3D打印——
高端制造的利器(開卷知新)
盧秉恒 《 人民日報(bào) 》( 2022年04月19日 第 20 版)
3D打印是制造業(yè)熱門技術(shù)，應(yīng)用范圍極廣。它既可以打印塑料、陶瓷等非金屬材料，也可以打印鋼鐵、鋁合金、鈦合金、高溫合金等金屬材料，以及復(fù)合材料、生物材料甚至是生命材料，成形尺寸從微納米元器件到10米以上大型航空結(jié)構(gòu)件，為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展及傳統(tǒng)制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型提供了巨大契機(jī)。
相較傳統(tǒng)制造方法，3D打印在理念上大為不同。我們經(jīng)常使用的產(chǎn)品都是三維的，傳統(tǒng)制造方法是模具成形或者切削加工，也被稱作是等材制造及減材制造。等材制造就是人們熟知的鑄鍛焊，已經(jīng)有數(shù)千年歷史。無論是四川的三星堆，還是陜西的兵馬俑，都能看到用等材制造方法制成的精美銅器。電動(dòng)機(jī)問世后，以其為動(dòng)力，可以對材料進(jìn)行切削加工。因?yàn)樵谲囥娕倌サ募庸み^程中材料逐漸被切掉，所以被稱為減材制造。與上述兩種傳統(tǒng)制造方法相比，我們俗稱的3D打印技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)明的新制造方法，類似燕子銜泥造窩，材料一點(diǎn)一點(diǎn)累加，造出三維物體來，因此又稱增材制造。雖然從理念上說，燕子銜泥、萬里長城都可以視作增材制造，但是只有在計(jì)算機(jī)控制下，把需要的材料按照設(shè)計(jì)累加到需要的地方，實(shí)現(xiàn)控形控性，才是真正的增材制造。
賦能產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造，推動(dòng)高端制造業(yè)長足進(jìn)步
經(jīng)過多年研究與發(fā)展，人們發(fā)明了光固化、粉末燒結(jié)、絲材累加等3D打印技術(shù)。這3種技術(shù)分別利用激光掃描液態(tài)光敏樹脂表面，使之固化，或者高能束掃描材料粉末，使之燒結(jié)，或者采用熱/電弧/高能束熔融絲材按照圖形剖面鋪設(shè)等方法，在剖面上一層層累加，制成三維實(shí)體零件。信息技術(shù)日新月異，3D打印技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制下，可以打印出多種材料、任意形狀，因此在工業(yè)及日常生活中，正帶來許多重大變化。
不同的制造技術(shù)有不同的技術(shù)特點(diǎn)。比如等材制造的鑄鍛焊過程，需要模具、砂型，如果我們只做一件樣品，成本上就劃不來，它更適合于批量制造。當(dāng)然，也可以用減材制造進(jìn)行切削加工，但加工過程會造成材料浪費(fèi)。比如航空航天制造中，為實(shí)現(xiàn)輕量化，一些零件很大卻很輕，形狀復(fù)雜，要把材料盡可能地分布在邊沿，這就需要切掉很多材料。對一些像鋁合金、鈦合金這樣貴重的金屬來說，付出的成本高昂。3D打印技術(shù)擺脫了模具、工裝夾具等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，在新產(chǎn)品開發(fā)、首件制造等方面，極大縮短了周期，降低了成本。而且通過計(jì)算機(jī)控制，完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，哪里需要材料，就可以把材料堆積到哪里，做到節(jié)材制造。
目前，我國不少企業(yè)的制造能力強(qiáng)，但產(chǎn)品開發(fā)能力相對不足，制約了制造業(yè)向價(jià)值鏈頂端的發(fā)展。3D打印可以幫助我們補(bǔ)足這一短板，縮短設(shè)計(jì)迭代、樣機(jī)制作、評價(jià)、分析、改進(jìn)、量產(chǎn)等流程。如在航空航天等高端裝備的快速開發(fā)和迭代升級方面，3D打印已成為新產(chǎn)品開發(fā)的有力工具。
3D打印還為創(chuàng)新設(shè)計(jì)拓展出巨大空間。過去設(shè)計(jì)師雖然有很好的構(gòu)想，但由于模具制造的復(fù)雜性、切削加工空間的可達(dá)性，不能按照原構(gòu)想來設(shè)計(jì)，只能把大的零件拆成幾十、上百個(gè)小零件，設(shè)計(jì)與制造的成本隨之增加。對于傳統(tǒng)制造難以實(shí)現(xiàn)的零件形狀或結(jié)構(gòu)，3D打印可以勝任，通過結(jié)構(gòu)一體化制造，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)構(gòu)想。這就為設(shè)計(jì)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、裝備創(chuàng)新提供巨大空間，由此為制造業(yè)帶來不可估量的效益。比如，一家生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的大型公司，原來在制造發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴過程中，由于制造技術(shù)的局限，需要把噴嘴分成20多個(gè)零件去制造。這20多個(gè)零件中的每一個(gè)都要達(dá)到微米級，裝配在一起時(shí)需要焊接，然而一焊接，就達(dá)不到微米級的精度了。結(jié)果，燃油噴嘴的制造缺乏一致性，燃油效率很難優(yōu)化。而現(xiàn)在，可以把20多個(gè)零件一體化地3D打印出來，化繁為簡，提高了零件的燃油效率，大大增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力。
