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1、Additive ManufacturingAdditive Manufacturing T Technology and echnology and I Its ts EffectEffect on on M Manufacturing of Chinaanufacturing of China2014.05.29.，Beijing中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所BAMTRI,AVIC.巩水利Prof.Dr.GONGShuili内 容 提 要1 12 2DevelopmentofInternational5 53 34 4IntroductionTechnicalmethodsan
2、dmeansDomestictechnologydevelopmentsDisparityandsuggestions目 录AdditiveManufacturing(AM or 3D Printing)：是人类通过对物质可控的动态累积以逼近目标形体的一种生产过程；是与材料去除成形、受迫成形等对应的科学技术体系；是以“堆积”为共同特征的技术群。一、IntroductionuReshapingtheglobalmanufacturingcompetitionstructurel上世纪美国时代周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”l英国经济学人杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现
3、第三次工业革命”uChangetheproductionandlifemodeinthefuturel社会化制造l那么每个人都可以成为一个工厂l它将改变制造商品的方式l并改变世界的经济格局l进而改变人类的生活方式 一、The third industrial revolution?!一、Strategic significance of AM for Chinau可成为我国制造业自主创新的有效手段；u符合绿色制造发展方向，有利于制造业的可持续发展；u可促进传统制造技术水平的提升，促进制造与服务融合发展；u有望培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级。uAneffectivewayforinde
4、pendentinnovationofmanufacturingindustryforChinauCompliancewiththegreenmanufacturingdevelopment,andconducivetothesustainabledevelopmentofmanufacturingindustry;uPromotetheupgradingoftraditionalmanufacturingtechnology,andthefusiondevelopmentbetweenmanufacturingandservice;uExpectedtocultivatenewindustr
5、ies,optimizetheindustrialstructureandpromoteindustrialupgradingAerospace高性能金属零件直接增材制造技术的发展，为航空航天产品从产品设计、模型和原型制造、零件生产和产品测试都带了新的思想和技术途径，有望大幅缩短航空航天产品的研发和生产周期the development of direct manufacturing technology of performance parts,new ideas and technical approach are brought into product design,model and
6、 prototype manufacturing,parts manufacturing and product testing,which is expected to significantly shorten the research and development cycle of aerospace production.增材制造大型复杂发动机机匣铸造熔模（直径增材制造大型复杂发动机机匣铸造熔模（直径1.21.2米原来米原来需要机加工或模具压制多个局部结构，然后拼接成整体，需要机加工或模具压制多个局部结构，然后拼接成整体，精度难以控制，工序繁琐，周期长，增材制造方法精度精度难以控制，
7、工序繁琐，周期长，增材制造方法精度高、整体成形、周期短。高、整体成形、周期短。激光近成形的叶片激光近成形的叶片（OptomecOptomec公司），公司），传统传统铸锻，均需制造复杂模具，铸锻，均需制造复杂模具，增材制造实现自由成形增材制造实现自由成形SLSCast一、Development history of AM technology快速原型快速原型/快速成形快速成形快速工具快速工具/模具模具/铸型铸型快速成形快速成形直接制造直接制造uVerificationand presentation of concept概念验证和呈现l工业设计l产品设计uDesign verificationa
8、nd testu设计验证和测试l反复设计和优化l成型、装配和功能性测试uProductionand manufacturinguMolding and secondary operations 制模与二次操作 l热成型 l砂型铸造 l金属镀层 lEDM电极uSmall batch production,mass production 批量生产l失蜡铸造l吹塑制模 l塑料挤塑 l环氧制模 一、Major use生产与制造l直接制造零件 二、Technical methods and means：Major processTechnologyMaterial CharacteristicsAppl
