3D打印重工领域

　　11月18日，世界上首款完全使用3D打印技术制造的汽车Urbee 2亮相。目前3D打印在制造业的应用，主要在重工业领域。

　　在电视媒体的报道中，3D打印似乎简化成了一台台可以放在桌面上的打印机，它们以塑料为材质，打出各种小模型、小玩具。其实，3D打印目前真正直接用于制造业的，是远离日常生活的重工业领域，比如航空航天、核电设备等。

　　12月3日，在上海举行的“3D打印技术与未来”高峰论坛上，有中国3D打印之父之称的中国工程院院士卢秉恒称，3D打印作为科技专项，其重点突破的领域应该是航空航天产品高效研制、医学组织器官定制化制造，以及汽车、微纳器件。而这里面，航空航天又为重中之重。

　　卢秉恒透露，上述建议作为中国增材制造（即俗称的“3D打印”）发展战略的一部分，已经由中国科学院院士路甬祥及中国工程院院长周济领衔制定，并提交给了高层领导。

　　目前，中国在将3D打印技术运用于航空航天领域上走在了全球的前列。

　　“百分之八九十的企业会死掉”

　　3D打印，其实就是增材制造。目前关于其定义形形色色。清华大学机械工程系教授、先进成形制造教育部重点实验室副主任林峰给出的解释是：如果是传统的加工方式，是通过增加制造工具和机床的加工维数，从最早的三轴联动、四轴联动到五轴联动，联动的轴数越来越多，以应对零件复杂程度的越来越提高。这是一种增维制造的方法。而三维打印是一种降维制造过程，它把三维零件结构的加工过程先离散成一系列二维的片层，然后堆叠起来，最后完成三维结构成型。它把零件的复杂程度简化了。所以降维制造或是分层制造，是它最明显的特点。

　　“离散-堆积原理是三维打印的基本原理。”林峰说。

　　离散的过程把三维的零件沿一个方向切成一片一片，就像微积分中的“微分”过程。在每一个片层里面，可以进一步离散，变成一条条线段。每条线段中又可以进一步离散，变成一个个点。最后把它连起来形成一种低维的型体，点线面。这是在计算机中处理的数据过程。然后在设备的物理环境中再把这些点线面叠在一起，形成三维的实体零件，这是一个堆积的过程。离散和堆积两个环节在三维打印里缺一不可。像盖房子，就是一个堆积的过程，但是不把它称为三维打印，因为它不在计算机离散数据的控制下，而是在人为操作下运行。

　　目前，国内凡是挂上3D打印招牌的，都会迎来资本市场的热炒。对此，卓越集团董事长、软银赛富投资合伙人陆豪提出了冷思考：互联网时代早期，只要触网的都会拉升，现在的3D打印也是，百分之八九十会死掉，剩下百分之二三十才是真正做到有应用方案和收益的。

　　在陆豪看来，只有找到了真正适合3D打印特征的应用，才能具备价值。

　　而重工、医疗以及建筑等，是最有可能的。

　　主力应用航空制造

　　北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任、材料加工工程学科责任教授王华明，是3D打印航空科技领域的引领者。其带领的团队在国际上首次突破了飞机钛合金等大型主承力构件激光成形工艺、装备和应用关键技术。

　　在3日的论坛上，王华明就航空与3D打印结合，举了中国C919大型客机的例子。该机型的机头驾驶室的主风挡窗框，就运用了他们的激光3D打印技术。“商飞如果从国外订货，周期至少两年，仅模具费用就需要1300万元人民币。当时工期还剩55天，商飞找到我们，时间很紧，但我们还是完成了，而成本仅为120万元。”

　　凭借“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”，王华明今年获得了国家技术发明一等奖。今年9月，中共中央政治局就创新驱动发展战略，来到中关村(6.18, -0.07, -1.12%)集体调研学习，其第一站便是3D打印，作为领军人物，王华明向中共中央总书记习近平作了15分钟的汇报。

　　航空制造之所以与钛合金有着不解之缘，是因为钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能好等突出特点。其在航空装备中用量越来越大，而且主要被用作各种机身加强框、梁、接头等飞机大型关键主承力结构件。

　　可查资料显示，波音公司[微博]和空客公司研制的新一代民用客机(787、380)中，钛合金用量已由第三代(747、300）的不到4%上升到9%以上，第三代歼击机中钛合金结构件用量由F-16的约3%增加到了F18、苏-27的15%以上，而第四代歼击机F-22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41%。大型整体钛合金结构件用量的高低，已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。

