北京航空航天大學傳授王華明
12月9-10日，以“全球經(jīng)濟復蘇與制造業(yè)轉型”為主題的第六屆亞洲制造業(yè)論壇年會在北京進行，制造業(yè)的專家、企業(yè)巨頭共聚一堂，共商經(jīng)濟低迷時期的制造業(yè)發(fā)展趨向。在“3D打印技術產(chǎn)業(yè)專題”環(huán)節(jié)，北京航空航天大學傳授王華明做了主題演講。
以下是部分文字實錄：
王華明：我就講一下增材制造3D打印“從快速成形到直接國產(chǎn)產(chǎn)品制造”。我來自北京航空航天大學，我這裏科普一下爲什麼現(xiàn)在3D打印這麼熱，因爲媒體都很關心這個情況，簡單介紹一下3D打印是什麼，然後我介紹一下金屬零件的增材制造。
第一，爲什麼3D打印這麼熱？3D打印出現(xiàn)很多年了，應該說快30年了，最近熱起來是因爲奧巴馬3月9號公布了重振美國制造業(yè)計劃，在美國成立一個制造創(chuàng)新的網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡要緊由15個制造創(chuàng)新的研究院組成，每一個研究院主假如致力于具有廣闊應用價值的前沿新技術的研發(fā)、示範、人才培訓等推向制造業(yè)並國產(chǎn)產(chǎn)品應用，提供就業(yè)機會，提升美國在制造業(yè)的全球競爭力和領導地位。這是目標。當天就責成美國國防部等五個聯(lián)邦部門去選擇一種技術，先成立一個連辦研究所，大概是在4月17號就選擇了第一個技術，3D打印，今年8月16號成立了國家增材制造創(chuàng)新研究院，這是創(chuàng)新網(wǎng)絡的第一個研究院，這個研究院政府投資3000萬美元，企業(yè)投資4500萬美元，要緊由聯(lián)邦政府負責管理和組建，是一個産學研結合的機構。我想爲什麼大概從5月份開始，增材制造就開始熱起來的原因。
第二個，說一下終于什麼是增材，增材制造或者是3D打印。這是傳統(tǒng)的細胞膜，大伙兒做零件的話，先有一個毛坯，然後制造零件，當然這個利潤率比較低，這是一個傳統(tǒng)的方法，但是不是說我們在線要取代它。增材制造就是往上面添加材料，更形象的就是高等數(shù)學裏面的定積分。增材制造從分類上來說，是兩大類，一類就是原型制造，快速成型，成型出來一個模樣，再把它翻成一個金屬零件，這個零件從80年代中期開始，現(xiàn)在擴展到更多領域。另外一個是做高性能的金屬零件直接制造，這個從90年代初開始，難度比較大。原型子早主假如做樹脂、石蠟、紙等原型件，這個件可以用，也可以再翻成別的零件。要緊用途還是在新國產(chǎn)產(chǎn)品的快速設計，在這個階段對設計的優(yōu)化、商業(yè)宣傳、國產(chǎn)產(chǎn)品的評估等做快速準備，結果是反映在新國產(chǎn)產(chǎn)品的研發(fā)成本和生産準備的成本，以及新國產(chǎn)產(chǎn)品研發(fā)周期。
這種快速原型制造的方法，應該說這是大伙兒都知道的3D打印，這應該是1986年MIT發(fā)明的方法，叫3D打印。基本工藝包括光敏樹脂化等等很多方法，3D打印就是這麼回事，用噴墨打印機把膠水打出來，一烤幹，建一個厚度，鋪一層粉末，如何打印就可以反複打一個東西出來，這是鋪紙工藝，這裏就不講了，剛才顔傳授介紹了這個造型，清華大學做得非常好。然後，這個就是選擇性激光燒結，3D打印完全被它取代，它的精度是比較高的。
第二類，就是高性能金屬構建的直接制造，這個情況發(fā)展相對比較萬，上世紀90年代。用的手段是一樣的，要緊用高功率的激光束或者是高功率的電子束對粉末絲材進行熔化，往上堆積，應該說這是它的一個要緊方法。到現(xiàn)在爲止，也許大伙兒見到的基本上做小的居多，做大的難度還會非常大，後面我還會講講個人觀點，這也許是增材制造發(fā)展的方向，也是一個難點。
