金屬加工領(lǐng)域的3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展

魔猴君  行業(yè)資訊   1595天前

     本文針對(duì)金屬3D打印技術(shù)的分類及在不同應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況做出深入的探討與分析，從而揭示金屬3D打印在制造領(lǐng)域?qū)⒁獛?lái)的深刻變革；通過(guò)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用案例的對(duì)比，從而剖析產(chǎn)品生命周期附價(jià)值創(chuàng)造驅(qū)動(dòng)制造轉(zhuǎn)型的發(fā)展邏輯；通過(guò)分享驅(qū)動(dòng)3D打印發(fā)展的各個(gè)生態(tài)要素，從而闡述制造業(yè)從幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)切入3D打印領(lǐng)域的路徑。

* 本文發(fā)表在機(jī)械工業(yè)信息研究院主辦的《金屬加工》雜志上

5個(gè)振鏡、可擴(kuò)展的下一代選區(qū)激光熔化金屬打印技術(shù)。來(lái)源：Fraunhofer ILT

l 作者：王曉燕 ACAM中國(guó)董事，負(fù)責(zé)ACAM中國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略、企業(yè)文化、運(yùn)營(yíng)發(fā)展。曾與中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)合作出版發(fā)行了《3D打印與汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展報(bào)告》，與工業(yè)和信息部工業(yè)文化發(fā)展中心合作出版了《3D打印與工業(yè)制造》，王曉燕還與聯(lián)合創(chuàng)始人Korinna Penndorf、朱琳一起創(chuàng)立了3D科學(xué)谷。ACAM亞琛增材制造中心是基于Fraunhofer IPT生產(chǎn)技術(shù)研究所、Fraunhofer ILT激光技術(shù)研究所、亞琛工業(yè)大學(xué)等工業(yè)研究領(lǐng)域成員的合作。ACAM致力于為制造企業(yè)提供一站式的增材制造專業(yè)技術(shù)，成立以來(lái)積累了不同先進(jìn)科研領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，并通過(guò)提供增材領(lǐng)域的認(rèn)證與咨詢、聯(lián)合研發(fā)、專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)和教育服務(wù)、軟件和系統(tǒng)工程以及定制服務(wù)，幫助企業(yè)應(yīng)對(duì)增材制造技術(shù)在應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。

 技術(shù)突破帶來(lái)更廣闊的發(fā)展空間

     3D打印普遍被認(rèn)為是帶來(lái)下一代工業(yè)革命的主要驅(qū)動(dòng)因素，主要的原因是增材制造帶來(lái)小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，個(gè)性化定制的可能性，以及復(fù)雜零件生產(chǎn)的可行性。不僅僅改變了我們對(duì)原來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的印象，還帶來(lái)了供應(yīng)鏈的改變，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，并且對(duì)環(huán)境更友好。

    關(guān)于3D打印對(duì)制造行業(yè)的革新作用， SpaceX首席設(shè)計(jì)師兼首席執(zhí)行官馬斯克有著精辟的觀點(diǎn)：通過(guò)3D打印，可以以傳統(tǒng)制造方法的一小部分成本和時(shí)間就能制造出堅(jiān)固且高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)零件。火箭比以往任何時(shí)候都更加高效，可靠和強(qiáng)大。同樣的，不僅僅是航天領(lǐng)域，3D打印在其他工業(yè)制造領(lǐng)域的動(dòng)力裝備、結(jié)構(gòu)件、液壓閥門、熱交換器、切削刀具、模具等應(yīng)用領(lǐng)域正在創(chuàng)造下一代的產(chǎn)品。

      我們不僅要問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，3D打印發(fā)展到哪里了？這種發(fā)展意味著什么？我們應(yīng)該做出什么樣的準(zhǔn)備？下一步我們將看到怎樣的生產(chǎn)與商業(yè)模式？

