增材制造技术发展

AdditiveManufacturing

TechnologyandItsEffectonManufacturingofChina2014.05.29.，Beijing中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所BAMTRI,AVIC.巩水利Prof.Dr.GONGShuili内容提要12DevelopmentofInternational534IntroductionTechnicalmethodsandmeansDomestictechnologydevelopmentsDisparityandsuggestions目录AdditiveManufacturing(AMor3D

Printing)：——是人类通过对物质可控的动态累积以逼近目标形体的一种生产过程；是与材料去除成形、受迫成形等对应的科学技术体系；是以“堆积”为共同特征的技术群。一、IntroductionReshapingtheglobalmanufacturingcompetitionstructure上世纪美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”Changethe

production

andlife

modeinthefuture社会化制造那么每个人都可以成为一个工厂它将改变制造商品的方式并改变世界的经济格局进而改变人类的生活方式

一、Thethirdindustrialrevolution?!一、StrategicsignificanceofAMforChina可成为我国制造业自主创新的有效手段；符合绿色制造发展方向，有利于制造业的可持续发展；可促进传统制造技术水平的提升，促进制造与服务融合发展；有望培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级。AneffectivewayforindependentinnovationofmanufacturingindustryforChinaCompliancewiththegreenmanufacturingdevelopment,andconducivetothesustainabledevelopmentofmanufacturingindustry;Promotetheupgradingoftraditionalmanufacturingtechnology,andthefusiondevelopmentbetweenmanufacturingandservice;Expectedto

cultivatenewindustries,

optimizethe

industrialstructureandpromoteindustrialupgradingAerospace高性能金属零件直接增材制造技术的发展，为航空航天产品从产品设计、模型和原型制造、零件生产和产品测试都带了新的思想和技术途径，有望大幅缩短航空航天产品的研发和生产周期thedevelopmentofdirectmanufacturingtechnologyofperformanceparts,newideasandtechnicalapproacharebroughtintoproductdesign,modelandprototypemanufacturing,partsmanufacturingandproducttesting,whichisexpectedtosignificantlyshortentheresearchanddevelopmentcycleofaerospaceproduction.增材制造大型复杂发动机机匣铸造熔模（直径1.2米原来需要机加工或模具压制多个局部结构，然后拼接成整体，精度难以控制，工序繁琐，周期长，增材制造方法精度高、整体成形、周期短。激光近成形的叶片（Optomec公司），传统铸锻，均需制造复杂模具，增材制造实现自由成形SLSCast一、DevelopmenthistoryofAMtechnology快速原型/快速成形快速工具/模具/铸型快速成形直接制造Verification

andpresentationofconcept

概念验证和呈现工业设计产品设计Design

verification

andtest设计验证和测试反复设计和优化成型、装配和功能性测试Production

andmanufacturingMoldingandsecondaryoperations制模与二次操作

热成型

砂型铸造

金属镀层EDM电极Smallbatchproduction,

massproduction

批量生产失蜡铸造吹塑制模

塑料挤塑环氧制模

一、Majoruse 生产与制造直接制造零件二、Technicalmethodsandmeans：MajorprocessTechnologyMaterialCharacteristicsApplications光固化成形（SLA）液态树脂精度高；表面质量好航空航天、生物医学等激光选区烧结（SLS）高分子、金属、陶瓷、砂等粉末材料成形材料广泛、应用范围广等制作复杂铸件用熔模或砂芯等激光选区熔化（SLM）金属或合金粉末可直接制造高性能复杂金属零件用于航空航天、珠宝首饰、模具等熔融沉积制造（FDM）低熔点丝状材料零件强度高、系统成本低汽车、工艺品等激光近净成形（LNSF）金属粉末成型效率高、可直接成形金属零件航空领域电子束选区熔化（EBSM）金属粉末可成形难熔材料航空航天、医疗、石油化工等电子束熔丝沉积（EBFFF）金属丝材成形速度快、精度不高航空航天高附加值产品制造分层实体制造（LOM）片材成形速率高、性能不高用于新产品外形验证立体喷印（3DP）光敏树脂、粘接剂喷粘接剂时强度不高、喷头易堵塞制造业、医学、建筑业等的原型验证IndustrychainofAMUSERpost-treatmentandservicesManufacturingEquipmentMaterial

