增材制造“3D打印”發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展規(guī)劃

一、增材制造發(fā)展歷程

增材制造又稱“3D打印”，是以計算機三維設(shè)計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D 打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產(chǎn)，大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。

增材制造技術(shù)于20 世紀 80 年代末，實現(xiàn)了根本性發(fā)展。1986年，第一家3D公司成立，20世紀90年代，GE、波音增材起步，21世紀，空客增材起步。2009年—2012年，中國商飛增材起步。21 世紀開始，隨著工藝、材料和裝備的日益成熟，增材制造技術(shù)的應(yīng)用范圍由模型和原型制造進入產(chǎn)品快速制造階段，在航空航天等高端制造領(lǐng)域得到規(guī)模應(yīng)用。

二、增材制造技術(shù)優(yōu)勢

增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)的減材制造不一樣，通過計算機輔助三維設(shè)計后一層一層疊加制造。能滿足其重量輕、強度高、幾何復(fù)雜的要求

。其逐層制造的優(yōu)勢使極其復(fù)雜的互鎖零件無需組裝便可投入使用;其產(chǎn)品研發(fā)周期短且利于減小庫存;其易變和廣闊的創(chuàng)新設(shè)計空間使個性化需求設(shè)計門檻變低。

縮短制造周期：制造速度快，成形后的零件僅需少量后續(xù)機加工，可以顯著縮短零部件的生產(chǎn)周期，滿足快速響應(yīng)要求。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn) ：能輕松實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造，同時還能實現(xiàn)單一零件中材料成分的實時連續(xù)變化，使零部件的不同部位具有不同的成分和性能，是制造異質(zhì)材料的最佳工藝，大幅提升了設(shè)計和創(chuàng)新能力。

滿足輕量化需求，減少應(yīng)力集中，增加使用壽命 ：優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)經(jīng)變換重新設(shè)計成簡單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果。而且通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，能使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布，減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險，從而增加使用壽命。

提升零部件的性能 ：金屬增材制造技術(shù)能方便地加工高熔點、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工材料。金屬零件直接成形時的快速凝固特征可提高零件的機械性能和耐腐蝕性能。

具有較高的設(shè)計自由度：可以構(gòu)建出其它制造工藝所不能實現(xiàn)的形狀，可以從純粹考慮功能性的方面來設(shè)計部件，且無需考慮與制造相關(guān)的限制。

多品種、小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟性高：無需生產(chǎn)或裝配硬模具，且裝夾過程用時較短，因此不存在需要通過大批量生產(chǎn)才能抵消的典型的生產(chǎn)成本，提高材料利用率。

能減少裝配次數(shù)：通過增材制造所構(gòu)建的復(fù)雜形狀可以一體成形，能省去投入到裝配工序的工作量、需涉及的堅固件、釬焊或焊接工序，還節(jié)省了為裝配操作而添加的多余表面形狀和材料，大大提升了生產(chǎn)效率。

三、增材制造主要工藝

選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM)，以高能激光束為能量源，對切片分層后的零件模型進行逐層選擇性掃描、熔化、成形，最終成形復(fù)雜金屬零件。主要開展金屬SLM工藝研究與驗證，形成面向增材制造金屬零件的“材料-工藝-設(shè)計-測試-評價”的全流程工藝體系，解決傳統(tǒng)中小尺寸復(fù)雜金屬零件制造常見的設(shè)計保守、機加量大、難加工等問題，實現(xiàn)減重增效。

激光熔覆沉積（LMD）技術(shù)是一種基于送粉的激光增材制造技術(shù)，它的工藝特點是激光照射移動的同時，向掃描區(qū)域輸送粉末材料。針對傳統(tǒng)鈦、鋁、等金屬零件制造常見的機加量大、材料利用率低、設(shè)計驗證階段開模成本高、加工過量報廢等問題，開展金屬LMD工藝研究與驗證，減少材料和成本的浪費，實現(xiàn)零件成形，同時實現(xiàn)零件的修復(fù)和表面改性。

熔融沉積成型(FDM)技術(shù)的基本原理是將數(shù)模數(shù)據(jù)薄片化，先利用高溫將打印耗材液化，然后通過噴嘴擠壓出一個個微型液態(tài)顆粒，被擠出后迅速固化，相互形成一條線，打印頭來回運動形成平面，層層堆積最終完成打印零件。

選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)采用激光器作能源，將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點的溫度，將粉末鋪平于工作臺，激光束在計算機控制下根據(jù)分層截面信息進行有選擇地?zé)Y(jié)，層層燒結(jié)成形零件。

