卢秉恒院士:商发准备80%发动机的零件用3D打印支持研发

国际金属加工网 2018年09月27日

“2018中国增材制造产业高峰论坛”上,卢秉恒院士以“我国增材制造技术发展趋势及应用”发表了主题演讲,详细阐述了我国增材制造技术的应用方向及未来发展趋势,同时指出了中国增材技术发展中面临的挑战。根据卢院士现场发言资料整理下文,供行业人士参考学习。

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增材制造对于中国制造而言非常需要,因为中国企业的制造能力往往很强,但是产品的开发能力严重不足,而增材制造可以为我们补足这个短板,它可以先把我们的设计利用很短的流程进行迭代,作出样机,评价、分析,确定了设计之后再进行生产。

增材制造最近几年发展非常快,年增长率几乎在百分之二十几到百分之四十几。其中,FDM尤其迎合了创客的需要和教育的需要,发展非常快。SLA在产品开发中发挥了重要作用。

对大型金属结构件来说,用丝材来进行熔化堆积可能是更好的方法,它的能源可以是激光的,也可以是电子束的,也可以是电弧的,就像传统的电焊一样。这个技术已经可以做到尺寸大于2米、5米,甚至已经做到8米,用电子束进行熔融堆积的,也有用电弧堆积的,我们实验室已经做到2米,正在做5米6米的装备。还可以把许多传统制造技术结合用于3D打印。用层层堆积的概念,例如铸造,可以进行一层层薄层铸造来形成3D新的技术。我们有一个专利,在每一层铸造中采取锻打的办法,来提高它的强度,增加结构材料的致密度,来提高它的性能。我们也做了很多堆焊的实验,认为是大型结构件高效的制造方法,可以达到每小时5公斤甚至10公斤。

3D打印理论研究需加强

金属3D打印中一个最重要的问题是怎么样能够使结构件强度提高,这里面有很重要的问题需要进行研究。无论是铸造还是锻压,人们都一直在研究凝固学理论,但是铸造和焊接中熔池规模比较大,所以在宏观的体积内来进行冷却和凝固。在3D打印中无论是激光束还是电子束,它的熔池比较小,所以从理论分析,小的熔池产生的缺陷肯定要小得多,所以材料结构的强度能够得到提高。但是怎么样控制它的一些晶粒的生长。冷却速度影响晶粒的大小,影响了结构强度。金属材料的3D打印是一个在强非平衡态凝固学理论,但可惜现在还没有能够完全弄清楚这一科学问题。对增材制造件的应力分析还处于实验阶段,还不能形成很好的理论来指导这一过程。

最近几年增材制造一些创新不断涌现,像面曝光的技术,用光固化的原理,材料像拉拔一样快速成形,这样使效率提高了50倍到100倍。像金属打印,用一体液态金属打印的概念也出来了,实际上是用光固化的材料加上金属粉末,也可以把陶瓷粉末用于这个办法进行打印。打印过以后需要进行脱脂、烧结。所以3D是一个崭新的概念,但是在这个崭新的概念中可以把传统的制造技术进行融合,来产生一些新的创新技术。

功能梯度材料越来越被重视

将材料分层,不同材料打印在不同层,我们就可以得到表面是耐磨的、耐腐蚀的,里面的是高强度的,韧性好的,再里面就像人体的骨头一样,是一个疏松的蜂窝状结构,增强刚性的同时减轻重量。这些技术在航空航天都有了很重要的用途。

而复合材料的应用,也是一个非常重要的方面。需要关注的是,在温度变化时界面会发生什么样的变化,承载时界面之间的作用力。3D结构形成的过程与正常工况、温度环境和其他物理环境不一样,这样会不会引起界面内应力的增加而影响性能,这都是需要研究的问题。

在这方面应用前景还是非常广的,像汽车、飞机和航天结构,都需要在减轻重量的同时保持高的强度或高的刚度,就需要复合材料。当然纤维复合材料中有长纤维的复合材料,像碳纤维的汽车车身,当然也可以用短纤维的复合材料去制造,这里3D打印是有优势的。长纤维复合材料车身的制造可能技术上还有很多的难关,在表面比较展开的一些曲面是比较容易制造的,但是在曲面变化比较大的一些凹凸结构的比较难以实现。但我们也可以用短纤维或树脂复合解决这个问题,也可以达到很好的强度。所以综合我们所获得性能的改善以及经济性和工艺可实现性,之间要平衡。这在汽车制造中,我认为可能是前景比较大的。短纤维复合材料可能更容易实现,因为它仍然可以用模具制造,所以能够适应汽车大批量生产。当然,长纤维的也可以用来制造样车,在样车制造中我们可以花费比较大的代价来完成一些更好的性能。所以3D打印在应用中要发挥它更好效应,必须和传统的制造相结合,来综合平衡它的性能和成本的。