9、ications光固化成形（SLA）液态树脂精度高；表面质量好航空航天、生物医学等激光选区烧结（SLS）高分子、金属、陶瓷、砂等粉末材料成形材料广泛、应用范围广等制作复杂铸件用熔模或砂芯等激光选区熔化（SLM）金属或合金粉末可直接制造高性能复杂金属零件用于航空航天、珠宝首饰、模具等熔融沉积制造（FDM）低熔点丝状材料零件强度高、系统成本低汽车、工艺品等激光近净成形（LNSF）金属粉末成型效率高、可直接成形金属零件航空领域电子束选区熔化（EBSM）金属粉末可成形难熔材料航空航天、医疗、石油化工等电子束熔丝沉积（EBFFF）金属丝材成形速度快、精度不高航空航天高附加值产品制造分层实体制造（LOM）
10、片材成形速率高、性能不高用于新产品外形验证立体喷印（3DP）光敏树脂、粘接剂喷粘接剂时强度不高、喷头易堵塞制造业、医学、建筑业等的原型验证Industry chain of AMIndustry chain of AMUSERUSERpost-treatmentandservicesManufacturingManufacturingEquipmentEquipmentMaterialMaterial Additivemanufacturinghasalongindustrychain,andimprovesthetechnologyandeconomy.母合金、中间合金、金属冶炼、粉末、母合
11、金、中间合金、金属冶炼、粉末、金属丝材、材料检测、材料储运金属丝材、材料检测、材料储运激光器、电子枪、成形软件、机电控制、激光器、电子枪、成形软件、机电控制、传感器、机床、装备集成、真空器件、传感器、机床、装备集成、真空器件、气体循环器件、冷却系统气体循环器件、冷却系统产品研制、工艺开发等、委托产品研制、工艺开发等、委托加工加工机械加工、热处理、表面处机械加工、热处理、表面处理、无损检测、性能测试、理、无损检测、性能测试、生物陶瓷、净化生物陶瓷、净化4.4 国际发展现状uEuropeanandAmericancountrieshaveincreasedtheirsupport,andmadet
12、henationalstrategiesandplansforadditivemanufacturingdevelopment;Ithasdrawmoreattentionofgovernment,researchinstitutions,enterprisesandthemedia.2012年3月，美国白宫宣布振兴美国制造的新举措，将投资10亿美金帮助美国制造体系的改革，鼓励优先发展增材制造为代表的数字化制造技术；在全国范围筹建多个研究与企业联盟英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费，目前已在多个大学建立了增材制造研究中心德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技
13、术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用西班牙也启动了增材制造专项，研究增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等内容日本一直重视增材制造技术，研制和应用水平走在了亚洲前列三：Development and trends of International AMClear development ideas大型运输机舱体壁板结构航空发动机机匣Basic research Standard setting Industry applications Industrial Development三：Development and trends of International AMClear dev
14、elopment projectsResearchplanofelectronbeamrapidprototypingmadebyAmericanNASA三：Development and trends of International AMuDirect manufacturing of performance parts.Performance is close to the traditional process;Applied in some complicated conditions.英国南安普顿大学设计并利用增材制造技术制造了世界上第一架“3D打印”无人驾驶飞机，最高时速达100
15、多公里世界上第一辆“3D打印”赛车“阿里翁”，已在德国的霍根海姆赛道完成测试，时速达141公里4.4 国际发展现状三：Development and trends of International AMEuropehave carried out extensive esearch l意大利意大利AVIO公司公司电子束选区熔化电子束选区熔化生产线拥有生产线拥有13台设备；台设备；l英国罗英国罗罗公司正在建立拥有罗公司正在建立拥有30台设备的台设备的电子电子束选区熔化束选区熔化生产线。生产线。大推力涡扇发动机钛铝合金大推力涡扇发动机钛铝合金三四级涡轮叶片三四级涡轮叶片p “Rapid Rapid
16、 manufacturing manufacturing center center of of large large aerospace aerospace partsparts”，has has been been established in 2007established in 2007p Additive Additive manufacturing manufacturing of of small small and and precise precise structure structure keeps keeps ahead ahead of the world.of t
