金屬加工領域的3D打印產業發展情況

王曉燕

ACAM中國 浙江寧波 310000

1 序言

3D打印普遍被認為是帶來下一代工業革命的主要驅動因素，主要的原因是增材制造帶來小批量生產的經濟性和靈活性、個性化定制的可能性，以及復雜零件生產的可行性。這不僅改變了我們對原來產品設計的印象，還帶來了供應鏈的改變，縮短了產品上市時間，并且對環境更友好。

關于3D打印對制造行業的革新作用，SpaceX首席設計師兼首席執行官馬斯克有著精辟地闡述：通過3D打印，能以傳統制造方法的一小部分成本和時間就能制造出堅固且高性能的發動機零件。除了航天領域，3D打印在其他工業制造領域的動力裝備、結構件、模具等方面正在創造下一代產品。

2 技術分類與應用

如果要全面理解金屬3D打印的產業發展情況，我們首先需要還原3D打印在金屬產品制造方面的每一種技術形態與當前產業發展的結合情況。

2.1 PBF（金屬粉末床熔融技術）

（1）PBF簡介 首先，我們來了解一下PBF基于金屬粉末床的金屬熔化3D打印技術。PBF被認為是一種直接的金屬3D打印技術，這類技術以激光或電子束為熱源來逐層熔化金屬粉末，層層凝固成零件的形狀。PBF是目前被使用最廣泛的金屬3D打印技術。通用電氣（GE）投資14億美元收購Concept Laser和Arcam，市場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地使用。

（2）PBF的應用領域 由于可實現十分復雜的產品制造，PBF技術不僅使得復雜產品的制造變得更加可行，而且還創造了更大的圍繞著產品生命周期的綜合性經濟效益。

1）在動力裝備方面，PBF技術所成就的產品并不是停留在概念開發階段，而是已經隨著火箭和飛船進入了太空，隨著飛機在天空中翱翔。由此可見，3D打印所造就的下一代產品極大提升了人類利用資源的水平。

這方面，業界熟知的GE公司3D打印的燃油噴嘴[1]頂部結構只有核桃般大小，里面卻有14條精密的流體通道。3D打印的噴油嘴是一個精密的整體，原來20個部件變為一個零件被制造出來。新噴嘴重量比上一代輕25%，使用壽命是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。GE公司奧本工廠憑借40多臺3D打印機在2017年總共交付了8000個燃油噴嘴。截至2018年底，工廠完成的3D打印燃油噴嘴總數已超過3.3萬個。然而，值得注意的是，與傳統加工技術相比，GE公司從燃油噴嘴制造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發動機，3D打印正在推動航空發動機創新，GE公司已經發起對下一代航空發動機技術制高點的布局。

類似的成功案例不勝枚舉，除了大名鼎鼎的SpaceX、NASA、GE、西門子等通過3D打印在不斷突破下一代航天器、商業飛機、燃氣渦輪發電機等產品的性能極限。就在2020年初，歐洲也呈現了追趕態勢，ESA歐洲宇航局全尺寸3D打印銅合金推力室首次熱試通過，增材制造將推力室零件數量由數百個減少到三個，縮短了生產時間，降低了成本，顯著提高了液體推進發動機在歐洲運載火箭中的競爭力。國際上，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度外套。不僅如此，推力室的歧管和整體式噴油嘴也是3D打印的。

國內還出現了深圳意動航空科技有限公司（以下簡稱深圳意動）完全3D 打印的微型燃氣渦輪發動機。微型燃氣渦輪發動機的零部件結構復雜且微型化，此前該領域仍需依賴國外的產品和技術。深圳意動聯合安世亞太成功開發了兩款全3D打印微型渦噴發動機：10kg級推力的NK-10和50kg級推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超高溫試驗，各項指標滿足要求，試驗中最高轉速高于14萬r/min，為全3D打印旋轉渦輪超高溫點火試驗（見圖1）。

圖1 深圳意動聯合安世亞太開發的增材制造微型燃氣渦輪發動機

國內通過3D打印助力航天事業的發展也呈現了雨后春筍之勢。2019年，中國的深藍航天液氧煤油發動機再次進行了推力室長程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍航天對主要功能部件進行優化設計，大量采用3D打印工藝，實現了國內液氧煤油火箭發動機推力室效率從95%到99%的技術跨越，達到了國際先進水平。鉑力特承擔了此次試車發動機噴注器殼體和推力室身部兩個零件的金屬3D打印工作。發動機噴注器殼體和推力室身部均為航天發動機關鍵零部件，使用環境苛刻，零件內部有百余條冷卻流道，若使用傳統銑削、焊接工藝，不僅制造周期長、成本高，而且零件性能也難以得到保證。

