3D打?。焊淖兒娇展I(yè)的制造新技術(shù)

引言

英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志2012年制作專題論述了當(dāng)今全球范圍內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域正在經(jīng)歷的第三次革命，認(rèn)為這次革命是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)和新材料、新能源相結(jié)合的工業(yè)革命，它以“制造業(yè)數(shù)字化”為核心，并將使全球技術(shù)要素和市場(chǎng)要素配置方式發(fā)生革命性變化。新材料、新工藝、新機(jī)器人、新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造服務(wù)，生產(chǎn)會(huì)更加經(jīng)濟(jì)、高效、靈活、精簡(jiǎn)。3D打印技術(shù)作為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，被認(rèn)為是推動(dòng)新一輪工業(yè)革命的重要契機(jī)，已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注。3D打印技術(shù)作為具有前沿性、先導(dǎo)性的新興技術(shù)，正在使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革。3D打印技術(shù)將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在制造業(yè)掀起一場(chǎng)革命，它最適合應(yīng)用于多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價(jià)值量高的結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，因此有望在航空制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

3D打印技術(shù)（3D Printing）是快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping Manufacturing）的一種，也叫做增材制造（ Additive Manufacturing）?；驹硎前岩粋€(gè)通過設(shè)計(jì)或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標(biāo)軸切成無限多個(gè)剖面，然后一層一層打印出來并按原來的位置堆積到一起，形成一個(gè)實(shí)體的立體模型。3D打印技術(shù)使用的方法有很多種，表1給出了美國(guó)科技政策研究所對(duì)3D打印技術(shù)按過程、主要廠商、所用材料和典型市場(chǎng)進(jìn)行的分類。

國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

世界主要國(guó)家競(jìng)相從戰(zhàn)略高度重視發(fā)展3D打印

3D打印技術(shù)的歷史由來已久。1986年，美國(guó)3D System公司推出了第一款工業(yè)化的“3D打印”設(shè)備，1990年開始銷售，短短幾年中，形成了巨大的市場(chǎng)。近年來，美國(guó)以企業(yè)和大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)等半政府半民間的組織為主導(dǎo)力量，明顯加大加快了對(duì)3D打印技術(shù)研發(fā)的組織力度。2009年，以美國(guó)相關(guān)大學(xué)為主的“增材制造路線（RAM）研討會(huì)”就未來5～10年的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了廣泛的討論，并發(fā)表了較有影響的路線圖研討報(bào)告。根據(jù)這一報(bào)告的建議，由愛迪生焊接研究所（EWI）牽頭于2010年成立“增材制造共同體AMC（Additive Manufacturing Consortium）”，試圖將相關(guān)的制造商與供應(yīng)商同大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一個(gè)互動(dòng)良性促進(jìn)發(fā)展的生態(tài)組織，共同解決3D打印技術(shù)中還存在著的大量問題。AMC目前已有30余家企業(yè)、研究所、大學(xué)、軍方和政府等機(jī)構(gòu)成員，以金屬材料的增材制造技術(shù)為主，每季度活動(dòng)一次。目前，AMC整合EWI及其成員的設(shè)備、技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，初步構(gòu)成了一個(gè)分布式、網(wǎng)絡(luò)化的增材制造“國(guó)家實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中心NTBC（National Test Bed Center）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印增材制造技術(shù)的成熟度，促進(jìn)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)投資，在全美范圍內(nèi)將這一新興的制造方式早日轉(zhuǎn)化為主流的制造方式。自2011年起，AMC每年都向其會(huì)員發(fā)布增材制造的現(xiàn)狀報(bào)告。此外，近3年來美國(guó)政府、軍方及企業(yè)還多次組織3D打印技術(shù)的有獎(jiǎng)挑戰(zhàn)大賽，希望以此加速相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和普及。

