3D打印——

　　高端製造的利器(開卷知新)

　　盧秉恒 《 人民日報 》( 2022年04月19日 第 20 版)

　　3D打印是製造業(ye) 熱門技術，應用範圍極廣。它既可以打印塑料、陶瓷等非金屬材料，也可以打印鋼鐵、鋁合金、鈦合金、高溫合金等金屬材料，以及複合材料、生物材料甚至是生命材料，成形尺寸從(cong) 微納米元器件到10米以上大型航空結構件，為(wei) 現代製造業(ye) 發展及傳(chuan) 統製造業(ye) 升級轉型提供了巨大契機。

　　相較傳(chuan) 統製造方法，3D打印在理念上大為(wei) 不同。我們(men) 經常使用的產(chan) 品都是三維的，傳(chuan) 統製造方法是模具成形或者切削加工，也被稱作是等材製造及減材製造。等材製造就是人們(men) 熟知的鑄鍛焊，已經有數千年曆史。無論是四川的三星堆，還是陝西的兵馬俑，都能看到用等材製造方法製成的精美銅器。電動機問世後，以其為(wei) 動力，可以對材料進行切削加工。因為(wei) 在車銑刨磨的加工過程中材料逐漸被切掉，所以被稱為(wei) 減材製造。與(yu) 上述兩(liang) 種傳(chuan) 統製造方法相比，我們(men) 俗稱的3D打印技術是上世紀80年代發明的新製造方法，類似燕子銜泥造窩，材料一點一點累加，造出三維物體(ti) 來，因此又稱增材製造。雖然從(cong) 理念上說，燕子銜泥、萬(wan) 裏長城都可以視作增材製造，但是隻有在計算機控製下，把需要的材料按照設計累加到需要的地方，實現控形控性，才是真正的增材製造。

　　賦能產(chan) 品設計製造，推動高端製造業(ye) 長足進步

　　經過多年研究與(yu) 發展，人們(men) 發明了光固化、粉末燒結、絲(si) 材累加等3D打印技術。這3種技術分別利用激光掃描液態光敏樹脂表麵，使之固化，或者高能束掃描材料粉末，使之燒結，或者采用熱/電弧/高能束熔融絲(si) 材按照圖形剖麵鋪設等方法，在剖麵上一層層累加，製成三維實體(ti) 零件。信息技術日新月異，3D打印技術在計算機控製下，可以打印出多種材料、任意形狀，因此在工業(ye) 及日常生活中，正帶來許多重大變化。

　　不同的製造技術有不同的技術特點。比如等材製造的鑄鍛焊過程，需要模具、砂型，如果我們(men) 隻做一件樣品，成本上就劃不來，它更適合於(yu) 批量製造。當然，也可以用減材製造進行切削加工，但加工過程會(hui) 造成材料浪費。比如航空航天製造中，為(wei) 實現輕量化，一些零件很大卻很輕，形狀複雜，要把材料盡可能地分布在邊沿，這就需要切掉很多材料。對一些像鋁合金、鈦合金這樣貴重的金屬來說，付出的成本高昂。3D打印技術擺脫了模具、工裝夾具等生產(chan) 準備工作，在新產(chan) 品開發、首件製造等方麵，極大縮短了周期，降低了成本。而且通過計算機控製，完全實現數字化，哪裏需要材料，就可以把材料堆積到哪裏，做到節材製造。

　　目前，我國不少企業(ye) 的製造能力強，但產(chan) 品開發能力相對不足，製約了製造業(ye) 向價(jia) 值鏈頂端的發展。3D打印可以幫助我們(men) 補足這一短板，縮短設計迭代、樣機製作、評價(jia) 、分析、改進、量產(chan) 等流程。如在航空航天等高端裝備的快速開發和迭代升級方麵，3D打印已成為(wei) 新產(chan) 品開發的有力工具。

　　3D打印還為(wei) 創新設計拓展出巨大空間。過去設計師雖然有很好的構想，但由於(yu) 模具製造的複雜性、切削加工空間的可達性，不能按照原構想來設計，隻能把大的零件拆成幾十、上百個(ge) 小零件，設計與(yu) 製造的成本隨之增加。對於(yu) 傳(chuan) 統製造難以實現的零件形狀或結構，3D打印可以勝任，通過結構一體(ti) 化製造，實現最優(you) 設計構想。這就為(wei) 設計創新、產(chan) 品創新、裝備創新提供巨大空間，由此為(wei) 製造業(ye) 帶來不可估量的效益。比如，一家生產(chan) 飛機發動機的大型公司，原來在製造發動機燃油噴嘴過程中，由於(yu) 製造技術的局限，需要把噴嘴分成20多個(ge) 零件去製造。這20多個(ge) 零件中的每一個(ge) 都要達到微米級，裝配在一起時需要焊接，然而一焊接，就達不到微米級的精度了。結果，燃油噴嘴的製造缺乏一致性，燃油效率很難優(you) 化。而現在，可以把20多個(ge) 零件一體(ti) 化地3D打印出來，化繁為(wei) 簡，提高了零件的燃油效率，大大增強產(chan) 品競爭(zheng) 力。