 技術(shù)分類與應(yīng)用

如果要全面理解金屬3D打印的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，我們首先需要還原3D打印在金屬產(chǎn)品的制造方面的每一種技術(shù)形態(tài)與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的結(jié)合情況。

l PBF

首先，我們來(lái)了解一下PBF基于金屬粉末床的金屬熔化3D打印技術(shù)，PBF被認(rèn)為是一種直接的金屬3D打印技術(shù)，這類技術(shù)以激光或電子束為熱源來(lái)逐層熔化金屬粉末，層層凝固成零件的形狀。相比于金屬3D打印技術(shù)，PBF是目前最廣泛被使用的金屬3D打印技術(shù)。包括通用電氣投資14億美元收購(gòu)Concept Laser和Arcam，市場(chǎng)的目光也隨之聚焦在金屬粉末床熔化，包括激光熔化和電子束熔化兩種加工方式，目前激光熔化方式被更廣泛的使用。

由于可實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的產(chǎn)品制造，PBF技術(shù)不僅使得復(fù)雜產(chǎn)品的制造變得更加可行，而且還創(chuàng)造了更大的圍繞著產(chǎn)品生命周期的綜合性經(jīng)濟(jì)效益。

在動(dòng)力裝備方面，PBF技術(shù)所成就的產(chǎn)品并不是停留在概念開(kāi)發(fā)階段，而是已經(jīng)隨著火箭和飛船進(jìn)入了太空，隨著飛機(jī)在天空中翱翔，并在發(fā)電領(lǐng)域起著“四兩撥千斤”般的效益放大作用。3D打印所造就的下一代的產(chǎn)品極大的提升了人類利用資源的水平，這一切已經(jīng)來(lái)到了我們的身邊。

這方面，業(yè)界熟知的GE 3D打印的燃油噴嘴[1]頂部結(jié)構(gòu)只有核桃般大小，里面卻有14條精密的流體通道。3D打印的噴油嘴是一個(gè)精密的整體，原來(lái)20個(gè)部件成為一個(gè)零件被制造出來(lái)。新噴嘴重量比上一代輕25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。GE奧本工廠憑借40多臺(tái)3D打印機(jī)在2017年總共交付了8000個(gè)燃油噴嘴。截至2018年底，工廠完成的3D打印燃油噴嘴頭總數(shù)已超過(guò)3.3萬(wàn)個(gè)。然而，值得注意的是，與傳統(tǒng)加工技術(shù)躋身于PK生產(chǎn)效率的這條賽道不同的是，GE從燃油噴嘴中獲得的最大益處并非燃油噴嘴本身，而是安裝了燃油噴嘴的LEAP和GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)，3D打印正在推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新，GE已經(jīng)發(fā)起對(duì)下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)制高點(diǎn)的布局。

類似的成功案例不勝枚舉，除了大名鼎鼎的SpaceX、NASA、GE、西門子等等通過(guò)3D打印在不斷突破下一代航天器、商業(yè)飛機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)等產(chǎn)品的性能極限。就在2020年，不甘示弱的歐洲也呈現(xiàn)了追趕態(tài)勢(shì)，ESA歐洲宇航局全尺寸3D打印銅合金推力室首次熱試通過(guò)，增材制造將推力室零件數(shù)量由數(shù)百個(gè)減少的三個(gè)，縮短了生產(chǎn)時(shí)間，降低了成本，顯著提高液體推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)在歐洲運(yùn)載火箭中的競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)際上，全尺寸推力室具有3D打印銅合金襯里，該襯里具有集成的冷卻通道，其外層為冷氣噴涂建立的高強(qiáng)度外套。不僅如此，推力室的歧管和整體式噴油也是3D打印的。

國(guó)內(nèi)還出現(xiàn)了深圳意動(dòng)航空科技有限公司完全3D 打印的微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且微型化，此前該領(lǐng)域仍需依賴國(guó)外的產(chǎn)品和技術(shù)。深圳意動(dòng)航空聯(lián)合安世亞太成功開(kāi)發(fā)了兩款全3D打印微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，10kg級(jí)推力的NK-10和50kg級(jí)推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超溫試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)中最高轉(zhuǎn)速高于14萬(wàn)rpm。