2）汽車領域，GKN與汽車制造商保時捷通過金屬3D打印開發新型電子驅動動力總成的新應用。GKN根據粉末床金屬熔化3D打印技術的特點，一方面針對更高的設計自由度、更高效和更集成的動力系統開發了特定的鋼材料，這種鋼材料能夠承受高磨損和負載，并結合3D打印所實現的功能集成進一步減輕重量。另一方面，保時捷工程部門正在研究如何在其電子驅動動力系統中實施新材料。采用結構優化技術結合GKN的材料，保時捷實現了差速器的獨特設計（包括齒圈），通過這種齒輪減重和剛性形狀的組合，實現了更高效的傳動。

3）PBF技術還在催生下一代熱交換器的發展，2019年GE公司宣布與馬里蘭大學和橡樹嶺國家實驗室合作研發UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內完成開發計劃，實現了更高效的能量轉換和更低的排放。GE公司希望新型換熱器將在超過900℃和高于25MPa的壓力下運行，超臨界CO2動力循環的熱效率提高4%，在提高動力輸出的同時減少排放。材料方面，這種新型換熱器將利用獨特的耐高溫、抗裂的鎳基超合金，這是GE公司研究團隊為增材制造工藝而設計的材料。該熱交換器包括多個增材制造方法，使流體通道尺寸較小，具有較薄的壁而形成的流體通路，以及具有錯綜復雜的形狀，這些熱交換器使用以前傳統的制造方法則無法制造出來。

4）發電領域，GE公司和西門子都通過3D打印制造技術，打破了自己的凈效率記錄。其中，GE公司在南卡羅來納州格林維爾工廠的測試中以64%的聯合循環效率擊敗了自身之前的設計。GE公司將HArriet效率的提升歸功于“通過不斷創新帶來的燃燒效率突破”，而這里面的創新則離不開3D打印技術所制造的燃氣輪機的多個關鍵部件。GE公司通過金屬3D打印技術制造設計優化的燃燒系統部件，實現了更復雜的幾何形狀，這使得 HArriet燃氣輪機的燃料和空氣的預混合得到改進，從而實現了燃氣輪機發電效率的最大化。

5）除了帶隨形冷卻通道的模具、帶復雜內冷結構的刀具、帶內部冷卻流道的燃油噴嘴及發動機燃燒室等通過PBF成就的高附加值產品，制造復雜點陣結構成為PBF金屬3D打印技術的另外一大特色應用。2019年國際首個3D打印全點陣整星結構成功入軌的“千乘一號”整星結構是航天五院總體部機械系統事業部負責研制的，采用面向增材制造的輕量化三維點陣結構設計方法進行設計，整星結構通過鋁合金增材制造技術一體化制備（見圖2）。傳統微小衛星結構重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。“千乘一號”微小衛星的整星結構重量占比降低至15%以內，整星頻率提高至110Hz，整星結構零部件數量縮減為5件，設計及制備周期縮短至1個月。整星結構尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛星結構。

圖2 航天五院總體部的點陣結構示意

此外，3D打印點陣結構還可以應用于高強度的壓縮機部件制造。輕質、高強度的壓縮機部件的主體部分帶有點陣結構的內部區域，點陣結構由3D打印實現，主體部分還通過3D打印實現了內部流體輸送通道，用于允許潤滑油流過壓縮機部件的主體部分。

不過點陣與3D打印的結合并非想象中那么輕松，這方面需要仿真軟件來提高建模與制造的成功率。國內經過多年的仿真計算積累和努力探索，安世中德團隊開發出了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件Lattice Simulation[2]。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數，在均質化等效實體模型進行宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。

6）設計、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PBF工藝實現了零件性能的飛躍，使用鑄銅轉子的電動機還可以幫助普通感應式電動機有效降低電動機轉子的損耗。其他金屬材料，例如3D打印銅金屬工藝，將有望解決電動汽車鑄銅零件鑄造和釬焊的難題，成功替代鑄造與釬焊，實現更經濟、更復雜、更高效的銅零件生產，從而有望應用于轉子、散熱器及感應器等零件的制造中。

更多的案例在液壓控制器、熱交換器、汽車結構件、汽車輪轂、剎車系統、傳動系統及飛機隔離艙結構等方面正在獲得成功驗證與推廣。

值得注意的是，我們目前聚焦的PBF金屬3D打印主要是關注其在制造復雜的幾何形狀、輕量化、縮短交貨時間及功能性一體化結構實現等方面的優勢。而金屬3D打印工藝的一個容易被忽略的潛力是通過快速定向凝固帶來非常精細的晶體微結構并控制逐層外延生長，這為設計組件提供了新的可能性。此外，高冷卻速度為合金設計開辟了新的可能性。而試驗證明，通過金屬3D打印實現凝固微觀結構和相關的偏析結構可以帶來非常精細的結果，與鑄造微觀結構相比要小100倍。因此，均質化熱處理時間也顯著地從幾小時減少到幾分鐘。