　　但是，由于受钛合金本性的影响，采用“锻造+机械加工”等传统技术制造这些大型复杂钛合金关键结构件，不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业装备，而且制造工序繁多、工艺复杂，需要大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等，零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5%～10％)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长。

　　而高性能金属结构件激光熔化沉积“近净成形”制造技术，利用快速原型制造的基本原理，以金属粉末(或丝材)为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本、先进“近净成形”制造新技术，在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的应用前景。

　　“根据其结构设计、材料制备、构件制造一体化的特点，3D打印对于设计复杂、超复杂的大型乃至超大型结构，有着低成本、短流程、快速数字制造的特点。”王华明称，“有了3D打印后，一些超大超复杂的产品制造就成为了可能，这便解放了设计师，使他们可以大胆设计。”

　　改变核电主管道制作工艺

　　在王华明看来，3D打印是制造技术大家庭的一名新成员，不会颠覆或取代传统制造技术，“但作为一种变革性的制造新技术，其发展潜力巨大。”

　　至于其适用的领域，王华明总结为“贵而难加工的材料，以及大而复杂的高性能整体构件”。

　　清华大学教授、中国3D打印技术产业联盟首席顾问颜永年对此表示认同。颜永年认为，3D打印在核电制造上大有可为，“核电的主管道一般重8-10吨，造价在1500万元左右，进口的可能还要达到2500万元。对核电主管道来说，平均一吨的造价就是150万元。这是全球所有锻件中最贵的。而这种锻件，就值得用3D打印来做。”

　　核电的主管道可谓是庞然大物，以AP1000为例，其内径有700mm，外径有1200mm。其功能又相当于人心脏的冠状动脉，是核心中的核心。

　　随着新的核电安全要求越来越高，比如现在AP1000的核电管道要求一体化成型，禁止空间曲线焊缝，整个核电制造业面临着越来越大的压力。用已有工艺，上海电气(3.98, -0.04, -1.00%)集团做AP1000的主管道，锻造单根的流程需要一年时间，而且材料浪费大。

　　比如为了制造AP1000的堆芯段，锻件重量是99吨，但需要的钢锭是300吨。又比如AP1000的底封头，锻件重量是18吨，但钢锭重量要达到114吨。

　　颜永年称，采用融合了3D打印技术的A-DM技术后，制作核电主管道模具费用可以节省四分之三，材料利用率从5%～15%提高到85%～90%，生产周期缩短三分之二，能源节省60%，大大提高高端锻件的可靠性、一致性和精度。

　　A-DM法，即利用粉末作为原料，采用3D打印的LCD成形方法，直接获得无偏析、变形合理、极小余量接近净成形坯件，以替代钢锭开坯和预锻。通过垂直分模挤压，获得内部缺陷、强度、抗疲劳性能和晶粒度等均达到要求的AP-1000主管道。

　　颜永年透露，就这个技术，他和一重、二重、中广核、国核技接触了很多次。

　　不过，目前该技术中的基础装备12万吨垂直压机和7万吨水平压机还没有做出来。“我们的压机计划是在江苏省做的，根据清华大学和江苏省的协议，我们来到了昆山，现在我觉得江苏吃不下这个项目，我觉得还是放到上海比较好。”

　　吸引颜永年的，还有自贸试验区因素。“有了自贸试验区之后，我们打算在这里办一个窗口企业，而制造工厂则在自贸试验区外的临港地区。”颜永年称，“临港这里非常好，有核电基地，有中船重工。中船重工需要很多容器，还有商飞、商发，它们也需要很多大锻件。我们希望我们的土地就在商飞的后面。这里有高端锻件的大量需求，而我们的技术又非常有效。”

　　颜永年解释，自贸试验区的优势在金融，做高端锻件需要大量资金，而外国的银行融资成本低。

　　“上海作为有老工业基地底蕴的城市，对基础装备的理解也比其他地方好，其他地方能够理解纺织装备，能够理解织布装备，但没法理解基础装备，他们只知道装备就是装备，不知道还有装备的装备。最终觉得我们的归属还应该是上海临港，尤其是有了自贸试验区之后，原来没有下定决心的，现在下定决心了。”颜永年说。

[时间：2013-12-05  来源：东方早报]