高端制造的利器

　　来源：人民网人民日报
　　图：小型3D打印机。影像中国图：河北省邢台市家乐园小学教师引导学生拼搭3D打印模型。新华社记者张驰摄
　　3D打印是制造业热门技术，应用范围极广。它既可以打印塑料、陶瓷等非金属材料，也可以打印钢铁、铝合金、钛合金、高温合金等金属材料，以及复合材料、生物材料甚至是生命材料，成形尺寸从微纳米元器件到10米以上大型航空结构件，为现代制造业发展及传统制造业升级转型提供了巨大契机。
　　相较传统制造方法，3D打印在理念上大为不同。我们经常使用的产品都是三维的，传统制造方法是模具成形或者切削加工，也被称作是等材制造及减材制造。等材制造就是人们熟知的铸锻焊，已经有数千年历史。无论是四川的三星堆，还是陕西的兵马俑，都能看到用等材制造方法制成的精美铜器。电动机问世后，以其为动力，可以对材料进行切削加工。因为在车铣刨磨的加工过程中材料逐渐被切掉，所以被称为减材制造。与上述两种传统制造方法相比，我们俗称的3D打印技术是上世纪80年代发明的新制造方法，类似燕子衔泥造窝，材料一点一点累加，造出三维物体来，因此又称增材制造。虽然从理念上说，燕子衔泥、万里长城都可以视作增材制造，但是只有在计算机控制下，把需要的材料按照设计累加到需要的地方，实现控形控性，才是真正的增材制造。
　　赋能产品设计制造，推动高端制造业长足进步
　　经过多年研究与发展，人们发明了光固化、粉末烧结、丝材累加等3D打印技术。这3种技术分别利用激光扫描液态光敏树脂表面，使之固化，或者高能束扫描材料粉末，使之烧结，或者采用热电弧高能束熔融丝材按照图形剖面铺设等方法，在剖面上一层层累加，制成三维实体零件。信息技术日新月异，3D打印技术在计算机控制下，可以打印出多种材料、任意形状，因此在工业及日常生活中，正带来许多重大变化。
　　不同的制造技术有不同的技术特点。比如等材制造的铸锻焊过程，需要模具、砂型，如果我们只做一件样品，成本上就划不来，它更适合于批量制造。当然，也可以用减材制造进行切削加工，但加工过程会造成材料浪费。比如航空航天制造中，为实现轻量化，一些零件很大却很轻，形状复杂，要把材料尽可能地分布在边沿，这就需要切掉很多材料。对一些像铝合金、钛合金这样贵重的金属来说，付出的成本高昂。3D打印技术摆脱了模具、工装夹具等生产准备工作，在新产品开发、首件制造等方面，极大缩短了周期，降低了成本。而且通过计算机控制，完全实现数字化，哪里需要材料，就可以把材料堆积到哪里，做到节材制造。
　　目前，我国不少企业的制造能力强，但产品开发能力相对不足，制约了制造业向价值链顶端的发展。3D打印可以帮助我们补足这一短板，缩短设计迭代、样机制作、评价、分析、改进、量产等流程。如在航空航天等高端装备的快速开发和迭代升级方面，3D打印已成为新产品开发的有力工具。
　　3D打印还为创新设计拓展出巨大空间。过去设计师虽然有很好的构想，但由于模具制造的复杂性、切削加工空间的可达性，不能按照原构想来设计，只能把大的零件拆成几十、上百个小零件，设计与制造的成本随之增加。对于传统制造难以实现的零件形状或结构，3D打印可以胜任，通过结构一体化制造，实现最优设计构想。这就为设计创新、产品创新、装备创新提供巨大空间，由此为制造业带来不可估量的效益。比如，一家生产飞机发动机的大型公司，原来在制造发动机燃油喷嘴过程中，由于制造技术的局限，需要把喷嘴分成20多个零件去制造。这20多个零件中的每一个都要达到微米级，装配在一起时需要焊接，然而一焊接，就达不到微米级的精度了。结果，燃油喷嘴的制造缺乏一致性，燃油效率很难优化。而现在，可以把20多个零件一体化地3D打印出来，化繁为简，提高了零件的燃油效率，大大增强产品竞争力。
