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卢秉恒:3D打印技术改变制造业的今天与明天

2016-05-10 11:32 [智造一言堂] 来源于:3D打印在线
导读:工业级3D打印材料的研究刚刚起步,除了个别研发能力强的公司研发了少量材料外,3D打印的材料基本依靠进口。一些公司刚开始研发。

西安交通大学机械工程学院院长卢秉恒院士
一、增材制造(3D打印)简介
3D打印是一个颠覆性的创新技术。
从制造方式来说,铸、锻、焊在制造过程中重量基本不变,属于等材制造,已经有3000年历史了。
车铣刨磨机床通过材料的切削去除,达到设计形状,称为减材制造,已有300年的历史。
增材制造中材料一点一点地累加,形成需要的形状。发明于1984年,才30年的历史。
当前3D打印几种主流技术有:
SLA(光固化技术)利用激光扫描,使液态光敏树脂固化。是最早发明出来的3D打印技术。广泛应用于设计验证。
SLS(选择性激光烧结)是一种将非金属(或普通金属)粉末分层铺设,激光在程序控制下,选择区域扫描烧结成三维物体的工艺。用于飞机、航空航天零件的制造以及精密件的制造,包括飞机的格栅、牙科的修复、颅骨的修复。
SLM是在送粉中,实现激光融化和烧结,类似堆焊,制造件更加致密、强度达到锻件水平,可用于制造大型结构件、承载件。
FDM技术(熔融堆积法)将热塑性丝状材料加热从小孔挤出,将丝材熔化堆积成型。适合于教育或者创客设计验证。大尺寸FDM装备可用于汽车和无人机的制造。
二、3D打印(增材制造)的特点与意义
1984年美国发明了光固化激光成型技术,1986年实现SLA样机,按照材料累加概念,各种增材制造工艺与装备纷纷涌现,当时采用激光快速原型制造等学术名词。这些技术中有一种以石蜡等材料的3D打印机。近年来,美国媒体开始把增材制造技术称为3D打印技术,有利于大众理解。增材制造被美国自然科学基金会称为上世纪最重要的制造技术创新。麦卡锡报告列出了对人类生活有颠覆性影响的12项技术,3D打印排在第九位,排在新材料和页岩气之前。预测在2030年全世界将达到1万亿左右美元的效益,15年麦卡锡报告又将这一进程前移,认为增材制造2020年可达到5500亿美元的效益。
3D打印制造有如下特点与优势:
1、 3D打印无处不在:3D打印可以打印许多材料、任意复杂形状、任意批量,可以应用于各工业和生活领域,可以在车间、办公室及家里实现制造。理论上3D打印无处不在,无所不能。但许多材料的打印、工艺的成熟度、打印成本、效率等等尚不尽人意,需要多学科交叉的创新研究,使之更好、更快、更廉价。
2、 支持产品快速开发:3D打印可以制造形状复杂的零件,所想即所得。直接由设计数据驱动,不需要传统制造必须的工装夹具模具制造等生产准备,编程简单。在产品创新设计与设计验证中,特别方便。使产品开发周期与费用至少降低为一半,成为机电产品和装备快速开发的利器。
3、 节材制造:增材制造仅在需要的地方堆积材料,材料利用率接近100%。航空航天等大型复杂结构件采用传统切削加工,往往95%—97%的昂贵材料被切除。而在航空航天装备研发机制造中采用增材制造将会大大节约材料和制造成本,具有极其重要的价值。
4、 个性化制造:可以快速、低成本实现单件制造,使单件制造的成本接近批量制造。特别适合个性化医疗和高端医疗器械。如人工骨、手术模型、骨科导航模板等。
5、 再制造:用于修复磨损零部件的再制造,如飞机发动机叶片、轧钢机轧辊等,以极少的代价,获得超值。应用在军械、远洋轮、海洋钻井平台、乃至空间站的现场制造,具有特殊的优势。
