盧秉恒院士：我國(guó)增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用

來源：新材料在線

在“2018中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)高峰論壇”上,，中國(guó)工程院院士盧秉恒以“我國(guó)增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用”為主題發(fā)表了演講，詳細(xì)闡述了我國(guó)增材制造技術(shù)的應(yīng)用方向及未來發(fā)展趨勢(shì),，同時(shí)指出了中國(guó)增材制造技術(shù)發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn),。新材料在線®根據(jù)盧院士現(xiàn)場(chǎng)發(fā)言資料整理下文，供行業(yè)人士參考學(xué)習(xí),。

盧秉恒院士

增材制造對(duì)于中國(guó)制造而言非常需要,，因?yàn)橹袊?guó)企業(yè)的制造能力往往很強(qiáng)，但是產(chǎn)品的開發(fā)能力嚴(yán)重不足,，而增材制造可以為我們補(bǔ)足這個(gè)短板,，它可以先把我們的設(shè)計(jì)利用很短的流程進(jìn)行迭代，作出樣機(jī),、評(píng)價(jià)、分析,，確定了設(shè)計(jì)之后再進(jìn)行生產(chǎn),。

增材制造最近幾年發(fā)展非�,？欤�年增長(zhǎng)率幾乎在百分之二十幾到百分之四十幾,。其中,，F(xiàn)DM尤其迎合了創(chuàng)客的需要和教育的需要，發(fā)展非�,？�,。SLA在產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

對(duì)大型金屬結(jié)構(gòu)件來說,，用絲材進(jìn)行熔化堆積可能是更好的方法,，它的能源可以是激光的，也可以是電子束的,，也可以是電弧的,，就像傳統(tǒng)的電焊一樣。這個(gè)技術(shù)已經(jīng)可以做到尺寸大于2米,、5米,，甚至已經(jīng)做到8米。我們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)做到2米,，正在做5米,、6米的裝備。還可以把許多傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合用于3D打印,。用層層堆積的概念,，例如鑄造，可以進(jìn)行一層層薄層鑄造來形成3D打印新的技術(shù),。我們有一個(gè)專利,，在每一層鑄造中采取鍛打的辦法，來提高它的強(qiáng)度,，增加結(jié)構(gòu)材料的致密度,，來提高它的性能。我們也做了很多堆焊的實(shí)驗(yàn),，認(rèn)為是大型結(jié)構(gòu)件高效的制造方法,，可以達(dá)到每小時(shí)5公斤甚至10公斤。

3D打印理論研究需加強(qiáng)
在金屬3D打印中一個(gè)最重要的問題是怎么樣能夠使結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度提高,，這里面有很重要的問題需要進(jìn)行研究,。無(wú)論是鑄造還是鍛壓，人們都一直在研究凝固學(xué)理論,，但是鑄造和焊接中熔池規(guī)模比較大,，所以在宏觀的體積內(nèi)來進(jìn)行冷卻和凝固。在3D打印中無(wú)論是激光束還是電子束,，它的熔池比較小,，所以從理論分析,，小的熔池產(chǎn)生的缺陷肯定要小得多，所以材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠得到提高,。但是怎么樣控制它的一些晶粒的生長(zhǎng),。冷卻速度影響晶粒的大小，影響了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,。金屬材料的3D打印是一個(gè)在強(qiáng)非平衡態(tài)凝固學(xué)理論，但可惜現(xiàn)在還沒有能夠完全弄清楚這一科學(xué)問題,。對(duì)增材制造件的應(yīng)力分析還處于實(shí)驗(yàn)階段,，還不能形成很好的理論來指導(dǎo)這一過程。

最近幾年增材制造一些創(chuàng)新不斷涌現(xiàn),，像面曝光的技術(shù),，用光固化的原理，材料像拉拔一樣快速成形,，這樣使效率提高了50倍到100倍,。像金屬打印，用一體液態(tài)金屬打印的概念也出來了,，實(shí)際上是用光固化的材料加上金屬粉末,，也可以把陶瓷粉末用于這個(gè)辦法進(jìn)行打印。打印過以后需要進(jìn)行脫脂,、燒結(jié),。所以3D是一個(gè)嶄新的概念，但是在這個(gè)嶄新的概念中可以把傳統(tǒng)的制造技術(shù)進(jìn)行融合,，來產(chǎn)生一些新的創(chuàng)新技術(shù),。

功能梯度材料越來越被重視
將材料分層，不同材料打印在不同層,，我們就可以得到表面是耐磨的,、耐腐蝕的，里面的是高強(qiáng)度的,，韌性好的,，再里面就像人體的骨頭一樣，是一個(gè)疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu),，增強(qiáng)剛性的同時(shí)減輕重量,。這些技術(shù)在航空航天都有了很重要的用途。