　　除了擅长复杂零件的设计制造，3D打印还可以在个性化制造上大显身手。伴随信息化进程，个性化制造在越来越多的领域替代流水线式大批量制造。家电、可穿戴电子设备乃至汽车等消费品越来越呈现个性化趋势，而3D打印尤为擅长个性化制造。比如为运动员3D打印一双最适合其脚型的鞋子，将有助于改善穿着体验，提高运动成绩。在精准医疗领域，如骨科手术辅具、牙科正畸、手术模型等方面，能够越来越多地看到3D打印的应用。3D打印医疗器械新产品层出不穷，已从最初用于制造生物假体，扩展至细胞、组织和器官打印研究，未来或将用于人体器官再创，为人类带来福祉。
　　产业链不断扩展，3D打印迈上新台阶
　　全球增材制造产业链正在不断扩展。航空航天、航海、能源动力、汽车和轨道交通、电子工业、模具制造、医疗健康、数字创意、建筑等领域的企业和服务厂商不断涌入增材制造产业。汽车行业超越航空航天、医疗等领域，成为3D打印技术的第一大应用行业，包括原型设计、模具制造和批量化3D打印零件等。
　　3D打印在前沿科学研究方面，也发挥着越来越重要的作用。3D打印技术能在可控条件下，快速将不同材料混合在一起，打印试件或零件，因此可以按照材料基因组方法，实验与发明新合金、新复合材料，为工业应用快速开发出更多更好的新材料，满足高端装备、新产品的多方面需求。近年来，功能梯度材料越来越受到重视。用多种不同材料打印零件，将材料分层，不同材料打印在不同层，零件就可以实现表面是耐磨、耐腐蚀的，里面是高强度、韧性好的，再里面就像人体的骨头一样，是疏松的蜂窝状结构。如此一来，产品在增强刚性的同时减轻了重量。
　　当前，人们正致力于增材制造技术开发与产业化。3D打印已经应用于我国航空航天开发和小批量制造、汽车快速开发及轻量化、精准医疗、文化创意等领域。在材料制备、3D打印主流工艺与装备、关键零部件、控制软件及各领域工程应用等方面，初步形成创新链与产业链。去年，我国增材制造产业规模增速高于全球同期增速。我国已将3D打印应用于飞机起落架这类高负荷承力件；中国首枚火星探测器天问一号的运载火箭发动机上，安装了许多3D打印零件。作为一种短流程的制造技术，3D打印在抗击新冠肺炎疫情中也发挥了作用，如3D打印医疗方舱、护目镜、呼吸阀等。
　　经过近40年发展，增材制造已经迈向3D打印阶段。从开始的原型制造逐渐发展为直接制造、批量制造；从以形状控制为主要目标的模型模具制造，到形性兼具的结构功能一体化的部件组件制造；从微纳米尺度的功能元器件制造到数十米大小的民用建筑物打印增材制造作为一项变革性技术，是先进制造的有力工具，是智能制造不可分割的重要组成部分。
　　随着3D打印的深入开展，增材制造、减材制造与等材制造将走向互融互通。不同制造技术各显其长，发挥合力，共同推动我国由制造大国向制造强国迈进。
　　（作者为中国工程院院士、西安交通大学教授）
　　制图：赵偲汝
　　推荐读物：
　　《3D打印：打印未来》：中国机械工程学会编著；中国科学技术出版社出版。
　　《增材制造与航空应用》：张嘉振主编，路新副主编；冶金工业出版社出版。
　　《机械制造技术基础》：卢秉恒主编；机械工业出版社出版。《人民日报》（2022年04月19日20版）