工业4.0加速：天宫2号使用工业级3D打印机助力

10月19日下午，中国航天科技集团总工程师，博士生导师杨海成教授在辽宁交通高等专科学校所做的学术报告中指出：“随着‘互联网 ’思维的不断深入，企业发展正向新型的平台型企业迈进。个性化定制是今后工业发展的最新趋势，像在天宫2号中，也会出现3D打印机，用于天宫本身零部件的更换和维修！”

　　 　　众所周知，中国航天60年，10月19日3时31分，神舟十一号飞船与天宫2号自动交会对接成功。而天宫2号空间实验室早已于2016年9月15日22时04分09秒在酒泉卫星发射中心发射成功。它较大的改进是装备更豪华、装载量提高、内部环境更好，而且它的系统设计是模块化的，也就是说它出现问题时可以快速更换和在轨维修，这在国内空间领域属于首创。天宫2号使用3D打印机，则实现本身零部件的快速更换与维修。

　　 　　事实上，3D打印在中国航空航天业并不是第一次隆重登场，在2015年纪念中国人民抗日战争胜利暨世界反法西斯胜利70周年大阅兵的空中梯队中使用的飞机中，不乏3D打印技术生产出来的零部件产品。
　　
　　正如工业和信息化部总工程师张峰在“中国增材制造产业联盟”成立大会上所言，“我国增材制造技术研究起步不晚，有些方面还处于世界领先地位。”领先地位的正是中国航空业在3D打印技术上应用，不仅多个型号飞机使用了3D打印部件，而且部分技术已经达到世界领先水平。

　

　　例如，在金属零件的激光快速成形技术研究上，我国开始于1999年，相比美国晚了十几年。不过，在应用研究成果上，美国却一直无法实现突破。2005年，美国Aeromet公司生产的F/A-18E战斗机因强度问题试验失败。随后，该公司因无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件，无法实现有价值的应用市场而倒闭了。而我国已经具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。
　　
　　在传统的战斗机制造流程当中，飞机的3D模型设计好后，需要进行长期的投入来制造水压成型设备，而使用3D打印这种增材制造技术后，零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。资料显示，原本制造一架航空机型需要花费10-20年时间，而应用3D打印技术以后，最少需要花3年时间。足以证明，3D打印技术在复杂的工业领域有着无可取代的优势。
　　
　　其实，3D打印技术一直以来因成本、技术问题无法大规模制造，而且全球的3D打印产业化都还处于起步阶段。如果3D打印技术要想完全代替传统加工制造业目前还是不现实的，至少还需要攻克以下几个方面的难题：

 

　　
　　材料方面，3D打印又称“增材制造”，不难看出，材料是这项技术的核心，材料用的合适，才能制造出合适的产品。当前3D打印产品的应用，主要集中在饰品、模具模型、个性化家居产品以及汽车飞机的小尺寸零件上，使用的材料无非是树脂、塑料、普通金属粉末等。若产业往高端化发展，则需要突破性能要求非常高的合金材料、高分子复合材料这一关，这涉及的材料种类达几百种甚至更多。因而，3D打印技术才能进入航空航天、人工智能、大型复杂机械和生物医疗领域。
　　
　　软件方面，从目前的技术水平来看，消费级3D打印机几乎只能制造一些像鸡蛋架、梳子这类简单的产品。而想要制造复杂工业的产品，光是三维设计这个技术，就不是每个人都能掌握的。而且，在我国暂时还没有属于自己的三维设计软件，使用还需支付大额专利费用。
　　
　　能源问题，目前3D打印采用的能量源是激光，但其生产效率还有待提高，尤其是在加工大尺寸、熔点较高的金属制品时更是如此。若能在能源方面突破，那么打印效率就能实现成倍提升。
　　
　　设备方面，当前的3D打印机精度大约是0.1毫米级，如果能够突破纳米级别，极大地拓展该产业的应用范围，并能带来很多革命性的成果。
　　
　　总体而言，在生产过程中还没有与其功能无关的剩余物，一旦技术成熟将大大降低生产成本，甚至一个人、一台电脑、一部打印机就有可能组成一个“工厂”。也正因为3D打印技术在航空航天制造这类复杂的工业领域有着无可替代的优势，所以我国高度重视增材制造技术和产业的发展，不仅出台了系列政策，以及产业化规划，还建立其初步的支撑体系。个性化定制是今后工业发展的最新趋势，那将是一个3D打印领域的新契机，而产业化将不再是难题。