當時工期還剩55天，商飛找到我們，時間很緊，但我們還是完成了，而成本僅為120萬元?！?/p>

　　憑借“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”，王華明今年獲得了國家技術發(fā)明一等獎。今年9月，中共中央政治局就創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，來到中關村集體調研學習，其第一站便是3D打印，作為領軍人物，王華明向中共中央總書記習近平作了15分鐘的匯報。

　　航空制造之所以與鈦合金有著不解之緣，是因為鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、耐蝕性及高溫力學性能好等突出特點。其在航空裝備中用量越來越大，而且主要被用作各種機身加強框、梁、接頭等飛機大型關鍵主承力結構件。

　　可查資料顯示，波音公司和空客公司研制的新一代民用客機(787、380)中，鈦合金用量已由第三代(747、300)的不到4%上升到9%以上，第三代殲擊機中鈦合金結構件用量由F-16的約3%增加到了F18、蘇-27的15%以上，而第四代殲擊機F-22中鈦合金結構件用量已占機身結構總重量的41%。大型整體鈦合金結構件用量的高低，已成為衡量飛機等國防裝備技術先進性的重要標志之一。

　　但是，由于受鈦合金本性的影響，采用“鍛造+機械加工”等傳統(tǒng)技術制造這些大型復雜鈦合金關鍵結構件，不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬噸級以上重型液壓鍛造工業(yè)裝備，而且制造工序繁多、工藝復雜，需要大型鈦合金鑄錠真空熔鑄、大規(guī)格鍛坯制備、大型鍛造模具加工等，零件機械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5%～10%)、數(shù)控加工時間長、制造成本高、生產周期長。

　　而高性能金屬結構件激光熔化沉積“近凈成形”制造技術，利用快速原型制造的基本原理，以金屬粉末(或絲材)為原材料，通過高能激光束對金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型復雜金屬零件的“近終成形”制造，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化、短周期、低成本、先進“近凈成形”制造新技術，在航空、航天等國防裝備研制與生產中具有廣闊的應用前景。

　　“根據(jù)其結構設計、材料制備、構件制造一體化的特點，3D打印對于設計復雜、超復雜的大型乃至超大型結構，有著低成本、短流程、快速數(shù)字制造的特點。”王華明稱，“有了3D打印后，一些超大超復雜的產品制造就成為了可能，這便解放了設計師，使他們可以大膽設計?！?/p>

　　改變核電主管道制作工藝

　　在王華明看來，3D打印是制造技術大家庭的一名新成員，不會顛覆或取代傳統(tǒng)制造技術，“但作為一種變革性的制造新技術，其發(fā)展?jié)摿薮??！?/p>

　　至于其適用的領域，王華明總結為“貴而難加工的材料，以及大而復雜的高性能整體構件”。

　　清華大學教授、中國3D打印技術產業(yè)聯(lián)盟首席顧問顏永年對此表示認同。顏永年認為，3D打印在核電制造上大有可為，“核電的主管道一般重8-10噸，造價在1500萬元左右，進口的可能還要達到2500萬元。對核電主管道來說，平均一噸的造價就是150萬元。這是全球所有鍛件中最貴的。而這種鍛件，就值得用3D打印來做?！?/p>

　　核電的主管道可謂是龐然大物，以AP1000為例，其內徑有700mm，外徑有1200mm。其功能又相當于人心臟的冠狀動脈，是核心中的核心。

　　隨著新的核電安全要求越來越高，比如現(xiàn)在AP1000的核電管道要求一體化成型，禁止空間曲線焊縫，整個核電制造業(yè)面臨著越來越大的壓力。用已有工藝，上海電氣集團做AP1000的主管道，鍛造單根的流程需要一年時間，而且材料浪費大。

　　比如為了制造AP1000的堆芯段，鍛件重量是99噸，但需要的鋼錠是300噸。又比如AP1000的底封頭，鍛件重量是18噸，但鋼錠重量要達到114噸。

　　顏永年稱，采用融合了3D打印技術的A-DM技術后，制作核電主管道模具費用可以節(jié)省四分之三，材料利用率從5%～15%提高到85%～90%，生產周期縮短三分之二，能源節(jié)省60%，大大提高高端鍛件的可靠性、一致性和精度。

　　A-DM法，即利用粉末作為原料，采用3D打印的LCD成形方法，直接獲得無偏析、變形合理、極小余量接近凈成形坯件，以替代鋼錠開坯和預鍛。通過垂直分模擠壓，獲得內部缺陷、強度、抗疲勞性能和晶粒度等均達到要求的AP-1000主管道。

　　顏永年透露，就這個技術，他和一重、二重、中廣核、國核技接觸了很多次。

　　不過，目前該技術中的基礎裝備12萬噸垂直壓機和7萬噸水平壓機還沒有做出來?！拔覀兊膲簷C計劃是在江蘇省做的，根據(jù)清華大學和江蘇省的協(xié)議，我們來到了昆山，現(xiàn)在我覺得江蘇吃不下這個項目，我覺得還是放到上海比較好?！?/p>

　　吸引顏永年的，還有自貿試驗區(qū)因素。“有了自貿試驗區(qū)之后，我們打算在這里辦一個窗口企業(yè)，而制造工廠則在自貿試驗區(qū)外的臨港地區(qū)?！鳖佊滥攴Q，“臨港這里非常好，有核電基地，有中船重工。中船重工需要很多容器，還有商飛、商發(fā)，它們也需要很多大鍛件。我們希望我們的土地就在商飛的后面。這里有高端鍛件的大量需求，而我們的技術又非常有效?！?/p>