我国增材制造技术的应用方向及未来发展趋势

在“2018中国增材制造产业高峰论坛”上，中国工程院院士卢秉恒以“我国增材制造技术发展趋势及应用”为主题发表了演讲，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制造技术发展中面临的挑战。

卢秉恒院士

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。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打印新的技术。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

在金属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的效应，必须和传统的制造相结合，来综合平衡它的性能和成本。

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打印技术，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，和生物医疗领域进行交叉，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。