作為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù)，3D打印的發(fā)展時(shí)刻受到各界的廣泛關(guān)注。而金屬高性能增材制造技術(shù)(金屬3D打印技術(shù))被行內(nèi)專家視為3D打印領(lǐng)域高難度、高標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展分支，在工業(yè)制造中有著舉足輕重的地位?，F(xiàn)如今，世界各國(guó)工業(yè)制造企業(yè)都在大力研發(fā)金屬增材制造技術(shù)，尤其是航空航天制造企業(yè)，更是不惜耗費(fèi)大量財(cái)力、物力加大研發(fā)力度，以確保自己的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
3D打印在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢(shì)
1. 縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期
航空航天技術(shù)是國(guó)防實(shí)力的象征，各國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。因此各國(guó)都試圖以更快的速度研發(fā)出更新的武器，確保在國(guó)防領(lǐng)域處于不敗之地。而金屬3D打印技術(shù)讓高性能金屬零部件的制造流程大幅縮短，無需研發(fā)零件制造過程中使用的模具，極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期。
2. 提高材料利用率、降低成本
航空航天制造領(lǐng)域多采用價(jià)格昂貴且較難加工的戰(zhàn)略材料，如鈦合金、鎳基高溫合金等金屬材料。傳統(tǒng)制造方法材料使用率低、機(jī)械加工程序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高。3D打印技術(shù)可將材料的使用率普遍提升到60%，甚至高達(dá)90%以上，從而降低制造成本、節(jié)約原材料。
3. 優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)、增加使用壽命
對(duì)于航空航天、武器裝備而言，減輕重量是永恒不變的主題。波音737約重65公噸，若減重1磅（約0.45千克），每年則能為航空公司節(jié)省幾十萬美元。據(jù)GE航空白皮書所述，將此數(shù)字延伸到全球所有航空器和其節(jié)省的資金，將超過一千萬美元。
傳統(tǒng)制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致，但3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)變換成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果。3D打印技術(shù)通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布，減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險(xiǎn)，從而增加使用壽命。
4. 修復(fù)零件、減少損失
目前，金屬3D打印技術(shù)在修復(fù)成型方面所表現(xiàn)出的潛力高于生產(chǎn)制造方面。以高性能整體渦輪葉盤零件為例，當(dāng)某一葉片受損，整個(gè)渦輪葉盤將報(bào)廢，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)百萬元。而使用3D打印技術(shù)在受損部位進(jìn)行激光立體成型，就可以恢復(fù)零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。
我國(guó)發(fā)展差距淺析
目前我國(guó)從政府、科研、企業(yè)層面都對(duì)3D打印應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域給予高度重視，也取得了部分成就。但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前國(guó)內(nèi)行業(yè)發(fā)展主要存在以下幾方面的問題：
1. 技術(shù)差距
技術(shù)上的差距如復(fù)雜薄壁精密零件結(jié)構(gòu)-性能一體化制造技術(shù)，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪等復(fù)雜精密零件的成形技術(shù)等，一定程度上制約了航空航天裝備技術(shù)水平的提高。
目前國(guó)內(nèi)的3D打印企業(yè)普遍缺乏核心技術(shù)、生產(chǎn)效率低、材料種類缺失，因此很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)3D打印在軍工應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)展最為先進(jìn)，如部分復(fù)雜合金零部件成形等，但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢。
2. 材料差距
材料上的差距主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)材料種類不全、質(zhì)量良莠不齊。3D打印金屬粉末質(zhì)量與國(guó)外存在一定差距，高分子材料（PEEK和PAEK等）和陶瓷材料種類缺失、體系不全。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)的廠家可以生產(chǎn)幾十微米到幾百微米的金屬顆粒，但這種顆粒國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的品質(zhì)與國(guó)外仍有較大差距。