6、 开拓了创新设计的新空间:可以制造传统制造技术无法实现的结构,为设计创新提供了非常大的创新空间。可以将数十个、数百个甚至更多的零件组装的产品一体化一次制造出来,大大简化了制造工序,节约了制造和装配成本。以3D打印新工艺的视角对产品、装备再设计,可能是3D打印为制造业带来的最大效益所在。
近两年,3D打印显现出颠覆性变革。如GE公司做的飞机发动机的喷嘴,把20个零件做成了一个零件,成本材料大幅度的减少,还节省燃油15%。这是一代发动机的概念,每开发一代发动机要上亿欧元,一个喷嘴就解决了。美国3D打印的概念飞机,重量可以减轻65%。
7、 引领生产模式变革:3D打印可能成为可穿戴电子、家居用品、文化产业、服装设计等行业的个性化定制生产模式。一些专家认为,3D打印等数字化设计制造将引领生产从大批量制造走向个性化定制的第三次工工业革命。
3D打印已经成为创客最欢迎的工具,将有力促进大众创新,万众创业。GE公司在网上发布了一条消息,挑战3D打印,将飞机的一个零部件让创客设计。第一名只用了原始结构的1/6的重量就完成了全部测试,而设计者是19岁的年轻人。3D打印展现了全民创新的通途。互联网+3D打印的制造模式:收集大众的个性化需求,由创客完成设计,设计方案由3D打印件进行验证;再由虚拟制造组织生产,由物联网来配送。美国众创公司,15000名访客、6000名创客。亚马逊利用网络销售3D打印商品,营业额已达数十亿美元,利润30%。所以互联网+3D打印=万众创新、万家创业的最佳技术途径。
8、 创材:3D打印制造出了耐温3315℃的高温合金,用于龙飞船2号,大幅度增强了飞船推力。利用3D打印高能束的集中能量,以3D打印设备作为材料基因组计划的研制验证平台,可以开发出超高强度、超高韧性、超高耐温、超高耐磨的各种优秀材料,增材制造变成为创材技术。
9、 创生:应用于组织支架制造、细胞打印等技术,实现生物活性器官的制造,一定意义上的创造生命。为生命科学研究和人类健康服务。
10、 目前,3D打印的技术尚有待深入广泛研究发展,其应用还很有限,但其创造的价值高,利润空间大。随着研发的深入,工业应用的不断扩大,其创造的价值越来越高。不久的将来,不仅在制造概念上,减材、等材、增材三足鼎立,从创造的价值上,也必将走上三分天下。
三、3D打印技术的发展状况
上述3D打印的优势的1-5条,目前已经进入应用,当然还需要更深入的研究,建立各类标准,使其能更广泛地应用,发挥更大的效益。
如在汽车零配件、轻工产品、家电等产品开发中降低产品开发周期与费用一半以上;在个性化医疗方面,在骨替代物制造、牙科整形与修补等方面已经有初步应用,效果显著;在航空航天产品研发中,可以制造与锻件性能媲美的大型构件;小型FDM桌面机已经应用于教学培训、创意设计等方面,形成了全球销量最大的3D打印设备;大型FDM设备在提高质量与效率的同时,已经开始成为复合材料汽车车身、无人机等大型产品的开发乃至小批量生产的工具等等,这些技术正在成为改造传统行业和创造新型企业的重要工具和方向。目前已可以开展推广应用,但仍需工程验证、一些针对性的研发与系统集成。
上述的第6-7项,是我们现在和将来都要持续、深入研究的重要方向。在今后的5-15年中,将会带来重要效益。在引起制造业逐渐量变的同时,在走向一半的产品将成为个性定制化生产的生产模式变革中,带来颠覆性变化。
上述的等8-9两项,创材与创生,无疑是将要为材料科学和技术、生命科学和医疗技术、为制造业带来巨大颠覆性变革。我们现在就需要布局,争取抢占这一战略性高地。
第10项,从概念上与等材、减材制造的三分天下,走向效益的三足鼎立,是随着上述各项研究与应用的不断发展而实现的。