Additivemanufacturinghasalongindustrychain,andimprovesthe

technologyandeconomy.母合金、中间合金、金属冶炼、粉末、金属丝材、材料检测、材料储运激光器、电子枪、成形软件、机电控制、传感器、机床、装备集成、真空器件、气体循环器件、冷却系统产品研制、工艺开发等、委托加工机械加工、热处理、表面处理、无损检测、性能测试、生物陶瓷、净化4.4国际发展现状状EuropeanandAmericancountrieshaveincreasedtheirsupport,andmadethenationalstrategiesandplansforadditivemanufacturingdevelopment;Ithasdrawmoreattentionofgovernment,researchinstitutions,enterprisesandthemedia.2012年3月，美国白宫宫宣布振兴美美国制造的新新举措，将投投资10亿美金帮助美美国制造体系系的改革，鼓鼓励优先发展展增材制造为为代表的数字字化制造技术术；在全国范范围筹建多个个研究与企业业联盟英国政府自2011年开始持续增增大对增材制制造技术的研研发经费，目目前已在多个个大学建立了了增材制造研研究中心德国建立了直直接制造研究究中心，主要要研究和推动动增材制造技技术在航空航航天领域中结结构轻量化方方面的应用西班牙也启动动了增材制造造专项，研究究增材制造共共性技术、材材料、技术交交流及商业模模式等内容日本一直重视视增材制造技技术，研制和和应用水平走走在了亚洲前前列三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMCleardevelopmentideas大型运输机舱舱体壁板结构构航空发动机机机匣Basicresearch→Standardsetting→Industryapplications→IndustrialDevelopment三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMCleardevelopmentprojectsResearchplanofelectronbeamrapidprototypingmadebyAmericanNASA三：：DevelopmentandtrendsofInternationalAMDirectmanufacturingofperformanceparts.Performanceisclosetothetraditionalprocess;Appliedinsomecomplicatedconditions.英国国南南安安普普顿顿大大学学设设计计并并利利用用增增材材制制造造技技术术制制造造了了世世界界上上第第一一架架“3D打印印”无人人驾驾驶驶飞飞机机，，最最高高时时速速达达100多公公里里世界界上上第第一一辆辆“3D打印印”赛车车“阿里里翁翁”，已已在在德德国国的的霍霍根根海海姆姆赛赛道道完完成成测测试试，，时时速速达达141公里里4.4国际际发发展展现现状状三：：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEuropehavecarriedoutextensiveesearch意大大利利AVIO公司司电子子束束选选区区熔熔化化生产产线线拥拥有有13台设设备备；；英国国罗罗·罗公公司司正正在在建建立立拥拥有有30台设设备备的的电子子束束选选区区熔熔化化生产产线线。。大推力涡扇发动机钛铝合金三四级涡轮叶片“Rapidmanufacturingcenteroflargeaerospaceparts”，，hasbeenestablishedin2007Additivemanufacturingofsmallandprecisestructurekeepsaheadoftheworld.空客客、、罗罗·罗、、EADS等公公司司的的飞飞机机及及发发动动机机上上已已有有大大量量应应用用。。Solvingthemanufacturingproblemsfordifficult-machiningmaterials。例如如，，德德国国EOS公司司开开发发的的选选区区激激光光烧烧结结（（SLS）增增材材制制造造装装备备可可成成形形传传统统工工艺艺（（注注塑塑、、挤挤塑塑））难难加加工工的的耐耐高高温温塑塑料料利用用基基于于粉粉材材的的激激光光烧烧结结工工艺艺可可成成形形复复杂杂高高精精度度零零部部件件，，力力学学性性能能较较尼尼龙龙等等塑塑料料高高出出1倍倍（（拉拉伸伸强强度度达达95MPa，，杨杨氏氏模模量量达达4400MPa））特别别是是具具有有优优异异的的耐耐高高温温性性能能，，可可连连续续服服役役于于180摄摄氏氏度度的的动动态态力力学学场场合合、、240摄摄氏氏度度的的静静态态力力学学场场合合以以及及260摄摄氏氏度度电电气气场场合合等等三：：DevelopmentandtrendsofInternationalAMRepairingandre-manufacturinghightemperatureparts。