在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃中，前沿材料中就包含3D打印材料，研究方向主要集中在金屬球形粉末成形與制備技術(shù)；突破高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)電極制粉、氣霧化制粉裝備；開發(fā)空心粉率低、顆粒形狀規(guī)則、粒度均勻、雜質(zhì)含量低的高品質(zhì)鈦合金、高溫合金、鋁合金等金屬粉末；研究氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等陶瓷粉末、片材制備方法；建立生物3D打印體系；開發(fā)“3D打印友好型”生物墨水。
3. 設(shè)備差距
目前國(guó)外的3D打印設(shè)備無論是桌面級(jí)還是工業(yè)級(jí)的價(jià)格相對(duì)都比較高；國(guó)內(nèi)的一些設(shè)備雖然價(jià)格較低但質(zhì)量難以保證。同時(shí)設(shè)備的精度以及生產(chǎn)效率等方面還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，這也是阻礙產(chǎn)業(yè)化的主要問題。
我國(guó)雖已有一些企業(yè)能自主制造3D打印設(shè)備，但企業(yè)規(guī)模普遍較小，研發(fā)力量不足。在加工流程穩(wěn)定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術(shù)等環(huán)節(jié)，存在較大缺陷，難以完全滿足產(chǎn)品制造的需求。
而占據(jù)3D打印產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的美國(guó)3Dsystems、Stratasys等公司，每年都投入千萬級(jí)美元研發(fā)新技術(shù)，研發(fā)投入占銷售收入的10％左右。兩家公司不僅研發(fā)設(shè)備、材料和軟件，還通過簽約開發(fā)、直接購買等方式獲得大量來自企業(yè)外部的相關(guān)細(xì)分技術(shù)、專利，掌握大量關(guān)鍵核心技術(shù)。
此外，3D打印的核心是數(shù)字化驅(qū)動(dòng)。目前，我國(guó)3D打印的數(shù)字化程度還不高，軟件高度依賴國(guó)外。未來發(fā)展中，應(yīng)重視3D打印流程中相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)、數(shù)控能力等軟實(shí)力。
4. 宏觀差距
3D打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù)、控制技術(shù)、光機(jī)電技術(shù)、軟件技術(shù)，中游是立足于信息技術(shù)的數(shù)字化平臺(tái)的3D打印解決方案，下游涉及國(guó)防科工、航空航天等行業(yè)，其發(fā)展將深刻影響先進(jìn)制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程。
由于3D打印行業(yè)技術(shù)門檻較高，上中下游所用核心技術(shù)涉及材料學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等多學(xué)科多領(lǐng)域，屬于技術(shù)綜合性較強(qiáng)的領(lǐng)域，需要我國(guó)科研、企業(yè)等多方協(xié)力配合提升我國(guó)3D打印綜合實(shí)力。同時(shí)，在我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中，3D打印逐步代替了很多傳統(tǒng)工藝，發(fā)揮的作用逐步增大，其造成的差距也會(huì)在下游終端應(yīng)用產(chǎn)品的性能和價(jià)格方面被放大。
3D打印在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢(shì)
1. 縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期
航空航天技術(shù)是國(guó)防實(shí)力的象征，各國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。因此各國(guó)都試圖以更快的速度研發(fā)出更新的武器，確保在國(guó)防領(lǐng)域處于不敗之地。而金屬3D打印技術(shù)讓高性能金屬零部件的制造流程大幅縮短，無需研發(fā)零件制造過程中使用的模具，極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期。
2. 提高材料利用率、降低成本
航空航天制造領(lǐng)域多采用價(jià)格昂貴且較難加工的戰(zhàn)略材料，如鈦合金、鎳基高溫合金等金屬材料。傳統(tǒng)制造方法材料使用率低、機(jī)械加工程序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高。3D打印技術(shù)可將材料的使用率普遍提升到60%，甚至高達(dá)90%以上，從而降低制造成本、節(jié)約原材料。
3. 優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)、增加使用壽命
對(duì)于航空航天、武器裝備而言，減輕重量是永恒不變的主題。波音737約重65公噸，若減重1磅（約0.45千克），每年則能為航空公司節(jié)省幾十萬美元。據(jù)GE航空白皮書所述，將此數(shù)字延伸到全球所有航空器和其節(jié)省的資金，將超過一千萬美元。
傳統(tǒng)制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致，但3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)變換成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果。3D打印技術(shù)通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布，減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險(xiǎn)，從而增加使用壽命。
4. 修復(fù)零件、減少損失
目前，金屬3D打印技術(shù)在修復(fù)成型方面所表現(xiàn)出的潛力高于生產(chǎn)制造方面。以高性能整體渦輪葉盤零件為例，當(dāng)某一葉片受損，整個(gè)渦輪葉盤將報(bào)廢，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)百萬元。而使用3D打印技術(shù)在受損部位進(jìn)行激光立體成型，就可以恢復(fù)零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。