國(guó)內(nèi)首款全部3D打印的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

國(guó)內(nèi)通過(guò)3D打印助力航天事業(yè)的發(fā)展也呈現(xiàn)了雨后春筍之勢(shì)，2019年，中國(guó)的深藍(lán)航天液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)再次進(jìn)行了推力室長(zhǎng)程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍(lán)航天對(duì)主要功能部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大量采用3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室效率從95%到99%的技術(shù)跨越，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。鉑力特承擔(dān)了此次試車發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器殼體和推力室身部?jī)蓚€(gè)零件的金屬3D打印工作。發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器殼體和推力室身部均為航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，使用環(huán)境苛刻，零件內(nèi)部有百余條冷卻流道，使用傳統(tǒng)工藝銑削、焊接工藝不僅制造周期長(zhǎng)、成本高，零件性能也難以得到保證。

汽車領(lǐng)域，GKN與汽車制造商保時(shí)捷通過(guò)金屬3D打印開(kāi)發(fā)新型電子驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成的新應(yīng)用。GKN根據(jù)粉末床金屬熔化3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，針對(duì)更高的設(shè)計(jì)自由度、更高效、更集成的動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了特定的鋼材料，這種鋼材料能夠承受高磨損和負(fù)載，并結(jié)合3D打印所實(shí)現(xiàn)的功能集成進(jìn)一步減輕重量。另一方面，保時(shí)捷工程部門正在研究如何在其電子驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)中實(shí)施新材料。采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)結(jié)合GKN的材料，保時(shí)捷實(shí)現(xiàn)了差速器的獨(dú)特設(shè)計(jì)（包括齒圈），通過(guò)這種齒輪減重和剛性形狀的組合，實(shí)現(xiàn)了更高效的傳動(dòng)。

PBF技術(shù)還在催生下一代熱交換器的發(fā)展，2019年GE宣布與馬里蘭大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內(nèi)完成開(kāi)發(fā)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換和更低的排放。GE希望新型換熱器將在超過(guò)900°C的溫度和高于250 bar的壓力下運(yùn)行，超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)的熱效率提高4％，在提高動(dòng)力輸出的同時(shí)減少排放。材料方面，這種新型換熱器將利用獨(dú)特的耐高溫，抗裂的鎳基超合金，這是GE研究團(tuán)隊(duì)為增材制造工藝而設(shè)計(jì)的材料。該熱交換器包括多個(gè)增材制造方法，使流體通道尺寸較小，具有較薄的壁而形成的流體通路，以及具有錯(cuò)綜復(fù)雜的形狀，這些熱交換器使用先前傳統(tǒng)的制造方法無(wú)法制造出來(lái)。

發(fā)電領(lǐng)域，GE和西門子都通過(guò)3D打印制造技術(shù)，打破了自己的凈效率記錄。其中，GE在南卡羅來(lái)納州格林維爾工廠的測(cè)試中以64%的聯(lián)合循環(huán)效率擊敗了自身之前的設(shè)計(jì)。GE將HArriet效率的提升歸功于“通過(guò)不斷創(chuàng)新帶來(lái)的燃燒效率突破”，而這里面的創(chuàng)新則離不開(kāi)3D打印技術(shù)所制造的燃汽輪機(jī)的多個(gè)關(guān)鍵部件。GE通過(guò)金屬3D打印技術(shù)制造設(shè)計(jì)優(yōu)化的燃燒系統(tǒng)部件，實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的幾何形狀，這使得 HArriet燃?xì)廨啓C(jī)的燃料和空氣的預(yù)混合得到改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率的最大化。