3D打印的应用场景呈现高端化趋势

3D打印在各种高端制造领域得到了很大的发展。由于3D打印对复杂形状零件的适应性,它可以把很多零件集成在一个零件上,在航空航天中,火箭发动机零件个数就减少了80%,可以把很多焊缝用3D打印来实现,甚至有说法提出3D打印的出现会不会使焊接变得没有用了,当然这不是绝对的,但是很多方面可以用3D打印来代替,这样来减少焊缝带来的强度的破坏以及一些可能发生的故障。

3D打印用于建筑,现在也开始了很多探索,目前打印低层建筑日渐成熟,用的越来越广泛了。高层的建筑还有一定的难度,这方面有待于材料的改进和材料打印工艺的发展。

西安交大从上个世纪九十年代就开始3D打印,但主要是完成以3D打印为核心产品快速开发的技术,这方面和传统的制造技术相结合,用拷贝的办法去制造模具,而拷贝的模型是3D打印出来的。例如我们做家电设计的时候可以用硅橡胶去复制模具。我们在做汽车覆盖件的时候可以用金属喷涂法覆盖模具,我们曾经用100天时间做了两款车全部外覆盖件的模具,成本就是100万人民币,如果我们传统制造的办法投入要几个亿甚至是10亿以上,要一年多的时间,所以这样就大大节约了产品开发中所需要的费用和时间。

所以,3D打印应用的领域越来越宽广,从民用的消费品、文化创意产品、建筑的设计到航空航天的结构,这方面国内很多研究单位做了大量的工作,已经用在飞机结构件的承载件,例如C919的很多零件上。现在中国民用飞机也有自己的目标,像上海商发准备80%发动机的零件都用3D打印来支持研发,GE公司也已经有三分之一的飞机发动机零件用3D打印进行生产,所以这方面越来越显示3D打印的技术颠覆性。

3D打印面临的挑战

3D打印面临的挑战包括怎么样从控形到控形控性,从宏观到微纳, 从制造到创造,从地球到太空,以及如何多学科交叉推动技术创新。

微纳3D打印的作用是什么呢?

第一,现在做智能制造需要很多的传感器,传感器以前是微电子工业制造的,它必须有很大的批量才划算,例如要上百万件。但是制造业所需要的一些量非常小,批度非常多,就适合用3D打印来制造。3D打印按照我们能够制造复杂形状的优势和对产品结构进行改造,进行再设计,再设计的结果可以使很多零件结合一个零件。

第二,使热交换效率得到很大提升,可以使我们用很少的材料达到非常强的刚度和硬度。以后还会从地球发展到太空,我们把很多制造任务能不能放到太空中去?因为太空虽然有很多不利的条件,但是也有很多有利的条件,它没有重力,我们可以用一个小的设备去制造大的零件。它接近真空,所以就不会像钛合金的打印必须在氩气保护下去做。

同时,中国3D打印在应用领域做的还是不错的,但是我们在自己原创的装备、原创的技术方面有相当大的差距,我们希望能够通过多学科的交叉,和材料领域、信息领域,和医疗生物领域进行交叉,来推动技术的创新。

3D打印未来发展趋势

第一,我们相信3D打印产业逐渐会成为各行各业产品开发的利器;我们希望今后五年到十年各个领域都用3D打印技术开发自己的产品和装备。

第二,从批量生产走向个性化定制;制造业目前是大批量生产,但是我们怎么走向个性化定制,增材制造可以发挥非常重要的作用。像现在海尔使他们的设计师和用户通过网络的交互,来进行个性化产品的设计,但是在制造方面他们还是遇到了困难,在个人消费品领域有可能3D打印就成为一个取代传统制造的方式。

第三,大型企业跨界介入促进行业发展;例如GE公司,他们用3D打印革新了发动机的零件,带来很多的订单。他们专门成立了3D打印增材制造公司,并且投入很大的资金来进行研发活动。所以3D打印真正的创造价值大并不在于卖多少打印设备,也不在于卖多少打所材料,而是怎么样把3D打印技术用到各行各业,所以这就需要各个领域制造业的企业共同参与,所以它不是一个专业队伍的事,是一个制造业整体的事,它是一个共性技术。

第四,标准研究引领发展;目前,3D打印发展中标准是一个约束,很多低端、高端混在一起,一些用户辨不清,发展中出现了劣币驱逐良币的现象,同质化的发展、低价位的竞争,这也是中国制造往往会出现的一些毛病、缺陷。

(文章整理自2018增材制造大会高峰论坛卢秉恒院士发言,有删减)

(航空制造网)

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