我國(guó)發(fā)展差距淺析
目前我國(guó)從政府、科研、企業(yè)層面都對(duì)3D打印應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域給予高度重視，也取得了部分成就。但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前國(guó)內(nèi)行業(yè)發(fā)展主要存在以下幾方面的問題：
1. 技術(shù)差距
技術(shù)上的差距如復(fù)雜薄壁精密零件結(jié)構(gòu)-性能一體化制造技術(shù)，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪等復(fù)雜精密零件的成形技術(shù)等，一定程度上制約了航空航天裝備技術(shù)水平的提高。
目前國(guó)內(nèi)的3D打印企業(yè)普遍缺乏核心技術(shù)、生產(chǎn)效率低、材料種類缺失，因此很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)3D打印在軍工應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)展最為先進(jìn)，如部分復(fù)雜合金零部件成形等，但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢。
2. 材料差距
材料上的差距主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)材料種類不全、質(zhì)量良莠不齊。3D打印金屬粉末質(zhì)量與國(guó)外存在一定差距，高分子材料（PEEK和PAEK等）和陶瓷材料種類缺失、體系不全。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)的廠家可以生產(chǎn)幾十微米到幾百微米的金屬顆粒，但這種顆粒國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的品質(zhì)與國(guó)外仍有較大差距。
在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃中，前沿材料中就包含3D打印材料，研究方向主要集中在金屬球形粉末成形與制備技術(shù)；突破高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)電極制粉、氣霧化制粉裝備；開發(fā)空心粉率低、顆粒形狀規(guī)則、粒度均勻、雜質(zhì)含量低的高品質(zhì)鈦合金、高溫合金、鋁合金等金屬粉末；研究氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等陶瓷粉末、片材制備方法；建立生物3D打印體系；開發(fā)“3D打印友好型”生物墨水。
3. 設(shè)備差距
目前國(guó)外的3D打印設(shè)備無論是桌面級(jí)還是工業(yè)級(jí)的價(jià)格相對(duì)都比較高；國(guó)內(nèi)的一些設(shè)備雖然價(jià)格較低但質(zhì)量難以保證。同時(shí)設(shè)備的精度以及生產(chǎn)效率等方面還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，這也是阻礙產(chǎn)業(yè)化的主要問題。
我國(guó)雖已有一些企業(yè)能自主制造3D打印設(shè)備，但企業(yè)規(guī)模普遍較小，研發(fā)力量不足。在加工流程穩(wěn)定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術(shù)等環(huán)節(jié)，存在較大缺陷，難以完全滿足產(chǎn)品制造的需求。
而占據(jù)3D打印產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的美國(guó)3Dsystems、Stratasys等公司，每年都投入千萬級(jí)美元研發(fā)新技術(shù)，研發(fā)投入占銷售收入的10％左右。兩家公司不僅研發(fā)設(shè)備、材料和軟件，還通過簽約開發(fā)、直接購買等方式獲得大量來自企業(yè)外部的相關(guān)細(xì)分技術(shù)、專利，掌握大量關(guān)鍵核心技術(shù)。
此外，3D打印的核心是數(shù)字化驅(qū)動(dòng)。目前，我國(guó)3D打印的數(shù)字化程度還不高，軟件高度依賴國(guó)外。未來發(fā)展中，應(yīng)重視3D打印流程中相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)、數(shù)控能力等軟實(shí)力。
4. 宏觀差距
3D打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù)、控制技術(shù)、光機(jī)電技術(shù)、軟件技術(shù)，中游是立足于信息技術(shù)的數(shù)字化平臺(tái)的3D打印解決方案，下游涉及國(guó)防科工、航空航天等行業(yè)，其發(fā)展將深刻影響先進(jìn)制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程。
由于3D打印行業(yè)技術(shù)門檻較高，上中下游所用核心技術(shù)涉及材料學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等多學(xué)科多領(lǐng)域，屬于技術(shù)綜合性較強(qiáng)的領(lǐng)域，需要我國(guó)科研、企業(yè)等多方協(xié)力配合提升我國(guó)3D打印綜合實(shí)力。同時(shí)，在我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中，3D打印逐步代替了很多傳統(tǒng)工藝，發(fā)揮的作用逐步增大，其造成的差距也會(huì)在下游終端應(yīng)用產(chǎn)品的性能和價(jià)格方面被放大。
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