除了擅長復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)制造，3D打印還可以在個(gè)性化制造上大顯身手。伴隨信息化進(jìn)程，個(gè)性化制造在越來越多的領(lǐng)域替代流水線式大批量制造。家電、可穿戴電子設(shè)備乃至汽車等消費(fèi)品越來越呈現(xiàn)個(gè)性化趨勢，而3D打印尤為擅長個(gè)性化制造。比如為運(yùn)動(dòng)員3D打印一雙最適合其腳型的鞋子，將有助于改善穿著體驗(yàn)，提高運(yùn)動(dòng)成績。在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域，如骨科手術(shù)輔具、牙科正畸、手術(shù)模型等方面，能夠越來越多地看到3D打印的應(yīng)用。3D打印醫(yī)療器械新產(chǎn)品層出不窮，已從最初用于制造生物假體，擴(kuò)展至細(xì)胞、組織和器官打印研究，未來或?qū)⒂糜谌梭w器官再創(chuàng)，為人類帶來福祉。
產(chǎn)業(yè)鏈不斷擴(kuò)展，“3D打印+”邁上新臺階
全球增材制造產(chǎn)業(yè)鏈正在不斷擴(kuò)展。航空航天、航海、能源動(dòng)力、汽車和軌道交通、電子工業(yè)、模具制造、醫(yī)療健康、數(shù)字創(chuàng)意、建筑等領(lǐng)域的企業(yè)和服務(wù)廠商不斷涌入增材制造產(chǎn)業(yè)。汽車行業(yè)超越航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域，成為3D打印技術(shù)的第一大應(yīng)用行業(yè)，包括原型設(shè)計(jì)、模具制造和批量化3D打印零件等。
3D打印在前沿科學(xué)研究方面，也發(fā)揮著越來越重要的作用。3D打印技術(shù)能在可控條件下，快速將不同材料混合在一起，打印試件或零件，因此可以按照材料基因組方法，實(shí)驗(yàn)與發(fā)明新合金、新復(fù)合材料，為工業(yè)應(yīng)用快速開發(fā)出更多更好的新材料，滿足高端裝備、新產(chǎn)品的多方面需求。近年來，功能梯度材料越來越受到重視。用多種不同材料打印零件，將材料分層，不同材料打印在不同層，零件就可以實(shí)現(xiàn)表面是耐磨、耐腐蝕的，里面是高強(qiáng)度、韌性好的，再里面就像人體的骨頭一樣，是疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。如此一來，產(chǎn)品在增強(qiáng)剛性的同時(shí)減輕了重量。
當(dāng)前，人們正致力于增材制造技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。3D打印已經(jīng)應(yīng)用于我國航空航天開發(fā)和小批量制造、汽車快速開發(fā)及輕量化、精準(zhǔn)醫(yī)療、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。在材料制備、3D打印主流工藝與裝備、關(guān)鍵零部件、控制軟件及各領(lǐng)域工程應(yīng)用等方面，初步形成創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈。去年，我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模增速高于全球同期增速。我國已將3D打印應(yīng)用于飛機(jī)起落架這類高負(fù)荷承力件；中國首枚火星探測器“天問一號”的運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上，安裝了許多3D打印零件。作為一種短流程的制造技術(shù)，3D打印在抗擊新冠肺炎疫情中也發(fā)揮了作用，如3D打印醫(yī)療方艙、護(hù)目鏡、呼吸閥等。
經(jīng)過近40年發(fā)展，增材制造已經(jīng)邁向“3D打印+”階段。從開始的原型制造逐漸發(fā)展為直接制造、批量制造；從以形狀控制為主要目標(biāo)的模型模具制造，到形性兼具的結(jié)構(gòu)功能一體化的部件組件制造；從微納米尺度的功能元器件制造到數(shù)十米大小的民用建筑物打印……增材制造作為一項(xiàng)變革性技術(shù)，是先進(jìn)制造的有力工具，是智能制造不可分割的重要組成部分。
隨著“3D打印+”的深入開展，增材制造、減材制造與等材制造將走向互融互通。不同制造技術(shù)各顯其長，發(fā)揮合力，共同推動(dòng)我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)。
(作者為中國工程院院士、西安交通大學(xué)教授)