除了帶隨形冷卻通道的模具、帶復(fù)雜內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的刀具、帶內(nèi)部冷卻流道的燃油噴嘴及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等通過(guò)PBF成就的高附加值產(chǎn)品，制造復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)成為PBF 金屬3D打印技術(shù)的另外一大特色應(yīng)用。2019年國(guó)際首個(gè)3D打印全點(diǎn)陣整星結(jié)構(gòu)成功入軌的千乘一號(hào)整星結(jié)構(gòu)是航天五院總體部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部負(fù)責(zé)研制的，采用面向增材制造的輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，整星結(jié)構(gòu)通過(guò)鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號(hào)微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計(jì)及制備周期縮短至1個(gè)月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過(guò)500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

航天五院總體部的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意

此外，3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于高強(qiáng)度的壓縮機(jī)部件制造。輕質(zhì)、高強(qiáng)度的壓縮機(jī)部件的主體部分帶有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由3D打印實(shí)現(xiàn)，主體部分還通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部流體輸送通道，流體輸送通道用于允許潤(rùn)滑油流過(guò)壓縮機(jī)部件的主體部分。

不過(guò)點(diǎn)陣與3D打印的結(jié)合并非想像中那么輕松，這方面需要仿真軟件來(lái)提高建模與制造的成功。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年的仿真計(jì)算積累和努力探索，安世中德團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一款專業(yè)用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析的軟Lattice Simulation[2]?；诙喑叨人惴ǎ脩艨梢圆捎玫刃Ь|(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過(guò)局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。

設(shè)計(jì)、軟件和材料助力釋放3D打印潛力，材料方面，不僅僅是高溫合金、鋁合金通過(guò)PBF工藝實(shí)現(xiàn)了零件性能的飛躍，使用鑄銅轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)可以幫助普通感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)有效降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗，其他金屬材料例如3D打印銅金屬工藝，將有望解決電動(dòng)汽車鑄銅零件鑄造和釬焊的挑戰(zhàn)，替代鑄造與釬焊，實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)更復(fù)雜更高效的銅零件生產(chǎn)，從而有望應(yīng)用于例如轉(zhuǎn)子、散熱器、感應(yīng)器等零件的制造中。

更多的案例在液壓控制器、熱交換器、汽車結(jié)構(gòu)件、汽車輪轂、剎車系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、飛機(jī)隔離艙結(jié)構(gòu)等方面正在獲得成功驗(yàn)證與推廣。

值得注意的是我們目前聚焦的PBF金屬3D打印主要是關(guān)注其在制造復(fù)雜的幾何形狀，輕量化，縮短交貨時(shí)間，功能性一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)等方面的優(yōu)勢(shì)。而金屬3D打印工藝的一個(gè)容易被忽略的潛力是通過(guò)快速定向凝固帶來(lái)非常精細(xì)的晶體微結(jié)構(gòu)并控制逐層外延生長(zhǎng)。這為設(shè)計(jì)組件提供了新的可能性，此外，高冷卻速度為合金設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的可能性。而實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)金屬3D打印實(shí)現(xiàn)凝固微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)的偏析結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)非常精細(xì)的結(jié)果，與鑄造微觀結(jié)構(gòu)相比要小100倍。因此，均質(zhì)化熱處理時(shí)間也顯著的從幾小時(shí)減少到幾分鐘。

雖然PBF金屬3D打印吸引了金屬3D打印業(yè)界極大的關(guān)注，不過(guò)每一種技術(shù)都有著其自身的局限性。例如，不銹鋼的熔化溫度可接近2500華氏度，想像一下當(dāng)每個(gè)單獨(dú)的3D打印設(shè)備都需要不斷的消耗能源的時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)零件的加工，整體來(lái)說(shuō)對(duì)能源的消耗是不容低估的。除非，通過(guò)PBF技術(shù)所創(chuàng)造的綜合效益如上所述的幾個(gè)經(jīng)典案例這么明顯。

所以說(shuō)，用于批量生產(chǎn)領(lǐng)域，目前PBF這樣的高成本通常在加工通過(guò)傳統(tǒng)方式難以加工出來(lái)的特殊零件的時(shí)候才有意義，包括那些具有極其復(fù)雜的內(nèi)部通道的零件，以及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴和衛(wèi)星組件等高端部件。