盡管美國(guó)在3D打印的整體技術(shù)上領(lǐng)先全球，但在基礎(chǔ)研究設(shè)施、研發(fā)組織和政府支持上，歐盟明顯領(lǐng)先。首先，歐盟在政府研發(fā)方面的投入要大于美國(guó)（不計(jì)不公開的國(guó)防軍事投入），著名的大型合作項(xiàng)目包括英國(guó)的增材制造創(chuàng)新中心、歐盟第六框架項(xiàng)目大航空航天組件快速生產(chǎn)Rapolac（Rapid Production of Large Aerospace Components），全程專注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition）技術(shù)等。其次，歐洲工業(yè)界也主動(dòng)組織形成3D打印產(chǎn)業(yè)群，開發(fā)增材制造的市場(chǎng)。一度形成原始創(chuàng)新技術(shù)源于美國(guó)，但其后的研發(fā)和應(yīng)用及商業(yè)化卻是由歐盟等國(guó)家完成的局面。此外其他一些國(guó)家也都競(jìng)相從國(guó)家戰(zhàn)略高度重視發(fā)展增材制造業(yè)，澳大利亞近期制定了金屬堆積制造路線，南非正在扶持基于激光的大型堆積制造機(jī)器的開發(fā)，日本也在著力推動(dòng)堆積制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。

3D打印行業(yè)處于迅速兼并與整合過程中，專利成為競(jìng)爭(zhēng)的重要武器

2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模為17億美元。目前，快速成型技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用份額如圖1所示，其中航空航天約占8%。目前，全球有兩家3D打印機(jī)制造巨頭，分別為3D System 和Stratasys，均在美國(guó)上市，2011年?duì)I業(yè)收入分別為2.3億美元和1.6億美元。3D Systems公司自2009以來已連續(xù)收購(gòu)了25家公司，并于2011年11月收購(gòu)了3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，一舉奠定了在3D打印領(lǐng)域的龍頭地位。Stratasys公司繼2011年5月收購(gòu)Solidscape公司之后，又于2012年4月與以色列著名3D打印系統(tǒng)提供商Objet宣布合并。當(dāng)前，國(guó)際3D打印行業(yè)正處于迅速兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。

3D打印行業(yè)巨頭積極展開收購(gòu)行動(dòng)，在擴(kuò)大公司規(guī)模的同時(shí)也吸收了大量的相關(guān)專利，并以此專利優(yōu)勢(shì)，在專利上限制對(duì)手的發(fā)展。目前全球擁有3D打印專利前5名的公司見圖2、表2。

從2005年開始，3D Systems利用自己的專利優(yōu)勢(shì)成功狙擊了納博特斯克的7項(xiàng)專利申請(qǐng)。2012年底，3D Systems又控告Formlabs公司推出的初級(jí)3D打印機(jī)涉嫌侵犯其專利技術(shù)。

我國(guó)3D打印的技術(shù)水平基本與國(guó)際同步，但在產(chǎn)業(yè)化方面嚴(yán)重落后

20世紀(jì)90年代初，我國(guó)開始推進(jìn)增材制造設(shè)備，即3D打印機(jī)的研發(fā)，在快速成型技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。我國(guó)的華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京隆源公司、中航重機(jī)激光和南京航空航天大學(xué)等單位，于上世紀(jì)90 年代初率先開發(fā)快速成型設(shè)備，以及進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究、開發(fā)、推廣和應(yīng)用。其中，清華大學(xué)成功開發(fā)了無木模鑄造工藝 （Patternless Casting Manufacturing），即采用逐點(diǎn)噴灑粘結(jié)劑和催化劑的方法來實(shí)現(xiàn)鑄造沙粒間的粘結(jié)。華中科技大學(xué)研發(fā)出世界最大激光快速制造裝備，使得我國(guó)在快速制造領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。西安交通大學(xué)研制出了激光快速成型設(shè)備LPS、SPS 系列成型機(jī)，并成功推向國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。在國(guó)家科技部領(lǐng)導(dǎo)和組織下先后成立了近10家旨在推廣應(yīng)用快速成型技術(shù)的“快速原型制造技術(shù)生產(chǎn)力促進(jìn)中心”，863/CIMS 主題專家組還將快速成形技術(shù)納入目標(biāo)產(chǎn)品發(fā)展項(xiàng)目。可以說我國(guó)在典型的快速成形設(shè)備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進(jìn)展，我國(guó)快速成形技術(shù)的研究工作基本與國(guó)際同步。但在快速成形技術(shù)新設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用方面我國(guó)則落后于國(guó)外。國(guó)外快速成形技術(shù)在航空領(lǐng)域有超過8%的應(yīng)用量，而我國(guó)在這方面的應(yīng)用量則非常低。據(jù)估計(jì)，3D打印設(shè)備在我國(guó)企業(yè)級(jí)裝機(jī)量在400臺(tái)左右，2010年以來年增速均為70%左右，市場(chǎng)規(guī)模超過1億元。