17、he world.空空客客、罗罗罗罗、EADSEADS等等公公司司的的飞飞机机及及发发动动机机上上已已有有大大量量应应用。用。uSolving the manufacturing problems for difficult-machining materials。例如，德国EOS公司开发的选区激光烧结（SLS）增材制造装备可成形传统工艺（注塑、挤塑）难加工的耐高温塑料利用基于粉材的激光烧结工艺可成形复杂高精度零部件，力学性能较尼龙等塑料高出1倍（拉伸强度达95MPa，杨氏模量达4400MPa）特别是具有优异的耐高温性能，可连续服役于180摄氏度的动态力学场合、240摄氏度的静态力学场合以及2
18、60摄氏度电气场合等三：Development and trends of International AMuRepairing and re-manufacturing high temperature parts。以激光、等离子束和电弧等能束增材制造再制造技术为代表，已应用于机械、能源、船舶等领域核心、高附加值零部件的快速修复美国AeroMet公司应用于F15等战斗机机翼梁修复英国Rolls-Royce公司用于航空发动机叶片修复激光成形修复的发动机零件激光成形修复的发动机零件相比传统电镀、热喷涂等技术，增材制造技术的使用，实现了高性能、高效率和低成本修复和再制造三：Development
19、and trends of International AMuRapid customizing personalized structure in biomedical area。与生物医疗技术相结合，应用于牙齿、骨骼等“人体零部件”修复或植入手术中。在过去的10余年，增材制造在生物医疗领域的应用比重约为占全部应用的15%。增材制造的人体修复体增材制造的人体修复体增材制造的金属牙齿已应用于人体，并有专用装备增材制造金属颅骨修复体，已获临床应用增材制造人体关节金属修复体，已有专业的服务公司4.4 国际发展现状三：Development and trends of International A
20、Mu“three-dimensional printing”of micro and nano structures in the field of electronics manufacturing.与电子制造技术相融合，可应用于有机发光二极管、薄膜太阳能电池、无芯片RFID标签、柔性显示器等微纳尺度功能性器件的“三维打印”与压膜制版、光刻蚀和镀膜等工艺相比，增材制造用于电子领域不仅减少污染排放，还可提高贵重材料利用率！增材制造的微纳电子器件增材制造的微纳电子器件电子电路多层柔性PCB无芯片RFID标签有机薄膜光伏器件有机发光显示OLED4.4 国际发展现状三：Development and
21、 trends of International AMuProductization and serialization on production and sale of equipments.欧美及日本在该领域处于世界领先水平，已形成了众多专业化和规模化的装备生产企业。近年来，开始出现知名企业强强联合与兼并的态势，进一步加大了地区不平衡和技术垄断程度美国3D Systems公司l生产和销售三种工艺类型、数十种型号的增材制造装备l仅SLS工艺装备就有9种型号l公司于2012年2月兼并了办公型三维打印装备知名企业美国ZCorp公司美国Stratasys公司l专营低成本熔融沉积（FDM）工艺装备
22、l是全球累计销售装备数量最多的企业，占总应用量的约40%l2012年4月，公司兼并了桌面型三维打印装备知名企业以色列Objet公司德国EOS公司l专门生产和销售SLS、SLM装备l共有六种型号l成形材料包括高分子、砂、金属及其复合材料4.4 国际发展现状三：Development and trends of International AMuEquipments are developing to specialization.如德国EOS公司提供专门用于工业应用级金属牙齿激光增材制造装备铸造成本低，但工艺繁琐，周期长，难以个性化制造；机加工精度高，但材料浪费严重SLM工艺简单、个性化制造、材
23、料利用率高、零件性能好4.4 国际发展现状三：Development and trends of International AMpEquipments expand from research and industry high-end types to mass consumption type.欧美发达国家开始重视低成本（几万甚至几千人民币）增材制造装备的研制与产业化，促使增材制造技术从实验室和工厂走向办公室甚至是家庭美国ZCorp公司（并入3D Systems公司）生产的办公型三维打印装备类似于打印机，可用于多类型塑料彩色零件的增材制造 美国MakerBot公司生产的简易型装备设备，可
24、低成本制造塑料零件 三：Development and trends of International AMuForm relatively integrated industry chain including equipments,materials,software,services.世界知名的增材制造装备生产企业超过30余家，主要分布在美国、德国、英国及日本等少数发达国家已有专业增材制造材料生产企业，如瑞典Sandvik公司提供微细金属粉末专业的增材制造软件公司，如比利时Materialise公司提供增材制造工艺与控制软件三：Development and trends of Inte