3D的科研方面,我国的研究起步并不晚,90年代初期,清华大学、西安交通大学、华中科技大学就开始了研究,九五期间,已经基本掌握了当时的几种主流技术,如SLA、SLS、LOM、FDM技术,掌握了其制造工艺和软硬件控制技术,开发了这些技术装备,开展了推广应用。西安交通大学还把SLA激光成型技术与开发的数字化建模、软模具及快速模具等技术集成,成为产品快速开发系统技术,在珠三角、长三角及全国推广应用,10多年来,在全国各地帮助建设了50多个示范中心。使机电、汽车零部件、轻工等产品的开发周期与费用降为传统技术的1/3-1/5。
90年代末,北京航空航天大学、西北工业大学等单位开始了金属材料增材制造研究,可以制造与锻件性能媲美的大型构件。目前我国依靠自己开发的大型金属3D打印设备,在飞机大型承力件应用方面目前处于国际领先。在军机、大飞机研发中,充当了急救队的作用,钛合金大型结构件已经率先应用于飞机起落架及C919的研发中。在应用3D打印技术制造个性化钛合金骨植入方面,西安交通大学在2000年就完成了首例临床,2011年比国际2012年的报道早11年。最近,我国首创了利用导航模板实现癌症的靶向治疗,避免了放疗玉石俱焚的副作用,初步实验,效果良好,是一重大创新。
目前,中国在3D打印方面的研究方面处于国际前列,如论文和申请专利的数量处于世界第二。
在应用方面,我国工业级设备装机量据全世界第四,但金属打印的商业化设备还主要依靠进口。非金属工业型打印机,我国60%以上立足国内。小型FDM打印机,太尔时代已批量出口,销量跻身世界前列。但国产工业级装备的关键器件,如激光器、光学振镜、动态聚焦镜、打印头等主要依靠进口。
工业级3D打印材料的研究刚刚起步,除了个别研发能力强的公司研发了少量材料外,3D打印的材料基本依靠进口。一些公司刚开始研发。
从产业的发展,我们发展的太慢。美国有两家最大的3D打印公司,今年达到近10亿美元的规模。而我们企业基本是校办企业起家,最多1个多亿人民币产值。而现在进口设备大举进攻中国市场,金属打印装备,国外则实行材料、软件、设备、工艺一体化捆绑销售。我们必须研发核心技术与原创技术,打造自己的创新链与产业链。现在国内已经有若干3D打印公司上市,科技开始与资金结合,这是一个良好的开端。
3D打印从质和量两方面对国家战略地位和今后的科技发展都产生重大影响的技术。3D打印技术正处于一个技术的井喷期,产业的起步期,企业的跑马圈地期。
3D打印的任意性为产品和装备的创新设计开辟了巨大的空间,为各行业会带来巨大的效益。我们应该抓紧标准的研究,3D打印的数据标准可能影响到装备和应用两个方面,我们必须有话语权。在航空件和高端医疗器械方面,要积极研究面对3D打印个性化制造产品准入的标准,以有利于新技术的应用。要加强基础研究,发展原创技术,在3D打印的新材料研发,显著提升打印件的质量和打印效率等方面有创新技术;要建立创新体系,为企业提供核心技术和共性技术;要攻克关键核心器件,打造产业链;要引导金融资本,助推3D打印企业做大做强,形成若干个具备国际竞争规模的企业。
四、中国制造2025与协同创新
比较中、德、美三国,德国的工业优势在于质量过硬、基础雄厚、工艺严谨;美国的优势在于:社会创新、高科技优势、集全球资源与精英;而我们中国的重要优势:一个比较完整的工业体系、内需市场巨大、人力资源丰富。
面对我们存在的阶段性差距,需要工业2.0、3.0的补课(质量优先、机器人和高档数控机床等自动化技术)的同时,发展工业4.0。因此需要追赶与跨越并举;必须发挥政府科学而有力的调控作用,汇集有限的社会资源,做好协同创新。需要我们扬长避短。