除了能源的消耗，PBF技術(shù)還受到了材料的限制和可加工尺寸限制、材料價(jià)格、過(guò)程中控制以及需要添加支撐結(jié)構(gòu)等各種限制，各大研究機(jī)構(gòu)正在專注于克服這些挑戰(zhàn)推動(dòng)PBF技術(shù)走向更廣的普及化。當(dāng)然，隨著工藝的提升和通過(guò)軟件對(duì)質(zhì)量控制能力的提高，PBF技術(shù)也在不斷地突破自身的局限性。在這方面，亞琛Fraunhofer ILT已經(jīng)開(kāi)發(fā)出5個(gè)振鏡、可擴(kuò)展的下一代選區(qū)激光粉末床金屬打印技術(shù)，該解決方案還可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)LPBF系統(tǒng)快10倍加工速度的大型金屬部件。不僅僅在LPBF（基于粉末床的金屬熔化3D打印技術(shù)）方面獲得突破，亞琛Fraunhofer的futureAM項(xiàng)目包含了其他的增材制造技術(shù)，在線過(guò)程控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)，工藝穩(wěn)健性的開(kāi)發(fā)，以及基于數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)化流程鏈的開(kāi)發(fā)等。

l DED

讓我們把目光從PBF技術(shù)上切換到DED技術(shù)，DED直接能量沉積技術(shù)包括激光、等離子、電子束幾種不同的熱源，材料包括粉末或絲狀兩種主要的形態(tài)。金屬材料在沉積過(guò)程中實(shí)時(shí)送入熔池，這類技術(shù)以激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD）技術(shù)為代表，由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔池，熔化后逐層沉積，稱之為激光直接沉積增材成形技術(shù)，該技術(shù)成形出毛坯，然后依靠CNC數(shù)控加工達(dá)到需要的精度。

DED技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域除了零件的修復(fù)，還包括大型結(jié)構(gòu)件的制造，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件一體化制造（翼身一體）、重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）、難加工材料及零件的成形、高端零部件的修復(fù)（葉片、機(jī)匣的修復(fù)）等傳統(tǒng)鍛造技術(shù)無(wú)法做到的領(lǐng)域。當(dāng)然，隨著這一技術(shù)在工藝控制方面走向成熟，其應(yīng)用的想象空間將更大。

國(guó)內(nèi)，安世亞太與中科煜宸聯(lián)合開(kāi)發(fā)了面向金屬增材制造定向能量沉積工藝的專業(yè)工藝仿真軟件AMProSim-DED。使得我國(guó)在激光近凈成形制造技術(shù)的可擴(kuò)展性方面實(shí)現(xiàn)了華麗升級(jí)。

2020年，市場(chǎng)上已經(jīng)在談?wù)摯蠊β蔈HLA沉積速率超過(guò)2m2/ h的加工速度。憑借EHLA工藝，F(xiàn)raunhofer表示，該工藝對(duì)當(dāng)前抗腐蝕和磨損保護(hù)的加工工藝具有改進(jìn)作用。由于硬鉻電鍍消耗大量能量并且具有粘合和孔隙率的缺點(diǎn)，而熱噴涂在所用材料方面可能相當(dāng)浪費(fèi)。相比之下，EHLA方法加工出來(lái)的涂層是無(wú)孔的，從而改善粘合情況并降低裂紋和孔隙的發(fā)生的可能性。除此之外，根據(jù)Fraunhofer，EHLA技術(shù)比熱噴涂節(jié)約90％的材料。