25、rnational AMuIndustry and markets have achieved certain scale,and annual output value is growing at double-digit rates.1989年-2011年，增材制造装备销售量平均年增长率高达31.6%，自2000年后以更快的速度递增2011年，增材制造产品及服务产值较前一年增加了29.4%三：Development and trends of International AMuMix of multidiscipline such as numerical control,new mate
26、rials,new energy etc.uApplication areas include aerospace,automobile,mould,biomedical,electronic,construction,consumer products,education,official business etc.Application area distribution多轴联动、高速扫描控制、高精密传动等数控技术微细金属粉末、光敏树脂、水溶喷印树脂等新材料及其制备技术高能束激光、电子束、等离子等新能源技术4.4 国际发展现状三：Development and trends of Inte
27、rnational AMuTechnology:从快速原型、工艺辅助等间接制造发展为零部件直接制造，新材料、新器件、新产品不断出现；uEquipment:向产品化、系列化和专业化方向发展；从科研和工业等高端型向办公和个人消费等大众化型拓展；uIndustry:形成了集装备、材料、软件、服务于一体的产业链，初具产业规模和市场销售；uStandards:已发布较成熟的、成系列的相关技术标准，并已开始了国际标准的制定；uApplication:多学科交叉融合发展，应用领域不断扩大。三：Development and trends of International AM四.Our developmen
28、t situation电子束熔丝电子束熔丝沉积成形：沉积成形：北京北京625所所1990199520002003电子束选区电子束选区熔化成形：熔化成形：清华大学清华大学北京北京625625所所20072007西北有色院西北有色院20112011中科院金属所中科院金属所20112011快速原型：快速原型：清华大学清华大学西安交大西安交大华中科大华中科大中北大学中北大学北京北京625625所所北京隆源公司北京隆源公司2003金属激光成形：金属激光成形：西工大西工大北京有色院北京有色院北京北京625625所所华中科大华中科大华南理工华南理工北京殷华公司北京殷华公司2011大型结构大型结构激光成形：激
29、光成形：北航北航西工大西工大北京北京625625所所2006激光成形大激光成形大型航空钛合型航空钛合金结构装机金结构装机应用：应用：北京航空航北京航空航天大学天大学电子束熔丝电子束熔丝沉积成形沉积成形钛合金结构钛合金结构及激光选区及激光选区熔化成形精熔化成形精密结构装机密结构装机应用应用 北京北京625625所所Some related research institutes and bases are builtpDevelopment of additive manufacturing equipments relying on universities and research inst
30、itutes under financial support of national projects.代表性单位有：西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学、中航工业北京航空制造工程研究所、西北工业大学、清华大学、华南理工大学、西北有色金属研究院，等等。四.Our development situation625625所所EBRMEBRM设备设备625625所所SLMSLM设备设备pState-of-the-art is transiting from rapid prototyping to components direct manufacturing.Areas on high p
31、erformance placitics and metal components are developing rapidly.Some exceed international level.However,generally speaking,there is still big room for improvement.制作飞机风洞模型，辅助新型飞机结构的创新设计与快速开发用于汽车、家电和数码等快速更新换代行业中新产品结构的快速验证，如海尔等重要企业均建立的增材制造技术中心辅助汽车发动机缸体缸盖等复杂铸件蜡型和砂型的快速制造，二汽、玉柴等相关企业均设立了专门的增材制造部门四.Our de
32、velopment situationuThere is big improvement room for additive manufacturing equipments.Industrial chain needs to be established involving materials,hardware,software and services.Equipment usage distribution of international additive manufacturingEquipment production distribution of international a