四、航空領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃斓男枨?/p>

創(chuàng)新設(shè)計需求：采用增量制造技術(shù)，可擺脫二維制造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進行設(shè)計與生產(chǎn)，大大簡化設(shè)計流程，從而促進產(chǎn)品的技術(shù)更新與性能優(yōu)化。3D打印技術(shù)正在改變我們的設(shè)計思維，其在設(shè)計自主性和環(huán)保方面的優(yōu)勢，使其在飛機制造業(yè)中的地位日益重要。對于3D打印技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域，已經(jīng)不再是局限于是便宜還是快的討論層面，而是研究整體性能和經(jīng)濟效益的提升所帶來競爭力的提升。

快速制造需求：采用增量制造技術(shù)，可擺脫二維制造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進行設(shè)計與生產(chǎn)，大大簡化設(shè)計流程，從而促進產(chǎn)品的技術(shù)更新與性能優(yōu)化。3D打印技術(shù)正在改變我們的設(shè)計思維，其在設(shè)計自主性和環(huán)保方面的優(yōu)勢，使其在飛機制造業(yè)中的地位日益重要。對于3D打印技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域，已經(jīng)不再是局限于是便宜還是快的討論層面，而是研究整體性能和經(jīng)濟效益的提升所帶來競爭力的提升。

快速設(shè)計驗證需求：縮短設(shè)計周期。在工業(yè)設(shè)計階段，3D打印技術(shù)低成本快速成型的特點可彌補傳統(tǒng)工藝制作周期長，成本高的問題，設(shè)計師可以隨時打印出設(shè)計模型驗證設(shè)計效果。簡化加工過程。可直接加工出部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的非受力件或受力件、艙門裝飾件等，簡化加工過程。降低成本。3D打印加工過程中對材料的利用相對充分，可以顯著降低制造成本。3D打印所特有的增材制造技術(shù)則能很好的利用原材料，利用率高達90%。

五、中國商飛公司的發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃

中國商飛增材制造產(chǎn)品實踐始于2009年，通過LMD技術(shù)實現(xiàn)了C919櫞條和窗框的快速研制，并在C919翼身組合體上安裝，通過了靜力試驗。2012年起與飛而康合作開始SLM工藝的研發(fā)與典型件裝機認證工作，目前應(yīng)急和服務(wù)艙門37個件，其中29個件是取證構(gòu)型，正在認證中；2018年起開始在非金屬增材方面投入，目前主要集中在利用FDM和SLS工藝進行生產(chǎn)輔助應(yīng)用支持，包括ARJ21通風(fēng)窗裝飾罩和防冰排氣口堵蓋等；在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面，目前主要集中在于SLM的工藝協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，前期也做了鉸鏈臂的拓撲優(yōu)化設(shè)計并實現(xiàn)了打印驗證，通過多輪迭代零件從3.5kg減重到2.2kg，實現(xiàn)減重37%。

六、增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢

未來，增材制造技術(shù)將面向5 個“任何”持續(xù)發(fā)展。即任何領(lǐng)域，任何場所，任何材料，打印出任何形狀、任何數(shù)量的輕量化產(chǎn)品。例如，將太空“空間站”變?yōu)椤爸圃旃S”，通過運載火箭“快遞”原材料、增材制造設(shè)備和機器人到其他星球，首先實現(xiàn)增材制造設(shè)備的自我復(fù)制，同時實現(xiàn)基地的打印建造，為外星移民提供條件。

增材制造技術(shù)的應(yīng)用將推動高品質(zhì)鈦粉的不斷創(chuàng)新。未來鈦粉在航空航天及汽車等領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮?，鈦的粉末成型技術(shù)將走向個性化、精密化、大型化和輕量化。受技術(shù)提高的影響，打印機的成本和價格將大幅降低，使得民用級別增材制造打印機成為現(xiàn)實。

科技創(chuàng)新。為新合金材料的研究提供科研平臺，加速中國制造，基于技術(shù)革新實現(xiàn)輕量化，從而使得航空航天用構(gòu)件的制造成本大大降低。探究“3D 打印+傳統(tǒng)制造”的新模式。采取創(chuàng)新的的方法，加大研究力度，不斷進行改進與更新;使兩種制造方式并存、互補。

建立航空航天及汽車等方面的增材制造輕量化國家標準，讓增材制造產(chǎn)業(yè)市場規(guī)范化運行。