Fraunhofer激光技術(shù)研究所的超高速激光材料沉積技術(shù)

l 3D打印砂型或熔模+鑄造

無(wú)論是PBF還是DED技術(shù)，都屬于直接金屬3D打印的技術(shù)范疇。市場(chǎng)上還活躍這間接實(shí)現(xiàn)金屬零件3D打印的途徑，一種是通過(guò)3D打印砂型或熔模再通過(guò)鑄造的方式成就復(fù)雜的零件，這方面以德國(guó)voxeljet-維捷的工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)為代表，國(guó)際上有知名汽車廠家采用了這一3D打印技術(shù)制造S58發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的鑄造砂芯，以滿足輕量化以及熱管理性能的需求。

l Binder Jetting

另外一種名為binder jetting的金屬3D打印技術(shù)，通過(guò)將金屬粉末與粘結(jié)劑層層粘結(jié)成為零件毛坯，再經(jīng)過(guò)脫脂燒結(jié)過(guò)程制造成金屬零件的間接金屬3D打印技術(shù)。這種生產(chǎn)系統(tǒng)與MIM金屬注射成型工藝頗有近親的感覺(jué)，然而其制造過(guò)程中并沒(méi)有使用模具。這種技術(shù)將使制造商能夠顯著降低其成本，從而使該技術(shù)成為鑄造的替代技術(shù)。

在這方面，大眾汽車上將使用惠普的金屬3D打印技術(shù)，首先是進(jìn)行大規(guī)模定制和裝飾部件的制造，并計(jì)劃盡快將Metal Jet金屬3D打印的結(jié)構(gòu)部件集成到下一代車輛中，并著眼于不斷增加的部件尺寸和技術(shù)要求。

 價(jià)值創(chuàng)造驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型

總體來(lái)說(shuō)，如今的3D打印技術(shù)發(fā)展程度，在技術(shù)層面上速度遠(yuǎn)超我們的想像，具備了在很多應(yīng)用層面顛覆的潛能，我們?nèi)绾卫斫饷恳环N3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)則需要跟應(yīng)用行業(yè)的需求想結(jié)合，拿汽車產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，3D打印目前無(wú)疑在100萬(wàn)-200萬(wàn)價(jià)位的車型上展開(kāi)了產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，那么這樣的發(fā)展趨勢(shì)將在什么樣的時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)展到50萬(wàn)價(jià)位的車型？當(dāng)發(fā)展到20萬(wàn)-30萬(wàn)價(jià)位的車型的時(shí)候，占據(jù)主流的3D打印技術(shù)又將是哪一種類別的3D打印技術(shù)？這需要對(duì)技術(shù)本身和應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展都具備一定的理解和判斷能力。

那么制造業(yè)如何駕馭3D打印技術(shù)，成為第四次工業(yè)革命的贏家呢？在這里，我們需要理解的是一切并不像購(gòu)買幾臺(tái)3D打印設(shè)備那么簡(jiǎn)單。

企業(yè)制造轉(zhuǎn)型是由價(jià)值創(chuàng)造驅(qū)動(dòng)的，3D打印技術(shù)成就“復(fù)雜”產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，例如通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的外形，將原來(lái)十幾個(gè)零件簡(jiǎn)化為1個(gè)零件，體積和重量大大縮??；或者是通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)了材料的冶金性能的提升，再或者是制造出梯度合金等材料；再或者是實(shí)現(xiàn)了更高的產(chǎn)品性能，提升了產(chǎn)品生命周期的附加值。3D打印從應(yīng)用端創(chuàng)造價(jià)值，從而從產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值賦能角度倒逼制造工藝向3D打印轉(zhuǎn)移。而創(chuàng)建競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)和材料。為增材制造而設(shè)計(jì)的增材思維-DfAM正在全球范圍內(nèi)建立。其中仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成為“玩轉(zhuǎn)”3D打印的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

每一個(gè)企業(yè)的轉(zhuǎn)型都是非常艱難的選擇，沒(méi)有一個(gè)企業(yè)可以從一個(gè)山頭直接”跳到”另外一個(gè)山頭，這需要有一個(gè)”下山”和重新”上山”的過(guò)程。傳統(tǒng)汽車從設(shè)計(jì)定型到第一輛汽車出廠大概需要三年左右的時(shí)間，在此期間所有的汽車零件都不允許改變?cè)O(shè)計(jì)，而在電動(dòng)汽車發(fā)展的時(shí)代，例如特斯拉汽車幾乎每個(gè)月都會(huì)有一次軟件的自動(dòng)更新，相對(duì)固化的體系成為了傳統(tǒng)汽車廠商的阿克琉斯之踵。尋求突破，成為傳統(tǒng)車廠轉(zhuǎn)型的當(dāng)務(wù)之急。

