3D打印:两年变40天 费用省90%

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3D打印:两年变40天 费用省90%

  在CSITF2013增材制造技术全球高峰论坛上,西安交通大学教授、中国工程院院士卢秉恒,北京航空航天大学教授王华明,北京工业设计促进中心主任陈冬亮,清华大学教授孙伟,华南理工大学教授杨永强,西北工业大学教授黄卫以及Stratasys、3DSystems的代表,共同探讨了增材制造技术(3D打印)对传统制造业的影响。

  制造飞机风洞模型

  卢秉恒院士介绍了3D打印技术在航空航天等高端领域的作用。他指出,3D打印在风洞模型方面有非常积极的作用,以前的风洞模型设备都是直接由人工制造出来,通过3D打印,就可以准确反映设计师对空气动力学形状的设计,还可以模拟飞机的一些量的分布,在吹风洞时,就能准确地进行动力学的仿真。为了使空气动力学更逼真,还可以在表面镀上一层金属。

  在传统的工业设计中,产品的强度和刚度不好把握,一般情况下会做光弹应力分析的实验,如果有了3D打印技术,就可用设备打印出透明的材料来做光弹实验,可实现应力可视化,以识别设计中不足的区域。卢秉恒介绍,西安交大还开发了一款用双照相机来照相的设备,通过大量数据采集,来分析零件的变形场,这种设备可以在飞机、汽车开动的过程中检测震动的信息,并分析震动状态下的变形和应力状况。

  这种技术应用于产品设计阶段,就可以测试应变场的分析,发现弱点并改进设计,这样就大大加快了产品的开发流程。目前,三维全场变形和应变快速检测技术,已经批量生产销售,广泛应用于航空航天、机械、汽车与模具以及大学科研机构。

  模具合格率暴增70%

  卢秉恒指出,通过3D打印,还可以结合传统制作方式来制造快速模具,以扩大运用,为此他们开发出树脂基、中或低熔点合金铸造以及金属电弧喷涂等多种方式。比如把快速原型制作的模型用硅胶包围起来,然后用刀片分开,就制成了一个模具,能把单件的模型非常快地复制成小批量的模具,用以生产小批量的类似工程塑料、聚氨酯等产品。

  还可以用3D打印设备打印出原型,再分批量直接制造蜡型模具。传统金属模具成本为3万元,开发周期为一至两个月,而用这种快速成型模具的方法,成本只有8000元,研发周期为两天,且30件无损伤。

  在飞机制造业上,每一架飞机有上万个铸造件,如果用快速模具的方法,也能加快飞机的研制周期。3D设备打印出原型还可用陶瓷来浇筑,能应用于航空领域的研究,比如发动机的叶片,由很多零件组装而成,组装的时候零件装配有间隙,就会影响叶片的使用,这种传统的方法制作合格率一般只有15%,如果采用快速模具制作法,先打印出一体化的叶片,再进行浇筑,合格率能达到85%。

  另外,如果在原型表层上喷涂一层合金或钢的金属,就可以制造比较精细的模具,为此他们还开发了喷涂机器人,可用于汽车车身的模具,三个月生产了两款车的40多套汽车车身模具,大大加快了汽车的研发。

  这种应用就形成了产品快速开发的系统:用3D打印出模型,再快速进行模具制造,然后进行试装备,检测设计、外观有哪些不满意的地方,大大加快了产品开发的速度。

  他介绍说,3D打印技术和传统技术相结合,不仅能建立快速开发的系统,还能建立快速制造的系统。在这种方式下,产品开发周期可以缩短为传统周期的三分之一到四分之一,费用也能降为30%至50%。

  两年变为40天费用省了90%

  北京航空航天大学材料科学与工程学院教授王华明,在3D技术用于航天航空领域的研究取得了重大突破,2012年度国家科技奖励大会上,王华明团队的成果荣获国家技术发明一等奖,我国也因此成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术、并实现装机应用的国家。

  王华明介绍说,从传统的大型钛合金结构件制造方法,如整体锻造、切削技术,到这种新型的激光直接制造技术,实现了加工技术由减法到加法的质的飞跃。过去,飞机钛合金结构件主要采用传统锻造和机械加工来制造,不仅耗时费力,光大型模具的加工就要用一年以上的时间,总花费更高达几十个亿,要动用几万吨级的水压机来工作,需要大量供电,甚至兴建电厂。尽管如此,复杂零件材料利用率还不足一成。

  相较于传统的大型钛合金结构件整体锻造,激光直接制造是用高功率的激光束对粉末丝材进行熔化,往上堆积,实现材料逐层添加,直接根据构件的CAD模型一次加工成形。

  2009年,王华明团队利用激光快速成形技术制造出我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框。当时如果找国外公司订购,至少要等2年以上,而且模具费1300万元,后来他们采用3D技术,2009年9月10日接到零件数模,10月20日,交付装机,共计40天时间,而且零件成本不及模具的1/10;2010年,再次利用激光直接制造C919中央翼根肋,传统锻件毛坯重达1607千克,而利用激光成形技术制造的精坯重量仅为136千克,节省了91.5%的材料,并且经过性能测试,其性能比传统锻件还要好。

  另外,他们还打印出了迄今世界尺寸最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套设备,其零件激光融化沉积真空腔尺寸达4米3米2米。

  王华明认为,大型钛合金结构件激光直接制造技术确实是一种带有变革性的,短流程、低成本的数字化制造技术,其被国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。

  目前,他们正在建立全套标准体系、制定技术标准57项并在型号飞机研制生产中实际应用。

  我国打印设备只占全球8%

  卢秉恒说,3D打印的一大特点是所想即所得,只要能在电脑里设计出三维模型,3D打印机就能帮你实现。这可以大大缩短新产品的开发周期,帮助中国企业从制造走向创造。

  目前,我国的3D打印已经取得了一批技术研究和产业化成果,部分成果甚至世界领先。如金属结构件直接制造技术已经可以满足特种零部件的机械性要求,生物细胞打印技术也不断取得新的进展。而且,中国在3D打印设备的产业化方面也取得了一定的成果。不过卢秉恒指出,我国3D打印产业的发展距离美国仍有较大差距。

  当前我国的3D打印技术至少存在以下瓶颈:打印成本偏高,每克成本10至100元;虽用于新品研发,但大规模工业生产还不现实;而且3D打印效率偏低,每小时打印100至3000克;打印产品的精度不能令人满意,强度也有待论证。另外,中国的3D打印技术没有形成产业链,工业环境不配套。在应用方面,3D打印也远未达到美国的丰富程度。卢秉恒介绍,目前我国3D打印的大部分应用仍然集中在军工领域的开发与模具的制造上。而从设备数量上看,美国目前各种3D打印设备的数量占全世界40%,而中国只有8%左右。

  据中国3D打印技术产业联盟副理事长罗军介绍,为了促进3D的发展,他们将集中国内3D打印技术的优势资源,组建国家级3D打印技术研究院和产业园,在国内主要工业城市推进3D打印技术创新中心工程,推进3D打印技术进社区、进企业、进城市活动;吸纳传统制造业企业、职业技术学院、产业园区进入中国3D打印技术产业联盟,率先分享3D打印技术,促进3D打印技术与传统产业紧密结合。