我们巨大的市场需求,必须保护,充分利用,以引导和支持我们的装备制造。一个领域的需求,就可以带动一个装备领域的发展。如航空航天、汽车领域对高档数控机床的需求。我们如何通过大飞机、两机专项及军工技术改造的机遇,拉动我国的机床工业,同时形成高端装备的雄厚发展基础?建议项目采购采取信息安全的一票否决制。各项计划、各个行业的互动协同发展,是我们大国制造应该认真思考的问题。例如许多地区在提机器换人,我们要警惕:切莫洋机器人上岗,中国工人下岗了。在新产品研发时,就开始与国产化制造装备并行,注意第一罐奶粉效应。在民用领域。培养人民的消费观:人人为培育民族工业贡献。
对目前我国的共性技术缺位,需要创新思路,进行国家级创新中心建设。
德国弗朗霍夫研究院是德国工业创新的策源地。开始于1949年。现在建设有67个专业研究所。每个研究所往往建设在大学附近,2-3名具有企业高管经历的教授领军,400余人规模,4万多平方米面积。其经费来源政府资助、项目经费及企业委托各占1/3。保证了代表先进水平和企业需求的研究。德国研究机构持之以恒的研究成就了德国装备制造的精良。
美国发现他们的基础研究与产业化技术之间存在鸿沟。于是启动了制造创新网络计划。由NIST牵头,收集社会建议与组织评审,成熟一个建设一个:已建有增材制造、轻量化、数字化设计制造等制造创新网络。其机制特点聚集现有资源,快速组建创新链,课题实施时的最优资源组合,知识产权协议从研发开始,采取网络化运行、重视创新工艺与标准的研究等。
我国可以参考两国路径,探索适用我国国情及能实现中国制造2025任务的道路。建设一批能协同社会创新资源,为产业提供核心技术与共性技术的创新中心。避免科技资源的浪费和低水平的重复研究。
在产学研协同方面,应该正确理解企业为主体。企业要成为投资研发、应用成果、集成成果的主体。产学研形成长效合作机制,把科研机构、人员与企业创新的积极性调动和发挥出来。
在全社会的协同机制方面,加强科技计划协同,按技术成熟度,各部委分工协作,各计划形成接力。
国家科研计划应以标准、基础研究为先,重视产业化共性技术,以创新思想、发明专利为评审依据。
在金融与科技、产业的协同方面,改善制造业的资金环境。目前我国制造业产业利润率低于同期银行贷款利率,而贷款利率如:台湾1.92%,美国大约1.5%,但我们贷款利率往往达7-8%,而制造企业的纯利润一般低于我国的贷款利率。要改善中国制造业发展的资金环境,如何引导金融资金更多更快地流向实体经济、流向有潜力的先进制造业,加强资金对创新的支持力度,让创新力量及时得到资金支持,是中国制造2025能否顺利实施的重要关键问题。
在人才协同方面,建立正确的学科评估标准,引导创新与工程能力培养。倡导科研人员的论文更多地写在产品上,写在装备上。中国制造2025还需要培养一批工业4.0时代的企业家和科技领军人,既精通制造工艺,又具有互联网思维,能充分利用社会创新资源。创新型社会还需要一大批创客、极客,需要马斯克式的人物,有浓厚的科学兴趣和强烈的创新欲。
中国制造2025的主攻方向和带动性技术是发展智能制造。
智能制造主要是工业互联网和底层智能化两部分。
1、工业互联网:要形成一个万众创客网、CAD/CAE/CAM数字化制造服务网、3D打印、性能测试服务网,由众包完成产品的开发和数字化制造。用工业互联网构成一个高技术的服务业,构建新机制的创新体系,驱动知识信息的流动。企业的资源是有限的。我们用互联网把全国的、全社会的,乃至全球的人才、资源都集中到一块,达到社会资源的优化组合,这就是智能制造的精华。走出工厂的围墙。让知识流动起来,补足中国制造业开发能力弱的短板。这就是互联网带动制造业发展的真谛,最大的效益所在。