陷入牽一發(fā)而動(dòng)全身的陷阱，這不僅僅是汽車行業(yè)面對(duì)的挑戰(zhàn)。大型制造公司普遍擁有數(shù)十年以傳統(tǒng)方式開(kāi)展工作的經(jīng)驗(yàn)。所有的流程、設(shè)備、培訓(xùn)以及最重要的預(yù)算都集中在傳統(tǒng)流程上。這時(shí)候出于自身的短期發(fā)展資金安全角度，也會(huì)本能的拒絕新的想法。

此外，將新的制造技術(shù)融入關(guān)鍵制造工藝是一項(xiàng)重大任務(wù)，因?yàn)闊o(wú)論工廠發(fā)生什么，客戶都必須繼續(xù)獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。沒(méi)有一家制造企業(yè)能夠做到停止目前的生產(chǎn)，而去探索未知世界的“灘頭陣地”，

由于存在未知風(fēng)險(xiǎn)，而克服這一初始步驟所需的現(xiàn)金和資源有時(shí)非常龐大，以至于車廠不愿意甚至無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行這樣的探索。這使得不僅僅供應(yīng)鏈成為障礙，資金投入成為另外一個(gè)因素使得制造業(yè)企業(yè)陷入牽一發(fā)而動(dòng)全身的陷阱。

 轉(zhuǎn)型路徑

緩解轉(zhuǎn)型過(guò)程中的陣痛，制造企業(yè)可以嘗試建立3D打印實(shí)驗(yàn)室連接內(nèi)外部資源。3D打印實(shí)驗(yàn)室能夠更好地完善現(xiàn)有的3D打印方法并為推廣3D打印技術(shù)做準(zhǔn)備，同時(shí)創(chuàng)建度量標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，健全關(guān)鍵流程標(biāo)準(zhǔn)化，并重點(diǎn)改進(jìn)質(zhì)量和檢驗(yàn)流程。3D打印實(shí)驗(yàn)室還可以作為供應(yīng)鏈合作伙伴的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)或體驗(yàn)中心，并為企業(yè)內(nèi)部的團(tuán)隊(duì)提供培訓(xùn)機(jī)會(huì)。

有了思維的突破和硬件的準(zhǔn)備是第一步，企業(yè)還需要建立正向設(shè)計(jì)能力，這么多年國(guó)內(nèi)很多企業(yè)并不是很擔(dān)心技術(shù)上的跟進(jìn)，因?yàn)橹灰獎(jiǎng)e人有了，拿來(lái)逆向一下，再放到國(guó)內(nèi)巨大的市場(chǎng)，結(jié)合價(jià)格優(yōu)勢(shì)，就可能創(chuàng)造趕超別人的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。然而，逆向設(shè)計(jì)的慣性是很致命的， 3D打印的設(shè)計(jì)與制造的結(jié)合將不是那么容易被逆向，尤其是對(duì)于一些設(shè)計(jì)上非常復(fù)雜的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，正向設(shè)計(jì)是唯一出路。

走出逆向設(shè)計(jì)困局，國(guó)內(nèi)可以借鑒歐洲Fraunhofer的發(fā)展模式，建立對(duì)外研發(fā)商業(yè)模式的合作，制造企業(yè)在一個(gè)良性的研發(fā)創(chuàng)新支持的環(huán)境下，向企業(yè)外部尋求顛覆性創(chuàng)新支持，實(shí)現(xiàn)多贏、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的發(fā)展。