以激激光光、等离离子子束束和和电电弧弧等等能能束束增增材材制制造造再再制制造造技技术术为为代代表表，已应应用用于于机机械械、、能能源源、、船船舶舶等等领领域域核核心心、、高高附附加加值值零零部部件件的的快快速速修修复复美国AeroMet公司应应用于于F15等战斗斗机机机翼梁梁修复复英国Rolls-Royce公司用用于航航空发发动机机叶片片修复复激光成形修复的发动机零件相比传传统电电镀、、热喷喷涂等等技术术，增增材制制造技技术的的使用用，实实现了了高性性能、、高效效率和和低成成本修修复和和再制制造三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMRapidcustomizingpersonalizedstructureinbiomedicalarea。与生物物医疗疗技术术相结结合，，应用用于牙牙齿、、骨骼骼等“人体零零部件件”修复或或植入入手术术中。。在过过去的的10余年，增材材制造在生生物医疗领领域的应用用比重约为为占全部应用的的15%。增材制造的人体修复体增材制造的的金属牙齿齿已应用于于人体，并并有专用装装备增材制造金金属颅骨修修复体，已已获临床应应用增材制造人人体关节金金属修复体体，已有专专业的服务务公司4.4国际发展现现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAM“three-dimensionalprinting”ofmicroandnanostructuresinthefieldofelectronicsmanufacturing.与电子制造造技术相融融合，可应应用于有机机发光二极极管、薄膜膜太阳能电电池、无芯芯片RFID标签、柔性性显示器等等微纳尺度度功能性器器件的“三维打印”与压膜制版版、光刻蚀蚀和镀膜等等工艺相比比，增材制制造用于电电子领域不不仅减少污污染排放，，还可提高高贵重材料料利用率！！增材制造的的微纳电子子器件电子电路多多层柔性PCB无芯片RFID标签有机薄膜光光伏器件有机发光显显示OLED4.4国际发展现现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMProductizationandserializationonproductionandsaleofequipments.欧美及日本本在该领域域处于世界界领先水平平，已形成成了众多专专业化和规规模化的装装备生产企企业。近年年来，开始始出现知名名企业强强强联合与兼兼并的态势势，进一步步加大了地地区不平衡衡和技术垄垄断程度美国3DSystems公司生产和销售三种工艺类型、数十种型号的增材制造装备仅SLS工艺装备就有9种型号公司于2012年2月兼并了办公型三维打印装备知名企业美国ZCorp公司美国Stratasys公司专营低成本熔融沉积（FDM）工艺装备是全球累计销售装备数量最多的企业，占总应用量的约40%2012年4月，公司兼并了桌面型三维打印装备知名企业以色列Objet公司德国EOS公司专门生产和销售SLS、SLM装备共有六种型号成形材料包括高分子、砂、金属及其复合材料4.4国际发展现现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsaredevelopingtospecialization.如德国EOS公司提供专专门用于工工业应用级级金属牙齿齿激光增材材制造装备备铸造成本低低，但工艺艺繁琐，周周期长，难难以个性化化制造；机机加工精度度高，但材材料浪费严严重SLM工艺简单、、个性化制制造、材料料利用率高高、零件性性能好4.4国际发展现现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMEquipmentsexpandfromresearchandindustryhigh-endtypestomassconsumptiontype.