這是國外做的一些情況，關于在金屬零件這塊做得很多，要做到這個程度難度非常大，這個也可以看出來，外表並不是能達到真正的精度。像這個雖然說外表很光，但是離傳統(tǒng)的加工還有很大的差別。這是密歇根大學做的梯度材料，這是熱縮冷展的結構，這是所謂空心的結構。
下面我就講一下我認爲真正的方向，就是高性能難加工的金屬大型複雜構建激光直接制造，我覺得這也許也是一個方向。這個方向剛才講了，就是用高功率的激光或者是高功率的電子束對材料進行熔化，展現(xiàn)出一個毛坯。當然，它有很多優(yōu)勢，從典型的數(shù)字化技術獲得一個成型的零件，而這些零件用傳統(tǒng)的方法做很困難，例如這麼一個零件，用傳統(tǒng)方法做，從鑄錠到制坯到模具非常困難。用增材制造方法做有很多好處，組織很細，力學性能很好，可以實現(xiàn)多材料去做。制造技術上有很多優(yōu)勢，不再需要模具、不再需要工裝等等，有很多優(yōu)點。從這個意義上來說，我覺得確實是一種數(shù)字化的帶有變革性的，短流程、低成本的數(shù)字化制造技術。這種技術是一個發(fā)展方向，我覺得它也是增材制造的發(fā)展方向。到現(xiàn)在爲止像鈦合金這種技術還沒有取得突破，難在哪個？熱應力太大，凝固會收縮，體積收縮就帶來非常大的應力。最終結果就是熱應力太大，要做大零件就非常困難。
第二個難題是冶金過程複雜，焊接過程是很難控制的過程，因此帶來的結果是力學性能不行，性能不行的結果就是關鍵構建沒辦法用。這是美國人做的結果，激光成型在鍛壓，疲勞性會差一些，2002年大概做過試驗，現(xiàn)在就不再做了。我認爲一個是變形、一個性能、一個是裝備，還有一個是標準，這是非常重要的。這是美國的增材學會主辦的增材制造的研討會，我們在線看它的主題激光修複，只能做小的，國際上的方向是做外表工程。
下面，我就簡單說一下我們在線大概是這樣，幹了快20年，走出了實質(zhì)性的一步，包括從工藝到裝備到標準走出了第一步，現(xiàn)在在飛機上有所應用。我們在線做出來了這樣的裝備我覺得是非常大的，也許有7、8米，尺寸做到4×3×2米的尺寸，我們在線具備這種能力，然後就是標準，我覺得這是非常重要的，經(jīng)過20年，大概積累下一個初步的標準。應用我們在線大概也很慶幸，就是C919的機頭的主風擋窗框就是這樣一個情況，四個框，一個框50萬，200萬元的模具，我們在線采用了這個技術，大概不到55天，做出來四個框，成本就不用說了，太低了。2010年還出了這麼一段，這是機翼和機身連接的部位，這邊是一個翅子，這是機身，大伙兒看一下這個是非常大的，這是前面的零件、後面的零件，四個零件是采用激光去做，激光做有很多的優(yōu)勢。這邊是采用鍛件、這邊是采用增材制造，確實它的優(yōu)勢太明顯了，鍛件也許是1600公斤，激光是1300公斤，我們在線已具備這種能力做出這麼大的鈦合金構建，估計這是其他方面做不出來的。
下面就簡單說一下增材制造的個人觀點，就是它前景的一個評價，我認爲這種技術確實帶有一種變革性的，短流程、低成本、數(shù)字化，高性能的制備構建制造一體化的技術。對構建的制造是重要的，特別是這種技術一部分高性能難加工構建技術的革命。
我覺得它的潛力應該是很大的，我用的詞不符適，我覺得它是一匹千裏馬，增材制造和傳統(tǒng)制造的關系下面可以討論，就像昨天耿總說的一句話，沒有合作，沒有競爭，增材制造和傳統(tǒng)制造也是一樣，每一種技術都有各自的優(yōu)勢，並不是取代傳統(tǒng)制造技術，但是有很多確實趨勢很有用武之地。根據(jù)顔傳授說到2010年增材制造的産值大概十幾億美元，國內(nèi)兩個億，間接說明它的作用有待發(fā)揮，F(xiàn)在更多的說到第三次工業(yè)革命，我覺得第一，它絕不是劃等號，至多是作爲第三次工業(yè)革命的元素或者是組成部分，其實第三次工業(yè)革命已經(jīng)在發(fā)生，我覺得增材制造需要提早、需要創(chuàng)新，也需要理性。
這是最後調(diào)侃一下，也許以後飛機發(fā)動機也就是這樣做出來的，也許這就是所謂的第三次工業(yè)革命當中的一個符號。謝謝！
