3D打印——高端制造的利器
3D打印——
高端制造的利器(開卷知新)
盧秉恒 《 人民日報 》( 2022年04月19日 第 20 版)
3D打印是制造業熱門技術，應用范圍極廣。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米以上大型航空結構件，為現代制造業發展及傳統制造業升級轉型提供了巨大契機。
相較傳統制造方法，3D打印在理念上大為不同。我們經常使用的產品都是三維的，傳統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，已經有數千年歷史。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。電動機問世后，以其為動力，可以對材料進行切削加工。因為在車銑刨磨的加工過程中材料逐漸被切掉，所以被稱為減材制造。與上述兩種傳統制造方法相比，我們俗稱的3D打印技術是上世紀80年代發明的新制造方法，類似燕子銜泥造窩，材料一點一點累加，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，但是只有在計算機控制下，把需要的材料按照設計累加到需要的地方，實現控形控性，才是真正的增材制造。
賦能產品設計制造，推動高端制造業長足進步
經過多年研究與發展，人們發明了光固化、粉末燒結、絲材累加等3D打印技術。這3種技術分別利用激光掃描液態光敏樹脂表面，使之固化，或者高能束掃描材料粉末，使之燒結，或者采用熱/電弧/高能束熔融絲材按照圖形剖面鋪設等方法，在剖面上一層層累加，制成三維實體零件。信息技術日新月異，3D打印技術在計算機控制下，可以打印出多種材料、任意形狀，因此在工業及日常生活中，正帶來許多重大變化。
不同的制造技術有不同的技術特點。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。當然，也可以用減材制造進行切削加工，但加工過程會造成材料浪費。比如航空航天制造中，為實現輕量化，一些零件很大卻很輕，形狀復雜，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打印技術擺脫了模具、工裝夾具等生產準備工作，在新產品開發、首件制造等方面，極大縮短了周期，降低了成本。而且通過計算機控制，完全實現數字化，哪里需要材料，就可以把材料堆積到哪里，做到節材制造。
目前，我國不少企業的制造能力強，但產品開發能力相對不足，制約了制造業向價值鏈頂端的發展。3D打印可以幫助我們補足這一短板，縮短設計迭代、樣機制作、評價、分析、改進、量產等流程。如在航空航天等高端裝備的快速開發和迭代升級方面，3D打印已成為新產品開發的有力工具。
3D打印還為創新設計拓展出巨大空間。過去設計師雖然有很好的構想，但由于模具制造的復雜性、切削加工空間的可達性，不能按照原構想來設計，只能把大的零件拆成幾十、上百個小零件，設計與制造的成本隨之增加。對于傳統制造難以實現的零件形狀或結構，3D打印可以勝任，通過結構一體化制造，實現最優設計構想。這就為設計創新、產品創新、裝備創新提供巨大空間，由此為制造業帶來不可估量的效益。比如，一家生產飛機發動機的大型公司，原來在制造發動機燃油噴嘴過程中，由于制造技術的局限，需要把噴嘴分成20多個零件去制造。這20多個零件中的每一個都要達到微米級，裝配在一起時需要焊接，然而一焊接，就達不到微米級的精度了。結果，燃油噴嘴的制造缺乏一致性，燃油效率很難優化。而現在，可以把20多個零件一體化地3D打印出來，化繁為簡，提高了零件的燃油效率，大大增強產品競爭力。
除了擅長復雜零件的設計制造，3D打印還可以在個性化制造上大顯身手。伴隨信息化進程，個性化制造在越來越多的領域替代流水線式大批量制造。家電、可穿戴電子設備乃至汽車等消費品越來越呈現個性化趨勢，而3D打印尤為擅長個性化制造。比如為運動員3D打印一雙最適合其腳型的鞋子，將有助于改善穿著體驗，提高運動成績。在精準醫療領域，如骨科手術輔具、牙科正畸、手術模型等方面，能夠越來越多地看到3D打印的應用。3D打印醫療器械新產品層出不窮，已從最初用于制造生物假體，擴展至細胞、組織和器官打印研究，未來或將用于人體器官再創，為人類帶來福祉。
產業鏈不斷擴展，“3D打印+”邁上新臺階
全球增材制造產業鏈正在不斷擴展。航空航天、航海、能源動力、汽車和軌道交通、電子工業、模具制造、醫療健康、數字創意、建筑等領域的企業和服務廠商不斷涌入增材制造產業。汽車行業超越航空航天、醫療等領域，成為3D打印技術的第一大應用行業，包括原型設計、模具制造和批量化3D打印零件等。
3D打印在前沿科學研究方面，也發揮著越來越重要的作用。3D打印技術能在可控條件下，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，實驗與發明新合金、新復合材料，為工業應用快速開發出更多更好的新材料，滿足高端裝備、新產品的多方面需求。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，零件就可以實現表面是耐磨、耐腐蝕的，里面是高強度、韌性好的，再里面就像人體的骨頭一樣，是疏松的蜂窩狀結構。如此一來，產品在增強剛性的同時減輕了重量。
當前，人們正致力于增材制造技術開發與產業化。3D打印已經應用于我國航空航天開發和小批量制造、汽車快速開發及輕量化、精準醫療、文化創意等領域。在材料制備、3D打印主流工藝與裝備、關鍵零部件、控制軟件及各領域工程應用等方面，初步形成創新鏈與產業鏈。去年，我國增材制造產業規模增速高于全球同期增速。我國已將3D打印應用于飛機起落架這類高負荷承力件；中國首枚火星探測器“天問一號”的運載火箭發動機上，安裝了許多3D打印零件。作為一種短流程的制造技術，3D打印在抗擊新冠肺炎疫情中也發揮了作用，如3D打印醫療方艙、護目鏡、呼吸閥等。
經過近40年發展，增材制造已經邁向“3D打印+”階段。從開始的原型制造逐漸發展為直接制造、批量制造；從以形狀控制為主要目標的模型模具制造，到形性兼具的結構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十米大小的民用建筑物打印……增材制造作為一項變革性技術，是先進制造的有力工具，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。不同制造技術各顯其長，發揮合力，共同推動我國由制造大國向制造強國邁進。
(作者為中國工程院院士、西安交通大學教授)
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