欧美发达达国家开开始重视视低成本本（几万万甚至几几千人民民币）增增材制造造装备的的研制与与产业化化，促使使增材制制造技术术从实验验室和工工厂走向向办公室室甚至是是家庭美国ZCorp公司（并并入3DSystems公司）生生产的办办公型三三维打印印装备类类似于打打印机，，可用于于多类型型塑料彩彩色零件件的增材材制造美国MakerBot公司生产产的简易易型装备备设备，，可低成成本制造造塑料零零件三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMFormrelativelyintegratedindustrychainincludingequipments,materials,software,services.世界知名名的增材材制造装装备生产产企业超超过30余家，主主要分布布在美国国、德国国、英国国及日本本等少数数发达国国家已有专业业增材制制造材料料生产企企业，如如瑞典Sandvik公司提供供微细金金属粉末末专业的增增材制造造软件公公司，如如比利时时Materialise公司提供供增材制制造工艺艺与控制制软件三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMIndustryandmarketshaveachievedcertainscale,andannualoutputvalueisgrowingatdouble-digitrates.1989年-2011年，增材材制造装装备销售售量平均均年增长长率高达达31.6%，自2000年后以更更快的速速度递增增2011年，增材材制造产产品及服服务产值值较前一一年增加加了29.4%三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMMixofmultidisciplinesuchasnumericalcontrol,newmaterials,newenergyetc.Applicationareasincludeaerospace,automobile,mould,biomedical,electronic,construction,consumerproducts,education,officialbusinessetc.Applicationareadistribution多轴联动动、高速速扫描控控制、高高精密传传动等数数控技术术微细金属属粉末、、光敏树树脂、水水溶喷印印树脂等等新材料料及其制制备技术术高能束激激光、电电子束、、等离子子等新能能源技术术4.4国际发展展现状三：DevelopmentandtrendsofInternationalAMTechnology:从快速原原型、工工艺辅助助等间接接制造发发展为零零部件直直接制造造，新材材料、新新器件、、新产品品不断出出现；Equipment:向产品化化、系列列化和专专业化方方向发展展；从科科研和工工业等高高端型向向办公和和个人消消费等大大众化型型拓展；；Industry:形成了集集装备、、材料、、软件、、服务于于一体的的产业链链，初具具产业规规模和市市场销售售；Standards:已发布较较成熟的的、成系系列的相相关技术术标准，，并已开开始了国国际标准准的制定定；Application:多学学科科交交叉叉融融合合发发展展，，应应用用领领域域不不断断扩扩大大。。三：：DevelopmentandtrendsofInternationalAM四.Ourdevelopmentsituation电子束熔丝沉积成形：北京625所1990~1995~2000~2003~电子束选区熔化成形：清华大学北京625所2007西北有色院2011中科院金属所2011……快速原型：清华大学西安交大华中科大中北大学北京625所北京隆源公司……2003~金属激光成形：西工大北京有色院北京625所华中科大华南理工北京殷华公司……2011~大型结构激光成形：北航西工大北京625所……2006~激光成形大型航空钛合金结构装机应用：北京航空航天大学……电子束熔丝沉积成形钛合金结构及激光选区熔化成形精密结构装机应用北京625所SomerelatedresearchinstitutesandbasesarebuiltDevelopmentofadditivemanufacturingequipmentsrelyingonuniversitiesandresearchinstitutesunderfinancialsupportofnationalprojects.代表表性性单单位位有有：：西西安安交交通通大大学学、、华华中中科科技技大大学学、、北北京京航航空空航航天天大大学学、、中中航航工工业业北北京京航航空空制制造造工工程程研研究究所所、、西西北北工工业业大大学学、、清清华华大大学学、、华华南南理理工工大大学学、、西西北北有有色色金金属属研研究究院院，，等等等等。。