而復(fù)合材料的應(yīng)用,，也是一個(gè)非常重要的方面,。需要關(guān)注的是，在溫度變化時(shí)界面會(huì)發(fā)生什么樣的變化，承載時(shí)界面之間的作用力,。3D結(jié)構(gòu)形成的過程與正常工況,、溫度環(huán)境和其他物理環(huán)境不一樣，這樣會(huì)不會(huì)引起界面內(nèi)應(yīng)力的增加而影響性能,，這都是需要研究的問題。

在這方面應(yīng)用前景還是非常廣的,，像汽車,、飛機(jī)和航天結(jié)構(gòu)，都需要在減輕重量的同時(shí)保持高的強(qiáng)度或高的剛度,，就需要復(fù)合材料,。當(dāng)然纖維復(fù)合材料中有長(zhǎng)纖維的復(fù)合材料，像碳纖維的汽車車身,，當(dāng)然也可以用短纖維的復(fù)合材料去制造,，這里3D打印是有優(yōu)勢(shì)的。長(zhǎng)纖維復(fù)合材料車身的制造可能技術(shù)上還有很多的難關(guān),，在表面比較展開的一些曲面是比較容易制造的,，但是在曲面變化比較大的一些凹凸結(jié)構(gòu)的比較難以實(shí)現(xiàn)。但我們也可以用短纖維或樹脂復(fù)合解決這個(gè)問題,，也可以達(dá)到很好的強(qiáng)度,。

所以綜合我們所獲得性能的改善以及經(jīng)濟(jì)性和工藝可實(shí)現(xiàn)性，之間要平衡,。這在汽車制造中,，我認(rèn)為可能是前景比較大的。短纖維復(fù)合材料可能更容易實(shí)現(xiàn),，因?yàn)樗�仍然可以用模具制��,，所以能夠適應(yīng)汽車大批量生產(chǎn)。當(dāng)然,，長(zhǎng)纖維的也可以用來制造樣車,，在樣車制造中我們可以花費(fèi)比較大的代價(jià)來完成一些更好的性能。所以3D打印在應(yīng)用中要發(fā)揮它更好的效應(yīng),，必須和傳統(tǒng)的制造相結(jié)合,，來綜合平衡它的性能和成本。

3D打印的應(yīng)用場(chǎng)景呈現(xiàn)高端化趨勢(shì)
3D打印在各種高端制造領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展,。由于3D打印對(duì)復(fù)雜形狀零件的適應(yīng)性,，它可以把很多零件集成在一個(gè)零件上，在航空航天中,，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件個(gè)數(shù)就減少了80%,，可以把很多焊縫用3D打印來實(shí)現(xiàn)，甚至有說法提出3D打印的出現(xiàn)會(huì)不會(huì)使焊接變得沒有用了，當(dāng)然這不是絕對(duì)的,，但是很多方面可以用3D打印來代替,，這樣來減少焊縫帶來的強(qiáng)度的破壞以及一些可能發(fā)生的故障。

3D打印用于建筑,，現(xiàn)在也開始了很多探索,，目前打印低層建筑日漸成熟，用的越來越廣泛了,。高層的建筑還有一定的難度,，這方面有待于材料的改進(jìn)和材料打印工藝的發(fā)展。

西安交大從上個(gè)世紀(jì)九十年代就開始3D打印技術(shù),，但主要是完成以3D打印為核心產(chǎn)品快速開發(fā)的技術(shù),，這方面和傳統(tǒng)的制造技術(shù)相結(jié)合，用拷貝的辦法去制造模具,，而拷貝的模型是3D打印出來的,。例如我們做家電設(shè)計(jì)的時(shí)候可以用硅橡膠去復(fù)制模具。我們?cè)谧銎�車覆蓋件的時(shí)候可以用金屬噴涂法覆蓋模具,，我們?cè)��?jīng)用100天時(shí)間做了兩款車全部外覆蓋件的模具,，成本就是100萬(wàn)人民幣，如果我們傳統(tǒng)制造的辦法投入要幾個(gè)億甚至是10億以上,，要一年多的時(shí)間,，所以這樣就大大節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)中所需要的費(fèi)用和時(shí)間。