3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況

歐美已將3D打印技術(shù)視為提升航空航天領(lǐng)域水平的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在3類：1）外形驗(yàn)證，整機(jī)和零部件外形評(píng)估和測(cè)試、驗(yàn)證；2） 直接產(chǎn)品制造，例如無人機(jī)的機(jī)翼、云臺(tái)、油箱、保護(hù)罩等，美國(guó)一些大飛機(jī)中也有多個(gè)零部件采用3D打印直接制造；3） 精密熔模鑄造的原型制造，采用精密澆鑄工藝來制作部件前的原型等。

國(guó)外應(yīng)用情況

波音公司已經(jīng)利用3D打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件，包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的形狀復(fù)雜導(dǎo)管。目前波音公司和霍尼韋爾正在研究利用3D打印技術(shù)打印出機(jī)翼等更大型的產(chǎn)品。

空客在A380客艙里使用3D打印的行李架，“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)中也使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng)?？湛凸咀罱岢觥巴该黠w機(jī)概念”計(jì)劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機(jī)的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在2050年左右用3D打印機(jī)打印出整架飛機(jī)?！案拍铒w機(jī)”本身有許多令人眼花繚亂的復(fù)雜系統(tǒng)，比如仿生的彎曲機(jī)身，能讓乘客看到周圍藍(lán)天白云的透明機(jī)殼等，傳統(tǒng)制造手段難以使用，3D打印或許是一條捷徑。

GE航空2012年11月20日收購(gòu)了一家名為Morris Technologies的3D打印企業(yè)，計(jì)劃利用后者3D打印技術(shù)打印LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)組件。GE把這次收購(gòu)看作是對(duì)新制造技術(shù)的投資，認(rèn)為具備處理新興材料與復(fù)雜設(shè)計(jì)的工藝制造開發(fā)能力，對(duì)GE的未來至關(guān)重要。

美國(guó)空軍對(duì)3D打印也報(bào)以厚望，近日與3D Systems簽約，投資29.5億美元用于其開發(fā)打印F-35戰(zhàn)機(jī)部件和其他武器系統(tǒng)的3D打印系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

中航重機(jī)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)早在2000年前后，就已經(jīng)開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)。目前，中航重機(jī)激光產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于我國(guó)多款新型飛機(jī)上，并起到關(guān)鍵作用。除了軍用飛機(jī)，中航重機(jī)激光還在開拓世界最先進(jìn)四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)最核心技術(shù)之一——整體葉盤應(yīng)用市場(chǎng)，以及大型水面水下艦艇市場(chǎng)。

北航同我國(guó)主要飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位“產(chǎn)學(xué)研”緊密合作，瞄準(zhǔn)大型飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng)17年研究在國(guó)際上首次全面突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，并已在飛機(jī)大型構(gòu)件生產(chǎn)中研發(fā)出五代、10余型裝備系統(tǒng)，已經(jīng)受近十年的工程實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，使我國(guó)成為迄今世界上唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。2013年1月18日，王華明聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi){“3D激光快速成型技術(shù)”獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。3D打印對(duì)生產(chǎn)方式的變革

