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3D打印:如何从“小众”到“大众”

来源:《中国科学报》2020-10-15 09:37

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  图片来源:Unsplash

  应该重视增材制造全流程标准体系的建设。从原材料研发到设计,从工艺到装配,都应该制定流程标准。标准滞后,3D打印的零部件只能应用于装备局部,无法实现整机的完全替代,将影响3D打印的大面积推广和应用。

  ■本报记者 卜叶 张行勇

  “对中国制造业来说,未来5~10年的路格外艰辛,尤其是高端装备制造领域。”在近日举办的2020中国(西安)国际3D打印博览会上,西安交通大学校长王树国如是说。

  嫦娥4号登陆月球背面,长征五号遥三运载火箭成功发射,“雪龙2号”远征南极,北斗导航系统全球组网……近年来,我国高端装备不断取得突破。然而,与拥有数百年工业化历史的欧美发达国家相比,我国高端装备制造领域在自主创新能力、关键核心技术等方面还存在一定差距。

  中国航天科技集团有限公司首席信息官王国庆表示,传统的等材制造、减材制造已经无法满足高端装备对精度、性能、可靠性、效率的高要求,增材制造(即3D打印)是未来的发展方向之一。

  3D打印用途多

  目前,很多高端装备的零部件要求表面抗腐蚀、耐磨损,内部高强度、高韧性,同时要尽量轻量化。“传统的制造工艺很难达到,但3D打印能将多种材料放到一起进行功能梯度的制造,展现出实现这些功能的潜力。” 中国工程院院士、国家增材制造创新中心主任卢秉恒说。

  3D打印技术不需要传统的刀具和夹具以及复杂的加工工序,在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件,解决了许多复杂结构零件的成形问题。可以说,产品结构越复杂,其制造的优势就越显著。

  2015年,美国国家航空航天局(NASA)基于3D打印技术,打印出航空火箭发动机的头部。“零件大量减少,焊缝也随之减少,降低了火箭发动机出现故障的概率的同时,迭代周期缩短、成本降低。”王国庆介绍说。

  卢秉恒介绍,以前很多高精尖设备可以设计出来,但是制造手段无法实现,现在利用3D打印“所想即所得”,多材料、多结构的轻量化制造成为可能,且可以实现最优的拓扑结构与优化,而常规制造手段进行制造必须提前设计一整套工装设备管理软件。

  目前,研究人员已经验证了在空间站微重力条件下进行3D打印的可行性。太空机器人在维修、装配过程中,发现零部件需要更换,可通过3D打印即刻制备,能大幅提高精度和效率。

  在制造领域,有一个现象很普遍,很多造价昂贵的设备磨损后便不能使用,造成资源浪费。“实际上仅仅只是一些容易磨损的关键零部件出现问题,如果用3D打印进行修复,这些废弃设备或可重焕生机。”卢秉恒说。

  落地应用少

  3D打印作为一项创新的颠覆性技术,已经基于多种金属,包括不锈钢、模具钢、钛合金、铝合金、铜合金等材料,开发出众多工艺技术,比如喷粉的激光熔化沉积、激光选区熔化、电子束选区熔化等,在多个领域实现增材制造。

  然而,尽管3D打印的应用研究已经进行了几十年,但真正的3D打印应用非常少。中航工业沈阳飞机设计研究所项目总设计师王向明表示,3D打印甚至看不到规模化的应用,应用数量、应用规模受限。

  为什么会出现这种情况?他认为原因有二:一是不会用,熟悉3D打印技术的一线设计人员少,导致设计与技术脱节;二是不敢用,3D打印作为一种新技术,设备能否使用几十年,其安全性很难验证。

  以航天领域为例,王国庆介绍,以往通过焊接的方式制造上千米长的喷管,工序长,涉及的工种也非常多,但打印这些超大零部件缺乏大型3D打印设备,应该尽快开发增材制造设备。此外,还需要在原材料制备方法、工艺控制和质量验收等方面开展工作,研发适用于各领域标准的3D打印材料,提高设备稳定性。

  中国工程院院士、阿里巴巴集团技术委员会主席王坚造访过很多制造业企业。他介绍,企业引进新技术,进行转型升级需要投入大量成本,但无法确保生产效率。现在有很多新技术都号称能解决企业的很多问题,但制造业企业的挑战越来越多、越来越大。这是因为新技术并未有机融入到整个企业的生产流程中,碎片化的新技术并不能发挥出它的创造力。

  评估和标准建设先行

  “作为设计人员,我更关注使用安全。” 王向明说,在设计零件过程中,要考虑稳定性和寿命,这里面隐含着很多力学方面的基础问题和科学问题。

  王国庆表示,应该开发适合增材制造的无损检测方法。针对3D打印的结构,现有的方法没办法检测或检测成本高,检测甚至已经成为工程应用的最大障碍。

  他认为,应该建立成熟的面向增材制造的产品优化设计与评判体系,解决基于增材制造的组织性能缺陷怎样评价、有点缺陷行不行、有多少缺陷能放行等具体问题。

  “制造过程中很难做到零缺陷,所以就需要评判体系。” 王国庆说。

  为此,王向明所在的研究团队提出了一个增材结构疲劳强度的评估办法和验证模式。“有了这样的方法,设计人员就可以快速地对某种工艺、某种材料构成的某种形状的结构进行评估,计算出使用寿命,作为判断增材结构疲劳特性的依据。”

  此外,王国庆还提出,应该重视增材制造全流程标准体系的建设。从原材料研发到设计,从工艺到装配,都应该制定流程标准。标准滞后,3D打印的零部件只能应用于装备局部,无法实现整机的完全替代,将影响3D打印的大面积推广和应用,希望行业能够在整个标准体系制定上有所建树。

  卢秉恒也表示,在增材制造过程中,研究人员非常关注性能。近些年,各国的研究表明,3D打印结构的性能基本上接近传统锻件,某些性能甚至超过锻件。“未来,增材制造在实际的工程中应用越来越广,很多大型的、复杂的零部件,会使用增材制造去开发、生产。” 卢秉恒说。

[ 责编:张梦凡 ]
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