　　除了擅長複雜零件的設計製造，3D打印還可以在個(ge) 性化製造上大顯身手。伴隨信息化進程，個(ge) 性化製造在越來越多的領域替代流水線式大批量製造。家電、可穿戴電子設備乃至汽車等消費品越來越呈現個(ge) 性化趨勢，而3D打印尤為(wei) 擅長個(ge) 性化製造。比如為(wei) 運動員3D打印一雙最適合其腳型的鞋子，將有助於(yu) 改善穿著體(ti) 驗，提高運動成績。在精準醫療領域，如骨科手術輔具、牙科正畸、手術模型等方麵，能夠越來越多地看到3D打印的應用。3D打印醫療器械新產(chan) 品層出不窮，已從(cong) 最初用於(yu) 製造生物假體(ti) ，擴展至細胞、組織和器官打印研究，未來或將用於(yu) 人體(ti) 器官再創，為(wei) 人類帶來福祉。

　　產(chan) 業(ye) 鏈不斷擴展，“3D打印+”邁上新台階

　　全球增材製造產(chan) 業(ye) 鏈正在不斷擴展。航空航天、航海、能源動力、汽車和軌道交通、電子工業(ye) 、模具製造、醫療健康、數字創意、建築等領域的企業(ye) 和服務廠商不斷湧入增材製造產(chan) 業(ye) 。汽車行業(ye) 超越航空航天、醫療等領域，成為(wei) 3D打印技術的第一大應用行業(ye) ，包括原型設計、模具製造和批量化3D打印零件等。

　　3D打印在前沿科學研究方麵，也發揮著越來越重要的作用。3D打印技術能在可控條件下，快速將不同材料混合在一起，打印試件或零件，因此可以按照材料基因組方法，實驗與(yu) 發明新合金、新複合材料，為(wei) 工業(ye) 應用快速開發出更多更好的新材料，滿足高端裝備、新產(chan) 品的多方麵需求。近年來，功能梯度材料越來越受到重視。用多種不同材料打印零件，將材料分層，不同材料打印在不同層，零件就可以實現表麵是耐磨、耐腐蝕的，裏麵是高強度、韌性好的，再裏麵就像人體(ti) 的骨頭一樣，是疏鬆的蜂窩狀結構。如此一來，產(chan) 品在增強剛性的同時減輕了重量。

　　當前，人們(men) 正致力於(yu) 增材製造技術開發與(yu) 產(chan) 業(ye) 化。3D打印已經應用於(yu) 我國航空航天開發和小批量製造、汽車快速開發及輕量化、精準醫療、文化創意等領域。在材料製備、3D打印主流工藝與(yu) 裝備、關(guan) 鍵零部件、控製軟件及各領域工程應用等方麵，初步形成創新鏈與(yu) 產(chan) 業(ye) 鏈。去年，我國增材製造產(chan) 業(ye) 規模增速高於(yu) 全球同期增速。我國已將3D打印應用於(yu) 飛機起落架這類高負荷承力件；中國首枚火星探測器“天問一號”的運載火箭發動機上，安裝了許多3D打印零件。作為(wei) 一種短流程的製造技術，3D打印在抗擊新冠肺炎疫情中也發揮了作用，如3D打印醫療方艙、護目鏡、呼吸閥等。

　　經過近40年發展，增材製造已經邁向“3D打印+”階段。從(cong) 開始的原型製造逐漸發展為(wei) 直接製造、批量製造；從(cong) 以形狀控製為(wei) 主要目標的模型模具製造，到形性兼具的結構功能一體(ti) 化的部件組件製造；從(cong) 微納米尺度的功能元器件製造到數十米大小的民用建築物打印……增材製造作為(wei) 一項變革性技術，是先進製造的有力工具，是智能製造不可分割的重要組成部分。

　　隨著“3D打印+”的深入開展，增材製造、減材製造與(yu) 等材製造將走向互融互通。不同製造技術各顯其長，發揮合力，共同推動我國由製造大國向製造強國邁進。

　　(作者為(wei) 中國工程院院士、西安交通大學教授)