相比較傳統(tǒng)制造業(yè)，3D打印在制造模式、流程、供應(yīng)鏈等方面發(fā)生巨大變化。1）定制成為新標(biāo)準(zhǔn)。制造模式上，過去是生產(chǎn)線規(guī)?；a(chǎn)，今后則可能更多的是數(shù)字化、個(gè)性化、分散化的定制生產(chǎn)，不再需要庫存大量零部件，也不需要大量生產(chǎn)。2）縮短上市時(shí)間。3D打印無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期。3）更優(yōu)越的產(chǎn)品性能。3D打印的產(chǎn)品是自然無縫連接，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要高于焊接等傳統(tǒng)方法。4）開放式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。3D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)者與消費(fèi)者之間可以通過互動(dòng)改進(jìn)產(chǎn)品，這個(gè)互動(dòng)是雙向的，消費(fèi)者也可以自己設(shè)計(jì)產(chǎn)品。5）改變離岸經(jīng)濟(jì)模式。3D打印對(duì)產(chǎn)品供應(yīng)鏈有重大影響，選擇生產(chǎn)地時(shí)，勞動(dòng)力成本不再那么重要，而是考慮如何接近消費(fèi)者，傳統(tǒng)過程的供應(yīng)鏈就變得短了，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟(jì)模式得以改變。

3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景

對(duì)于3D打印未來的發(fā)展前景，業(yè)界普遍看好。作為全國(guó)工業(yè)的主管部門，工信部準(zhǔn)備組織研究制訂3D打印技術(shù)路線圖、中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)完善3D打印技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制定，研究制定支持3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項(xiàng)財(cái)稅政策。據(jù)報(bào)道科技部的3D打印相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃也正在研究制定中，近期即將公布。高德納（ Gartner ）公司2012年的新興技術(shù)炒作周期報(bào)告判斷：3D打印技術(shù)目前正在進(jìn)入概念炒作的高峰階段，在5～10年的時(shí)間內(nèi)將迎來發(fā)展高峰（見圖3）。

據(jù)Wohlers Associates報(bào)告分析，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增速。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模為17億美元，到2016年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到31億美元，2020年將達(dá)到52億美元，其中零部件制造將占80%。而對(duì)于快速成型應(yīng)用領(lǐng)域，則市場(chǎng)更為廣闊。2012年，全世界快速成型制造的產(chǎn)值估計(jì)為230億美元，2015年產(chǎn)值將會(huì)達(dá)到350億美元。

不過3D打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著一些瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡如人意，打印效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對(duì)的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。

3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)

隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢(shì)。

提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)；3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡(jiǎn)便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造。

航空制造業(yè)整合3D打印技術(shù)的建議

我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，3D打印技術(shù)對(duì)中國(guó)諸多企業(yè)將是顛覆性的變革。我國(guó)航空制造業(yè)必須未雨綢繆，積極為迎接此技術(shù)革命做好準(zhǔn)備。

（1）推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高產(chǎn)業(yè)化程度。

（2）改變產(chǎn)品，如研發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字版及3D打印所需相應(yīng)的硬軟件。

（3）改變制造過程和方法，將現(xiàn)有制造系統(tǒng)智能化自動(dòng)化，引入3D制造系統(tǒng)，形成復(fù)合體系。增材制造和減材制造相輔相成，復(fù)合制造體系在今后將成為主流。

（4）改變商業(yè)模式。這一次新工業(yè)革命要求完全不同的價(jià)值獲取與盈利模式，及相關(guān)的流程設(shè)計(jì)，資源配置和組織機(jī)構(gòu)的形式。

（5）提前專利布局，在發(fā)展初期就要將目光放長(zhǎng)遠(yuǎn)，不能滿足于現(xiàn)有已經(jīng)被國(guó)外企業(yè)掌握的核心技術(shù)，而是要更多的走自己的專利之路，努力發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)，搶占技術(shù)先機(jī)，積極進(jìn)行合理的專利布局，包括國(guó)際市場(chǎng)專利布局，同時(shí)擺脫對(duì)國(guó)外3D打印耗材的依賴，避免陷入不必要的專利泥潭，爭(zhēng)取在未來的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。

（5）GE收購(gòu)3D打印企業(yè)，某種程度上給航空企業(yè)提供了借鑒：通過一些資本化運(yùn)作手段，兼并收購(gòu)一些具有核心技術(shù)的3D打印企業(yè)，以核心制造能力為重點(diǎn)，打造航空企業(yè)自身的價(jià)值元寶曲線，或許是在這次工業(yè)革命中實(shí)現(xiàn)快速趕超的有效途徑。

（作者單位系中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心）

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