（3）PBF的局限性 雖然PBF金屬3D打印技術受到了金屬3D打印業界極大地關注，不過每一種技術都有著其自身的局限性。例如，不銹鋼的熔化溫度可接近1371℃，當每個單獨的3D打印設備都需要不斷地消耗能源的時候才能實現零件的加工，整體來說對能源的消耗是不容低估的。除非通過PBF技術所創造的綜合效益如上述的幾個經典案例這么明顯。

所以說，用于批量生產領域，目前PBF這樣的高成本通常在加工通過傳統方式難以加工出來的特殊零件的時候才有意義，包括那些具有極其復雜的內部通道的零件，以及噴氣發動機燃料噴嘴和衛星組件等高端部件。

除了能源的消耗，PBF技術還受到了材料和可加工尺寸、材料價格、過程中控制以及需要添加支撐結構等各種限制，這些因素成為制約PBF技術走向普及化的原因。當然，隨著工藝的提升和軟件對質量控制能力的提高，PBF技術也在不斷地突破自身的局限性

2.2 DED（定向能量沉積技術）

DED定向能量沉積技術包括激光、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。金屬材料在沉積過程中實時送入熔池，這類技術以激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD）技術為代表，由激光在沉積區域產生熔池并高速移動，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，該技術成形出毛坯，然后依靠CNC數控加工達到需要的精度。

DED技術的市場應用領域除了零件的修復，還包括大型結構件的制造，如飛機結構件一體化制造（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（葉片、機匣的修復）等傳統鍛造技術無法做到的領域。當然，隨著這一技術在工藝控制方面走向成熟，其應用的想象空間將更大。

在國內，安世亞太與中科煜宸聯合開發了面向金屬增材制造定向能量沉積工藝的專業工藝仿真軟件AMProSim-DED，使得我國在激光近凈成形制造技術的可擴展性方面實現了華麗升級。

2.3 3D打印砂型或熔模+鑄造

無論是PBF還是DED技術，都屬于直接金屬3D打印的技術范疇，而市場上還活躍著間接實現金屬零件3D打印的途徑，是通過3D打印砂型或熔模再通過鑄造的方式制造復雜的零件。這方面以德國維捷的工業級3D打印技術為代表，國際上有知名汽車廠家采用了這一3D打印技術制造S58發動機缸蓋的鑄造砂芯，以滿足輕量化以及熱管理性能的需求。

2.4 Binder Jetting（粘結劑噴射技術）

Binder Jetting金屬3D打印技術是通過將金屬粉末與粘結劑層層粘結成為零件毛坯，再經過脫脂燒結過程制造成金屬零件的間接金屬3D打印技術。這種生產系統與MIM金屬注射成形工藝相似，然而其制造過程中并沒有使用模具。這種技術將使制造商能夠顯著降低生產成本，從而使該技術成為鑄造的替代技術。

在這方面，大眾汽車將使用惠普的金屬3D打印技術進行大規模定制和裝飾部件的制造，并計劃盡快將Metal Jet金屬3D打印的結構部件集成到下一代車輛中，且著眼于不斷增加的部件尺寸和技術要求。

3 價值創造驅動轉型

總體來說，如今的3D打印技術發展程度，在技術層面上的速度遠超我們的想象，具備了在很多應用層面顛覆的潛能，我們如何理解每一種3D打印技術的優勢則需要與應用行業的需求相結合。以汽車產業為例，3D打印目前無疑在100萬~200萬元價位的車型上展開了產業化的應用，那么這樣的發展趨勢將在什么樣的時間節點發展到50萬元價位的車型？當發展到20萬~30萬元價位的車型時，占據主流的又將是哪一種類別的3D打印技術？這需要對技術本身和應用行業的發展都具備一定的理解和判斷能力。

那么制造業如何駕馭3D打印技術，成為第四次工業革命的贏家呢？在這里，我們需要理解的是一切并不像購買幾臺3D打印設備那么簡單。

企業制造轉型是由價值創造驅動的，3D打印技術成就“復雜”產品的優勢，例如通過3D打印實現了更復雜的外形，將原來十幾個零件簡化為一個零件，體積和重量大大減小；或者是通過3D打印實現了材料冶金性能的提升，再或者是制造出梯度合金等材料；再或者是實現了更高的產品性能，提升了產品生命周期的附加值。3D打印從應用端創造價值，從而從產業鏈的價值賦能角度倒逼制造工藝向3D打印轉移。而創建競爭優勢的關鍵是設計和材料。為增材制造而設計的增材思維——DfAM正在全球范圍內建立。其中仿真驅動設計成為“玩轉”3D打印的關鍵點之一。