2、底层智能化。
主要包括:主要包括机器人、智能制造装备和3D打印。
机器人:机器人是提高生产柔性、提高效率、降低成本的工具。
智能机床:相比数控机床智能机床是聪明的工具。智能机床的关键就是信息获取、工艺优化软件加上过程的质量控制。智能机床能够监控加工的状态并对被加工件所达到的精度做出判断和控制。它能成倍地提高加工质量和加工效率。
数字化设计和3D打印: 设计是形成产品创新价值的关键。高端服务业提供设计工具、设计师和产品结构的CAE分析,而3D打印是验证设计的快速手段。3D打印可以是产品开发周期与费用降低为1/3-1/5,3D打印支持定制化生产模式。尤其重要的是,3D打印使设计师摆脱了许多可制造性的约束,极大地释放了设计创新空间,如果说机器人是今天的技术,那么3D打印是更加深刻影响今天和明天、乃至后天的技术。
互联网+先进制造业+现代服务业,可以成就制造业美好的未来,制造业可能的前景是:一半以上的制造为个性化及定制,一半以上的价值由创新设计体现,一半以上的企业业务由众包完成,一半以上的创新研发为极客创客实现。
 
卢秉恒院士在工作中
作者简介:卢秉恒,1945年2月出生于安徽省亳州市,1967年毕业于合肥工业大学机械制造工艺与设备专业,后入职河南三门峡中原量仪厂,任工人、技术员、分厂厂长;1979年考入西安交通大学机械自动化专业,师从顾崇衔教授,1982年、1986年分别获得工学硕士及博士学位;1992-93年赴美国Michigan大学进行高访,1993年任西安交通大学教授、博士生导师,2005年当选中国工程院院士。
现任西安交通大学机械工程学院院长、校学术委员会主任、快速制造国家工程研究中心主任、高端制造装备2011协同创新中心主任。兼任国家自然科学基金交叉领域重大计划"纳米制造的基础研究"指导专家组组长、国家重大科技专项"高档数控机床与基础制造装备"技术总师、国务院学位委员会机械学科评议组召集人、国家自然科学基金咨询委员、中国机械工程学会副理事长、中国机械制造工艺协会副理事长、全国高校金属切削机床研究会理事长等职。
近年主持国家科技攻关、973、863计划、国家自然科学基金等项目40余项,主要研究方向:增材制造(3D打印)、数控机床、微纳制造、生物制造等先进制造技术。
在国内倡导开拓了光固化快速成形制造系统研究,开发出国际首创的紫外光快速成型机及具有国际先进水平的机、光、电一体化快速制造设备和专用材料,形成了一套国内领先的产品快速开发系统。在汽车开发、农业节水、家电、飞机、军工、医疗、科研等领域获得了大量推广应用。
在国内微纳制造领域,首倡纳米压印的研究,主持撰写了国家自然科学基金十一.五微纳制造与系统的发展战略研究报告。
在个性化匹配人工骨及生物活性人工骨的研究方面也取得了重要突破,并进入临床实验阶段。
获得国家及省部级奖励多项。其中,2000年“激光快速成形若干关键技术与应用”获得国家科技进步二等奖(第一获奖人)、2001年获全国五一劳动奖章及蒋氏基金会科技成就奖、2005年“抗堵农业滴灌器件主流道设计与快速开发”获得国家技术发明二等奖(第一获奖人)、2014年“个性化颌面骨替代物设计制造技术及应用”获国家技术发明二等奖(第四获奖人)及3项省部级科技一等奖。
发表论文400多篇,获发明专利20余项。培养了100多名博士、硕士,其中,两名获全国百篇优秀博士论文奖。

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