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3D新闻

访原航天部部长林宗棠:以3D创新推动装备制造业升级

激光制造商情 来源:中国工业报2014-04-22 我要评论(0 )   

现年88岁的前航天工业部部长林老把自己的家变成了一个3D打印实验室。4月14日,中国工业报记者来到林老家中做主题为3D创新和工业装备升级的采访。采访开始前,林老先带...

    现年88岁的前航天工业部部长林老把自己的家变成了一个3D打印实验室。  

  4月14日,中国工业报记者来到林老家中做主题为3D创新和工业装备升级的采访。采访开始前,林老先带着记者在他家参观了一下。不大的房间,摆了4台规格不一的3D打印机,其中还有2台是林老自己“攒”的,4台打印机不分昼夜地工作,橱柜里也摆满了打出来的样品:罗丹的思想者、骏马、各种颜色的郁金香,还有飞机螺旋的叶片。  

  林老开心地对记者说:“现在我屋里屋外都有花,外面是种的,里面是打印出来的。”  

  实际上,林老家展示的几台机器是3D打印中最基础的熔丝沉积成型,它成本低,精度不高,适合通过学校等向大众推广,“比如可以为孩子打些玩具”。  

  “下一个阶段,3D打印重点是要用到工业中来,通过金属材料3D打印技术制造一些关键零部件。这里要用到激光束、电子束和等离子束来加工。我感觉到,激光成型技术可能会成为决定我国3D打印发展的重要一环。现在(国内)用的激光头都是美国进口的,非常贵,而且容易受到控制。”林老告诉中国工业报记者。  

  因此,林老在今年春天给中央的一份报告中建议,把3D打印技术列为国家重点项目来抓,“树立几个典型,以点带面,不断发展提高。”  

 

  3D打印:与以往切削工艺相反的增材制造  

  谈到3D打印,必须了解它能为传统工业带来哪些新的可能。  

  其实,3D打印本质上并非印刷技术,而是一种增材制造技术,是将材料逐层添加形成制造对象的方法,与传统的以切削、模具铸造为主的制造方式完全不同。  

  林老认为,3D打印原理并不深奥,也没有太难的技术关键,它更合乎大自然的发展规律。  

  “以飞机的起落架为例,我们传统的方法是切削加工,它的工序第一步是要建设一个大钢厂,可以制造出几百吨的大钢锭;第二步要万吨水压机来做锻件,还要热处理,用非常大的热处理炉;第三步是粗加工,要用几十台大机床来完成;第四步要建设几万吨的模锻水压机,这之后还需要再经过热处理、粗加工、精加工,最后才能出来最终的零部件。”林老举例说明。  

  “这一工程非常漫长,而且是减法工艺,最终成形的件用料可能只占最初原材料的5%。而3D打印完全不同,它是从无到有的过程,材料几乎可以100%用上,如果打印精度够了,后续的精加工也可以去掉。整个加工工艺缩短了不止10倍,人力、物力成本节省得更多。这也可以充分说明3D打印的优越性。”  

  从一组具体数据来看:相对于目前国内零部件45天以上的开发周期,3D打印技术依据零部件的复杂程度,只需要1~7天的开发周期;从用料的角度来说,目前我国利用激光打印制造的飞机中央翼根肋,传统锻件毛坯重达1607公斤,而利用激光成型技术制造的精坯重量仅为136公斤,节省了91.5%的材料。  

  据介绍,目前国内3D打印技术已在航空、军工领域率先使用,国产J-15战斗机、国产大型客机C919等都采用了3D打印技术来打印部分零部件,但并不是所有的制造业都适用于3D打印。  

  有专家认为,3D打印技术存在的意义不在于代替传统制造业,而在于做传统制造业不能做、很难做,以及耗时长、成本高的领域。利用3D打印技术可以轻松实现一些个性化强、设计复杂的产品,这包括精密零部件、新产品模具和人体器官等。  

  “以汽车工业为例,做模具、做样品、做设计验证,3D打印技术再合适不过了。还有个性化的汽车,随着技术进步,或许在不久的将来,汽车就可以实现小批次的个性化定制。”林老说。 

 

    带动装备工业升级 “叫3D创新更合适”  

  林老在那份给中央的报告中,没有用“3D打印”,而用了“3D创新”。  

  “这一技术称为3D创新更合适。因为3D打印的前提是3D设计。”林老告诉记者,“3D设计与3D打印的结合,才是3D打印产业基本的产业模式。”  

  林老说,没有好的3D设计,3D打印无法进行。3D设计可以采取包括3D建模或3D扫描两种方式来实现,也可以两种方式相结合,实现一个好的3D模型。  

  林老把3D打印称为“3D创新”,还有一个重要原因就是,我国可以通过3D打印这一技术,提升传统工业的创新能力和竞争力,在制造装备上,也“完全可以通过3D创新来赶超发达国家”。  

  在最近召开的全国装备工业工作会议上公布的数据显示,2013年我国装备制造业产值规模突破20万亿元,占全球比重超过三分之一,稳居世界首位。“20万亿的产值,体量已经够大,而且今后五年还会保持世界第一的体量,但存在的问题是创新力不够,根据联合国的排名,我国装备制造业的综合竞争力排名第七。”林老说。  