每一個企業的轉型都是非常艱難的選擇。傳統汽車從設計定型到第一輛汽車出廠大概需要三年的時間，在此期間所有的汽車零件都不允許改變設計。而在電動汽車發展的時代，例如特斯拉汽車幾乎每個月都會有一次軟件的自動更新，相對固化的體系成為了傳統汽車廠商的致命要害。因此，尋求突破成為傳統車廠轉型的當務之急。

陷入牽一發而動全身的陷阱，這不僅僅是汽車行業面對的挑戰。大型制造公司普遍擁有數十年以傳統方式開展工作的經驗。所有的流程、設備、培訓以及最重要的預算都集中在傳統流程上。這時候出于自身的短期發展資金安全角度，也會本能地拒絕新的想法。

此外，將新的制造技術融入關鍵制造工藝是一項重大任務，因為無論工廠發生什么，客戶都必須繼續獲得高質量的產品。沒有一家制造企業能夠做到停止目前的生產，而去探索未知世界的“灘頭陣地”。

由于存在未知風險，而克服這一初始步驟所需的現金和資源有時非常龐大，以至于車廠不愿意甚至無法繼續進行這樣的探索。這使得不僅僅供應鏈成為障礙，資金投入也成為另外一個因素使得制造業企業陷入困境。

4 轉型路徑

為了緩解轉型過程中的巨大陣痛，制造企業可以嘗試建立3D打印實驗室連接內外部資源。3D打印實驗室能夠更好地完善現有的3D打印技術并為推廣3D打印技術作準備，同時創建度量標準，重點改進設計創新，健全關鍵流程標準化，并重點改進質量和檢驗流程。3D打印實驗室還可以作為供應鏈合作伙伴的培訓機構或體驗中心，并為企業內部的團隊提供培訓機會。

思維的突破和硬件的準備是第一步，企業還需要建立正向設計能力。走出逆向設計困局，國內可以借鑒歐洲Fraunhofer弗勞恩霍夫的發展模式，建立對外研發商業模式的合作，制造企業在一個良性的研發創新支持的環境下，向企業外部尋求顛覆性創新支持，實現多贏、優勢互補的發展。

他山之石可以攻玉，無論是研發還是產品制造，企業在發展過程中，除了加強自身的創新實力，尋求與市場上的優勢資源相結合是另外一條加快發展的路徑。在這里，Fraunhofer弗勞恩霍夫IPT工業生產技術研究所、ILT激光研究所、RWTH亞琛工業大學等增材制造研究領域集中了優勢的研發資源，通過亞琛增材制造中心（ACAM），連接增材制造研發領域的中堅力量，在全球范圍內為制造企業提供歐洲領先科研機構多年來積累的增材制造專業技術，并通過社區、聯合研發以及專業教育服務，幫助企業應對增材制造技術在應用中的挑戰。

雖然3D打印邁向產業化的過程中遇到了一系列的難題，例如通過信息管理系統來管理增材制造數據流；工藝可重復性、零件到零件的可重復性；成熟的認證和質量檢測方法。在這方面，得益于從設計、生產規劃、生產工程、生產實施到服務的全價值鏈的數字化。

幸運的是，我們即將迎來5G時代，5G允許高密度數據的無縫互聯和實時溝通，對生產的控制是實時控制，對技術的組合柔性能力是實時組合，對產品的實現可以實時個性化。

國際上，德國Fraunhofer弗勞恩霍夫IPT工業生產技術研究所攜手愛立信、亞琛工業大學啟動了歐洲最大的5G數字制造工業園示范項目，旨在制造業環境中引入新的移動無線標準。快速的5G數據傳輸可將所有生產和傳感器數據存儲在包含完整生產歷史記錄的數字孿生體中。

通過將自動化、數字化以及人工智能、邊緣計算、5G和區塊鏈等尖端技術無縫融合，可將海量數據全面轉化為寶貴的知識與技術，闊步邁入數字化轉型的全新階段。我們相信有一天，3D打印用于零件的生產將是全流程數字化、質量穩定、產品信息可追溯的。

5 展望

國家頂層設計為新型基礎設施建設按下加速鍵。可以預見，在更強大的新型基礎設施上，軟件將在我國的工業制造環境中獲得前所未有的良性發展生態環境。

3D打印重塑制造模式與商業模式的時代正在來臨，從制造到創造，相信我國的制造業將借助新技術和國內外優勢科研資源的東風，走上一條更為強健的自主創新發展道路。