3D打印,谁与争锋

近一年来,3D打印一直是热炒的话题。国内不少媒体和专家都说,3D打印机将开启一场工业革命,让制造业走向个性化和家庭化。以后个人需要什么产品,就直接给工厂下订单,工厂用3D打印机打出来发给客户。家庭有了3D打印机,就不用去商店了,需要什么东西直接打印就行。

媒体和专家在赞美 3D打印的同时,还经常加上两件私货:一是3D打印即将让美国制造业王者归来,重新占据绝对主导地位;二是中国企业毫无创新能力(潜台词:体制问题),马上就要完蛋了。在那些报道和博客中,你读到的情绪不是担忧,而是一种热望。他们原来在盼着这种情况赶快发生。

3D打印的学名是“增材制造”(material additive manufacturing),是指将材料一次性熔聚成型的制造方式。在这一过程需要不断增添材料。加工材料不同,需要的工艺和设备也不同,并不存在一款什么都能加工、包打天下的利器。因此,说3D打印能带来一次工业革命显然太夸张了。家用3D打印机已经上市,价格从6千到1万不等,打印用的树脂材料售价在200元左右一公斤。用户可以用它来设计、打印精致的模型或装饰品。对家庭来说,这种3D打印机本质上就是个玩具和学习工具,实用价值并不大。

但在高端制造领域,尤其是在制造复杂构件方面,3D打印具备优势。传统制造方法需要经过开模具、铸造或锻造以及精加工,费时费力又费料。重量100公斤的成品,可能需要消耗一吨多的原材料。而采用3D打印技术实现了产品的一次成型,不但基本不浪费材料,大幅降低成本,还显著提高了生产效率。

中国在这方面处于世界领先水平。在1月18日的国家科学技术奖励大会上,“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”项目获得了国家技术发明一等奖。激光成形技术也属于“3D打印”范畴,是用高功率激光照射钛合金粉末,使之烧结成形。

关心工业技术的网友对它应该不陌生,因为在一个多月前,网上疯传激光成形技术项目的负责人、北航王华明教授在中科院做的讲座视频。王教授介绍说,中国现在已经能够制造出世界上最大的钛合金复杂构件,产品整体性能远超锻件,有的指标甚至提高了一个数量级。目前,该技术已经用于生产C919大飞机带有复杂曲面的机头。尽管视频里面没有明说,但可以肯定,它同样会用于制造战斗机和航空发动机的复杂构件。

激光成形技术的最大难题是热应力。材料在受到激光照射时,温度可达2000多度,移开激光后便骤降到200度以下。材料经受不住这么大的温差,会出现开裂或变形。王教授说,他们找到了一个“很土”的办法(内应力离散控制法),解决了这个问题。

所谓“很土的”办法,大概就是看起来不精致的东西。当然,只要能解决问题,土办法也算大创新。很多创新就像魔术。有的魔术你看着很神奇,但如果有人告诉你窍门,你可能马上感觉“索然无味”!而让你自己去琢磨,你也许绞尽脑汁也想不出来。中国能在这个高端制造领域走在世界的前头,表明中国人的创新能力并不差。现在人们都说苹果是创新型公司, Facebook是创新型公司,但正在进行产业升级的中国最需要的,并非是客户体验或软件应用方面的创新,而是在关键制造技术上的突破。近两年来,这类突破正如雨后春笋般涌现出来,只是专业性比较强,对公众来说不那么吸引人。不少媒体也不怎么关注,或者选择性失明,因为那些不是它们的愿景。

钛合金大型复杂整体构件激光成形技术具有一定的战略意义。王教授在讲座里特别提到了F22。这款四代隐形战斗机号称超级先进,可是它的机翼主承力构件竟然是铸造的。因构件过于复杂,无法锻造,又不掌握激光成形技术,生产商只好将构件分成三部分铸造,然后再焊接起来。铸件性能远低于锻件,可见F22的机身结构强度是有问题的。

在另一个场合,王教授还提到了美国正在试验中的高超音速飞行器X51A。X51A已经试飞三次,一次不完全成功,两次失败。王教授认为,原因在于X51A的整体构件用得太少,造成飞行器的强度不足以承受高速飞行时产生的高温高压。X51A试飞三次,出现的问题各不相同,可见其存在系统性缺陷,不是一两次改进就能解决的。

这样看来,激光成形技术虽然算不上工业革命,也是高端设备制造的一个重要门槛。没有它,一些先进的设计就无法实现。

最早开发激光成形技术的其实是美国。它从上世纪80年代中期就开始搞了,但20多年来一直没有在大型构件制造上取得突破,相关的专业公司AeroMet已于2005年倒闭。2012年3月,为重振制造业,奥巴马宣布创立美国“制造创新国家网络”计划,由政府出资成立15个制造业创新中心,“增材制造”是其中之一(这也是国内媒体近一年来胡吹乱炒的缘起)。不过目前尚未取得进展,美国仍然只能利用激光成形技术制造“高价值的小零件”。

这就引起一个问题:曾经的先驱如今有点落后了,它能不能找到一个“很洋”的办法,解决热应力难题,夺回主导地位?这个问题难以用简单的是或否回答。参照一下苏联的经验,或许对回答这个问题有所帮助。这也是本博今后可能要讨论的问题。

 

钛合金激光成形技术讲座视频:http://v.ku6.com/show/sxRAbQuEFl0fBF3lLEoWdQ…html

 


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