33、dditive manufacturing截止2011年底，我国增材制造装备使用量占全球份额的8.6%，装备产量仅占世界总量的3.6%。说明我国使用的不到10%的装备还 有超过一半依赖于进口！我国增材制造装备的应用量和生产量均有较大提升空间4.5 我国发展情况四.Our development situation四.Our general situation4.5 我国总体情况pResearch condition:形成了一批各具特色的研发机构，并研发成功了一批增材制造装备；pTechnological level:总体上还处于从模型制作向零部件直接制造的过渡阶段，部分指标达世界领先水平；pA
34、pplication and industry:在典型关键领域进行了局部应用，但缺乏产业链，产业规模提升空间大！；pStandards:已开始了相关标准的制定工作，但起步较晚，标准涉及内容较分散，未形成成套的系列化标准。4.6 我国面临的主要差距pWeakness of theoretical research:在基础理论与成形机理研究方面，我国在一些局部点上开展研究，但国外研究更基础、更系统和更深入pLack of key generic technology research:国外基于成熟理论基础上的工艺控制，成形精度、制件性能以及工艺稳定性高pWeakness of materials
35、research:增材制造用材料与传统工艺所用材料有较大差别，我国与国外相比无论是种类还是质量上都有差距pLow equipment level:大部分增材制造工艺装备国内都有研制，但在成形精度和智能化程度以及材料适应范围方面与国外先进水平相比存在差距pCore components rely on import:激光器、精密光学器件等装备核心元器件依靠进口五.Our gap,solution and suggestAdvantagesOpportunitiesThreatsDisadvantages行业需求背景与支持推动明确的产品需求和强劲的研发动力强大扎实领先的技术实力自主知识产权的软件平
36、台前期研发的经验与教训现环境下的低盈利甚至负盈利市场份额到达市场的时间国内市场需求大而紧迫 国际主要竞争产品能力有限，产品能力低端航空产业需求旺盛现有商品无法满足需求国际国内同行的快速研发竞争高端产品的性能 Analysis on advantages,disadvantages,opportunities and threatsAerospace飞机大型钛合金框梁、接头飞机大型钛合金框梁、接头飞机小型精密复杂结构飞机小型精密复杂结构航空发动机叶片、机匣航空发动机叶片、机匣整体式小型火箭发动机整体式小型火箭发动机火箭发动机尾喷管火箭发动机尾喷管冲压发动机复杂异型进气道冲压发动机复杂异型进气道复
37、杂形状高效散热结构复杂形状高效散热结构.Healthcare人体植入物：人体植入物：髋关节、膝关节、髋关节、膝关节、牙科产品、定制植牙科产品、定制植入体等入体等医疗器械：医疗器械：手术固定、支撑物手术固定、支撑物手术过程模拟体手术过程模拟体Main application areas and formMain application areas and formEquipmentEquipmentProcessProcessdevelop-develop-mentmentMaterialsMaterialsTurnkeyTurnkeyEnergy,power,applianceandtrans
38、portetc.复杂阀门、箱体、复杂阀门、箱体、管路、散热装置、管路、散热装置、支架；定制产品、支架；定制产品、艺术造型、工业设艺术造型、工业设计模型计模型ServiceServiceandandtrainingtraining1lLaser additive manufacturing technology and equipment for non-metal光固化技术及装备光固化技术及装备激光烧结技术及装备激光烧结技术及装备lLaser additive manufacturing technology and equipment for metal 激光选区熔化技术及装备激光选区熔化技
39、术及装备 激光熔覆修复技术及装备激光熔覆修复技术及装备l Additive manufacturing technology for preparation of advanced materials 非金属材料研制（光敏树脂、高分子粉末、高分子丝材）非金属材料研制（光敏树脂、高分子粉末、高分子丝材）金属粉末材料研制金属粉末材料研制l Electron beam additive manufacturing technology and equipment for metal电子束选区融化技术与装备电子束选区融化技术与装备电子束熔丝成形技术与装备电子束熔丝成形技术与装备 Goal and St
40、rategy产品服务Principles lFocus on our unique features and innovation1.金属激光选区成形、电子束选区成形设备成形能力（尺寸、精度、稳定性可靠性）领先世界水平；2.非金属激光选区成形设备与工艺达世界先进水平；lBreakthrough at some points and world leading1.钛合金激光选区成形设备和工艺；2.光固化设备和技术；3.激光烧结设备和技术。lAdditive manufacturing control software with self-owned intellectual property rightlRepresentative domestic and international process and material standards谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！