四.Ourdevelopmentsituation625所EBRM设备备625所SLM设备备State-of-the-artistransitingfromrapidprototypingtocomponentsdirectmanufacturing.Areasonhighperformanceplaciticsandmetalcomponentsaredevelopingrapidly.Someexceedinternationallevel.However,generallyspeaking,thereisstillbigroomforimprovement.制作作飞飞机机风风洞洞模模型型，，辅辅助助新新型型飞飞机机结结构构的的创创新新设设计计与与快快速速开开发发用于于汽汽车车、、家家电电和和数数码码等等快快速速更更新新换换代代行行业业中中新新产产品品结结构构的的快快速速验验证证，，如如海海尔尔等等重重要要企企业业均均建建立立的的增增材材制制造造技技术术中中心心辅助助汽汽车车发发动动机机缸缸体体缸缸盖盖等等复复杂杂铸铸件件蜡蜡型型和和砂砂型型的的快快速速制制造造，，二二汽汽、、玉玉柴柴等等相相关关企企业业均均设设立立了了专专门门的的增增材材制制造造部部门门四.OurdevelopmentsituationThereisbigimprovementroomforadditivemanufacturingequipments.Industrialchainneedstobeestablishedinvolvingmaterials,hardware,softwareandservices.EquipmentusagedistributionofinternationaladditivemanufacturingEquipmentproductiondistributionofinternationaladditivemanufacturing截止止2011年底底，，我我国国增增材材制制造造装装备备使使用用量量占占全全球球份份额额的的8.6%，装装备备产产量量仅仅占占世世界界总总量量的的3.6%。说说明明我我国国使使用用的的不不到到10%的装装备备还还有有超超过过一一半半依依赖赖于于进进口口！！我国增增材制制造装装备的的应用用量和和生产产量均均有较较大提提升空空间4.5我国发发展情情况四.Ourdevelopmentsituation四.Ourgeneralsituation4.5我国总总体情情况Researchcondition:形成了了一批批各具具特色色的研研发机机构，，并研研发成成功了了一批批增材材制造造装备备；Technologicallevel:总体上上还处处于从从模型型制作作向零零部件件直接接制造造的过过渡阶阶段，，部分分指标标达世世界领领先水水平；；Applicationandindustry:在典型型关键键领域域进行行了局局部应应用，，但缺缺乏产产业链链，产产业规规模提提升空空间大大！；；Standards:已开始始了相相关标标准的的制定定工作作，但但起步步较晚晚，标标准涉涉及内内容较较分散散，未未形成成成套套的系系列化化标准准。4.6我国面面临的的主要要差距距Weaknessoftheoreticalresearch:在基础础理论论与成成形机机理研研究方方面，，我国国在一一些局局部点点上开开展研研究，，但国国外研研究更更基础础、更更系统统和更更深入入Lackofkeygenerictechnologyresearch:国外基基于成成熟理理论基基础上上的工工艺控控制，，成形形精度度、制制件性性能以以及工工艺稳稳定性性高Weaknessofmaterialsresearch:增材制制造用用材料料与传传统工工艺所所用材材料有有较大大差别别，我我国与与国外外相比比无论论是种种类还还是质质量上上都有有差距距Lowequipmentlevel:大部分分增材材制造造工艺艺装备备国内内都有有研制制，但但在成成形精精度和和智能能化程程度以以及材材料适适应范范围方方面与与国外外先进进水平平相比比存在在差距距Corecomponentsrelyonimport:激光器器、精精密光光学器器件等等装备备核心心元器器件依依靠进进口五.Ourgap,solutionandsuggestAdvantagesOpportunitiesThreatsDisadvantages行业需需求背背景与与支持持推动动明确的的产品品需求求和强强劲的的研发发动力力强大扎扎实领领先的的技术术实力力自主知知识产产权的的软件件平台台前期研研发的的经验验与教教训现环境境下的的低盈盈利甚甚至负负盈利利市场份份额到达市市场的的时间间国内市市场需需求大大而紧紧迫国际主主要竞竞争产产品能能力有有限，，产品品能力力低端端航空产产业需需求旺旺盛现有商商品无无法满满足需需求国际国国内同同行的的快速速研发发竞争争高端产产品的的性能能A