3D打印——

       高端制造的利器(开卷知新)

       卢秉恒 《 人民日报 》( 2022年04月19日 第 20 版)

       3D印刷是制造业的一项流行技术，应用广泛。它不仅可以印刷塑料、陶瓷等非金属材料，还可以印刷钢、铝合金、钛合金、高温合金等金属材料，以及复合材料、生物乐鱼体育app在线下载材料甚至生命材料，从微纳米元件到10米以上的大型航空结构，为现代制造业的发展和传统制造业的升级提供了巨大的机遇。

       与传统的制造方法相比，3D印刷在概念上是非常不同的。我们经常使用的产品是三维的，传统的制造方法是模具成型或切割加工，也被称为等材料制造和减少材料制造。等材料制造被称为铸造锻造焊接，已有数千年的历史。无论是四川的三星堆还是陕西的兵马俑，都可以看到等材料制造的精美铜器。电机出现后，以其为动力，可以切割材料。由于材料在车辆铣削过程中逐渐切割，因此被称为减少材料制造。与上述两种传统的制造方法相比，我们通常被称为3D印刷技术是20世纪80年代发明的一种新的制造方法，类似于燕子粘土窝，材料一点一点地积累，产生三维物体，也被称为添加剂制造。虽然从概念上看，燕子粘土和长城可以被视为添加剂制造，但只有在计算机控制下，所需的材料才能根据设计积累到所需的地方，以实现形状控制，是真正的添加剂制造。

       赋动高端制造业取得巨大进步

       经过多年的研究和发展，人们发明了光固化、粉末烧结、丝积累等3D打印技术。这三种技术分别用激光扫描液体光敏树脂表面固化，或用高能束扫描材料粉末烧结，或用热/电弧/高能束熔融丝按图形剖面铺设，在剖面上层层积累，制成三维实体零件。信息技术日新月异，3D在计算机的控制下，打印技术可以打印出各种材料和形状，因此在工业和日常生活中带来了许多重大变化。

       不同的制造技术有不同的技术特点。例如，等材料制造的铸造、锻造和焊接工艺需要模具和砂型。如果我们只做一个样品，成本就不值得了。它更适合批量制造。当然，减料也可以用来切割，但加工过程会造成材料浪费。例如，在航空航天制造中，为了实现轻量化，一些零件非常大，但非常轻，形状复杂。为了尽可能地将材料分布在边缘，需要切割大量材料。对于像铝合金和钛合金这样的贵金属，成本很高。3D打印技术摆脱了模具、工具夹具等生产准备工作，大大缩短了新产品开发和第一制造的周期，降低了成本。通过计算机控制，完全实现数字化，在需要材料的地方，可以积累材料，实现材料制造。

       目前，我国许多企业制造能力强，但产品开发能力相对不足，制约了制造业向价值链顶端的发展。3D印刷可以帮乐鱼体育app在线下载助我们弥补这一不足，缩短设计迭代、原型生产、评价、分析、改进、大规模生产等过程。例如，在航空航天等高端设备的快速开发和迭代升级中，3D印刷已成为新产品开发的有力工具。

       3D印刷也为创新设计拓展了巨大的空间。过去，虽然设计师有很好的想法，但由于模具制造的复杂性和切割加工空间的可达性，他们无法根据原始想法进行设计。他们只能把大零件分成几十个或几百个小零件，设计和制造的成本也会增加。对于传统制造中难以实现的零乐鱼体育app在线下载件形状或结构，3D印刷可以胜任，通过结构一体化制造，实现最佳设计理念。这为设计创新、产品创新和设备创新提供了巨大的空间，给制造业带来了不可估量的效益。例如，一家生产飞机发动机的大公司，由于制造技术的限制，需要将喷嘴分成20多个部件进行制造。这20个部件中的每个都必须达到微米级，组装在一起需要焊接，但一旦焊接，就不能达到微米级的精度。因此，燃料喷嘴的制造缺乏一致性，燃料效率难以优化。现在，20多个部件可以集成3D印刷，简化复杂性，提高零件燃油效率，大大提高产品竞争力。

       除设计制造复杂零件外，3D印刷也可以在个性化制造化制造方面的技能。随着信息化的进程，个性化制造在越来越多的领域取代了流水线式的大规模制造。家用电器、可穿戴电子设备甚至汽车等消费品越来越个性化，3D印刷特别擅长个性化制造。比如运动员3D打印一双最适合脚型的鞋子将有助于提高穿着体验和运动成绩。在骨科手术辅助设备、牙科正畸、手术模型等精准医疗领域，我们可以看乐鱼体育app在线下载到越来越多3D打印应用。3D新的印刷医疗器械产品源源不断地涌现，已从最初用于制造生物假体扩展到细胞、组织和器官印刷研究，未来可能用于人体器官再创造，为人类带来福祉。

       产业链不断扩大，3D印刷 迈上新台阶

       全球增材制造产业链不断扩大。航空航天、航海、能源动力、汽车和轨道交通、电子工业、模具制造、医疗保健、数字创意、建筑等领域的企业和服务制造商不断涌入增材制造业。汽车工业已经超越了航空航天、医疗等领域3D原型设乐鱼体育app在线下载计、模具制造和批量化是印刷技术最大的应用行业3D打印零件等。

       3D印刷在前沿科学研究中也发挥着越来越重要的作用。3D印刷技术可以在可控条件下快速混合不同的材料，打印试件或零件。因此，新合金和新复合材料可以根据材料基因组的方法进行实验和发明，为工业应用快速开发出更多更好的新材料，以满足高端设备和新产品的各种需求。近年来，功能梯度材料越来越受到重视。用各种不同的材料打印零件，在不同层打印不同的材料，零件可以实现耐磨、耐腐蚀的表面，强度高，韧性好，然后像人体骨头一样，是一个松散的蜂窝结构。这样，该产品在增强刚度的同时减轻了重量。

       目前，人们正致力于增材制造技术的发展和产业化。3D印刷已应用于中国航空航天开发和小批量制造、汽车快速开发和轻量化、精准医疗、文化创意等领域。材料制备3D创新链和产业链初步形成于印刷主流工艺和设备、关键部件、控制软件和各个领域的工程应用。去年，我国增材制造业规模增速高于全球同期增速。中国已经3D印刷用于飞机起落架等高负荷承载件；中国第一个火星探测器天问一号的运载火箭发动机上安装了许多3D打印零件。制造技术作为一种短工艺，3D印刷在抗击新冠肺炎疫情中也发挥了作用，如3D打印医疗舱、护目镜、呼吸阀等。

       经过近40年的发展，增材制造已经走向3D打印 阶段。从最初的原型制造到直接制造和批量制造；从模型模具制造的主要目标，到结构功能集成的组件制造；从微纳米尺度到数十米大小的民用建筑印刷……增材制造作为一种变革性技术，是先进制造的有力工具，是智能制造不可分割的重要组成部分。

       随着“3D随着打印 的深入发展，增材制造、减材制造和等材制造将相互融合。不同的制造技术展示了自己的优势，共同推动中国从制造业大国向制造业强国迈进。

       (作者为中国工程院院士、西安交通大学教授)