他山之石可以攻玉，無(wú)論是研發(fā)還是產(chǎn)品制造，企業(yè)在發(fā)展過(guò)程中，除了加強(qiáng)自身的創(chuàng)新實(shí)力，尋求與市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)資源相結(jié)合是另外一條加快發(fā)展的路徑。在這里，F(xiàn)raunhofer弗勞恩霍夫IPT工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究所，ILT激光研究所，RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)等增材制造研究領(lǐng)域集中優(yōu)勢(shì)的研發(fā)資源，通過(guò)亞琛增材制造中心(ACAM)，連接增材制造研發(fā)領(lǐng)域的中堅(jiān)力量，在全球范圍內(nèi)為制造企業(yè)提供歐洲領(lǐng)先科研機(jī)構(gòu)多年來(lái)積累的增材制造專業(yè)技術(shù)，并通過(guò)社區(qū)、聯(lián)合研發(fā)、以及專業(yè)教育服務(wù)，幫助企業(yè)應(yīng)對(duì)增材制造技術(shù)在應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。

雖然3D打印邁向產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中遇到了一系列的難題，例如通過(guò)信息管理系統(tǒng)來(lái)管理增材制造數(shù)據(jù)流；工藝可重復(fù)性、零件到零件的可重復(fù)性；成熟的認(rèn)證和質(zhì)量檢測(cè)方法。在這方面，得益于從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實(shí)施到服務(wù)的全價(jià)值鏈的數(shù)字化。

幸運(yùn)的是，我們即將迎來(lái)5G時(shí)代的到來(lái)，5G允許高密度數(shù)據(jù)的無(wú)縫互聯(lián)和實(shí)時(shí)溝通，也就是Real Link-實(shí)時(shí)鏈接,對(duì)生產(chǎn)的控制是 Real Moment-實(shí)時(shí)控制,對(duì)技術(shù)的組合柔性能力是Real Combination-實(shí)時(shí)組合, 對(duì)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)可以Real Personal-實(shí)時(shí)個(gè)性化。

國(guó)際上，德國(guó)Fraunhofer弗勞恩霍夫IPT工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究所攜手愛(ài)立信、亞琛工業(yè)大學(xué)啟動(dòng)了歐洲最大的5G數(shù)字制造工業(yè)園示范項(xiàng)目，旨在在制造業(yè)環(huán)境中引入新的移動(dòng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)?？焖俚?G數(shù)據(jù)傳輸可將所有生產(chǎn)和傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在包含完整生產(chǎn)歷史記錄的數(shù)字孿生體中。

通過(guò)將自動(dòng)化、數(shù)字化以及人工智能、邊緣計(jì)算、5G和區(qū)塊鏈等尖端技術(shù)無(wú)縫融合，可將海量數(shù)據(jù)全面轉(zhuǎn)化為寶貴的知識(shí)與技術(shù)，闊步邁入數(shù)字化轉(zhuǎn)型的全新階段。我們相信有一天，3D打印用于零件的生產(chǎn)將是全流程數(shù)字化的，質(zhì)量穩(wěn)定的，產(chǎn)品信息可追溯的。在這個(gè)基礎(chǔ)上，3D打印技術(shù)由于其天生的數(shù)字化特征可以說(shuō)是最為貼合動(dòng)態(tài)供應(yīng)鏈的制造技術(shù)。數(shù)字孿生體技術(shù)使得復(fù)雜的3D打印過(guò)程變得輕松，從而減少故障，提高零件質(zhì)量并更智能地使用材料。

 展望

隨著中央政治局常委會(huì)會(huì)議提出“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度”，頂層設(shè)計(jì)為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)按下“加速鍵”。可以預(yù)見(jiàn)，在更強(qiáng)大的新基建基礎(chǔ)設(shè)施上，軟件將在我國(guó)的工業(yè)制造環(huán)境中獲得前所未有的良性發(fā)展生態(tài)環(huán)境。

3D打印重塑制造模式與商業(yè)模式的時(shí)代正在來(lái)臨，從制造到創(chuàng)造，相信我國(guó)的制造業(yè)將借助新技術(shù)和國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)科研資源的東風(fēng)，走上一條更為強(qiáng)健的自主與合作創(chuàng)新發(fā)展道路。

來(lái)源：3D打印科學(xué)谷