  “这就需要不断地技术创新与结构调整,3D创新可以在这里面起到重要作用,尤其在产品设计、样品试制、产品模具等方面,发挥巨大作用。”林老说,“若能大力开发3D创新等技术,提高质量,加强服务,创建世界级品牌,在不远的将来,(装备制造业)赶超世界先进水平,是完全有可能的。”  

  虽然林老的期望很高,但也应该看到,目前,我国的3D创新仍处在初级阶段。以产值来论,2013年美国3D创新产业产值为30亿美元,中国只有3亿~4亿美元的产业规模。  

  在企业规模上,欧洲3D打印企业的销售规模一般都在10亿元人民币左右,美国3D打印企业营收甚至在30亿元人民币,而国内还没有一家企业收入过亿,甚至超过5000万元的企业都没有几家。  

 

  推进难题:旧工业设备和工艺思维的桎梏  

  未来,3D创新在哪里会遇到问题?这也是林老非常愿意谈的一个话题。  

  首先是,老设备对创新的桎梏。林老说:“为什么在传统工业领域不容易创新?因为旧设备已经很成熟了,成百上千万元的投资进去了,工人用得也很顺手,一时之间很难接受新的制造手段,需要一个过程。”  

  其次,增材制造的质量到底怎么样,也是个需要求证的问题。“虽然北航的王华明教授说,制造出来的部件比模锻件质量还好,但我心里还有个问号,要通过检测设备的反复检测来证明它。尤其是涉及到航天、航空的一些关键件,一定要做到万无一失。”林老说。  

  因此,如何检测制造出来零件的强度和精度,以及质量的一致性,成了一个难题,“这需要检验设备、检验手段都要跟上”,林老说,“但目前我国在这方面只有少数实验室能完成一部分的测试。”  

  再其次,3D创新这一理念在广大的工艺设计人员中接受度并不高,大家的思维还停留在“减法工艺”时代,这也是个大问题。“很多人,包括像我这样的老工程师,都认为3D很‘玄’,不敢去尝试,实际上当你真的去做了,会发现没有那么‘玄’。”  #p#分页标题#e#

  林老告诉记者,十几年前,航空领域的一些工艺人员、科研人员就开始搞3D创新,但多集中在清华大学、北京航天航空大学、华中科大、华南理工、西北工大等一些高校和研究院所,普通工程师接受度较低。  

  从企业层面来说,虽有不少企业,采用了熔丝、光化、粉末、激光、电子束等多种方式来做3D创新,但总体上都是各自为政,分散经营,水平参差不齐,研发经费投入比较有限,与国外差距较大。 

建议将3D创新列为国家重大科技项目  

 

  书接上文,林老对3D创新如何发展有自己的看法。  

  他对中国工业报记者说,“进行3D创新,首先是设计人员、工艺人员在思想上有个大的转变。我们能不能通过媒体在全行业开展一次设计工艺大讨论,抓几个典型,让大家意识到,原来制造还可以这么搞。”  

  此外,在给党中央、国务院的报告中,林老还提出三点建议:  

  第一,建议党中央、国务院把3D创新列为国家重中之重的项目,要像过去抓国家重大技术装备一样,狠抓100个研发创新重点,逐个突破,由点到面,不断发展,不断提高。  

  “3D创新不是某一行业的事情,它具有普遍性,航天、医疗、汽车、船舶、消费品都能用到,不能单叫哪个部门、哪个公司去搞。可以选几个行业,在每个行业抓几个典型,把这事儿带起来。”林老说。  

  第二,建议在全国大中小学播撒10万颗3D创新的种子,增加教材,赠送3D打印机,从娃娃抓起,培养千万个既能动手又能动脑的3D创新能手。  

  “我曾经问过很多老朋友、老领导,他们都不了解3D打印技术,我去到学校问一个三年级的小学生知道电脑吗,他说知道,但问3D打印,孩子完全不知道。如果能播种10万颗种子,那相当于为未来培养了10万个3D创新能手,10万人再影响10万人,就可能是100万甚至1000万人。”林老说。现在这项工作已经在南京、北京的几个小学展开。  

  第三,建议创建“中国3D创新联合体”,组织结构上采用虚实结合的模式,组织调动全国的力量,并与发达国家合作共赢,赶超世界先进水平。如,基于上述3D创新联合体,再创建10万台的3D打印机,其中金属打印机超过千台,年产值可以达到100亿美元。  

  目前,林老的这一报告已经得到党中央和国务院的批示,要求有关部门要“密切跟踪全球3D技术发展趋势,支持国内研究有序发展,争取重点突破。”“我国若能抓住3D创新的先机,迎头赶上,将对更好更快地实现中国梦,产生意想不到的重大贡献。”林老说。  

 

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  3D打印,没那么神秘  

  3D打印实际上是一种增材制造技术,它是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的一种制造方式。  

  为什么叫“打印?”因为它与普通打印机工作原理基本相同,将打印机内装上粉末状金属或塑料等可黏合材料,与电脑连接后,通过一层又一层的多层打印方式,最终把计算机上的蓝图变成实物。  

  3D打印技术每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。  

  3D打印是数字与物理世界的交融,它最终还是需要使用软件去设计数字化模型,然后迅速进行概念验证。打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。  

  3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。堆叠薄层的形式有多种多样。  

  目前,美国是3D打印相关软件开发的领导者,而德国则在3D打印设备制造方面有很强的领先优势。

 

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