所以,，3D打印應(yīng)用的領(lǐng)域越來越寬廣,，從民用的消費(fèi)品、文化創(chuàng)意產(chǎn)品,、建筑的設(shè)計(jì)到航空航天的結(jié)構(gòu),，這方面國(guó)內(nèi)很多研究單位做了大量的工作，已經(jīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的承載件,，例如C919的很多零件上�,，F(xiàn)在中國(guó)民用飛機(jī)也有自己的目標(biāo)，像上海商發(fā)準(zhǔn)備80%發(fā)動(dòng)機(jī)的零件都用3D打印來支持研發(fā),GE公司也已經(jīng)有三分之一的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件用3D打印進(jìn)行生產(chǎn),所以這方面越來越顯示3D打印的技術(shù)顛覆性,。

3D打印面臨的挑戰(zhàn)
3D打印面臨的挑戰(zhàn)包括怎么樣從控形到控形控性,，從宏觀到微納， 從制造到創(chuàng)造,，從地球到太空,，以及如何多學(xué)科交叉推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。

微納3D打印的作用是什么呢,？
第一,，現(xiàn)在做智能制造需要很多的傳感器，傳感器以前是微電子工業(yè)制造的，它必須有很大的批量才劃算,，例如要上百萬(wàn)件,。但是制造業(yè)所需要的一些量非常小，批度非常多,，就適合用3D打印來制造,。3D打印按照我們能夠制造復(fù)雜形狀的優(yōu)勢(shì)和對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，進(jìn)行再設(shè)計(jì),，再設(shè)計(jì)的結(jié)果可以使很多零件結(jié)合一個(gè)零件,。

第二，使熱交換效率得到很大提升,，可以使我們用很少的材料達(dá)到非常強(qiáng)的剛度和硬度。以后還會(huì)從地球發(fā)展到太空,，我們把很多制造任務(wù)能不能放到太空中去,？因?yàn)樘�空雖然有很多不利的條件，但是也有很多有利的條件,，它沒有重力,，我們可以用一個(gè)小的設(shè)備去制造大的零件。它接近真空,，所以就不會(huì)像鈦合金的打印必須在氬氣保護(hù)下去做,。

同時(shí)，中國(guó)3D打印在應(yīng)用領(lǐng)域做的還是不錯(cuò)的,，但是我們?cè)谧约涸瓌?chuàng)的裝備,、原創(chuàng)的技術(shù)方面有相當(dāng)大的差距，我們希望能夠通過多學(xué)科的交叉,，和材料領(lǐng)域,、信息領(lǐng)域，和生物醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行交叉,，來推動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新,。

3D打印未來發(fā)展趨勢(shì)
第一，我們相信3D打印產(chǎn)業(yè)逐漸會(huì)成為各行各業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的利器,；我們希望今后五年到十年各個(gè)領(lǐng)域都用3D打印技術(shù)開發(fā)自己的產(chǎn)品和裝備,。

第二，從批量生產(chǎn)走向個(gè)性化定制,；制造業(yè)目前是大批量生產(chǎn),，但是我們?cè)趺醋呦騻�(gè)性化定制，增材制造可以發(fā)揮非常重要的作用,。像現(xiàn)在海爾使他們的設(shè)計(jì)師和用戶通過網(wǎng)絡(luò)的交互,，來進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，但是在制造方面他們還是遇到了困難，在個(gè)人消費(fèi)品領(lǐng)域有可能3D打印就成為一個(gè)取代傳統(tǒng)制造的方式,。

第三,，大型企業(yè)跨界介入促進(jìn)行業(yè)發(fā)展；例如GE公司,，他們用3D打印革新了發(fā)動(dòng)機(jī)的零件,，帶來很多的訂單。他們專門成立了3D打印增材制造公司,，并且投入很大的資金來進(jìn)行研發(fā)活動(dòng),。所以3D打印真正的創(chuàng)造價(jià)值大并不在于賣多少打印設(shè)備，也不在于賣多少打所材料,，而是怎么樣把3D打印技術(shù)用到各行各業(yè),，所以這就需要各個(gè)領(lǐng)域制造業(yè)的企業(yè)共同參與，所以它不是一個(gè)專業(yè)隊(duì)伍的事,，是一個(gè)制造業(yè)整體的事,，它是一個(gè)共性技術(shù)。

第四,，標(biāo)準(zhǔn)研究引領(lǐng)發(fā)展,；目前，3D打印發(fā)展中標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)約束,，很多低端,、高端混在一起，一些用戶辨不清,，發(fā)展中出現(xiàn)了劣幣驅(qū)逐良幣的現(xiàn)象,，同質(zhì)化的發(fā)展、低價(jià)位的競(jìng)爭(zhēng),，這也是中國(guó)制造往往會(huì)出現(xiàn)的一些毛病,、缺陷。

（文章整理自2018增材制造大會(huì)高峰論壇盧秉恒院士發(fā)言,，有刪減）