[原创]中国3D打印产业发展浅析

jnd0827 收藏 25 65685
导读:最近3D打印技术的话题非常热,不少媒体上的文章高度赞扬中国3D打印产业取得的成就,说中国在3D打印技术领域已经超越了美国,成为中国军工产业的杀手锏。这样的文章使得很多爱国军迷激情澎湃,振臂高呼,似乎我们已经找到了克制美帝的法宝。但冷静下来看一看,一些写文章的人对3D打印技术知之不多,所以见解就难免偏颇,很多读文章的人更是不求甚解,跟着起哄,真正冷静思考的人却比较有限,这和资本市场里爆炒3D概念股的情形有点类似,但凡和3D打印沾边的股票,不管三七二十一先把价格炒起来,追求很高的市梦率,至于这家公司
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最近3D打印技术的话题非常热,不少媒体上的文章高度赞扬中国3D打印产业取得的成就,说中国在3D打印技术领域已经超越了美国,成为中国军工产业的杀手锏。这样的文章使得很多爱国军迷激情澎湃,振臂高呼,似乎我们已经找到了克制美帝的法宝。但冷静下来看一看,一些写文章的人对3D打印技术知之不多,所以见解就难免偏颇,很多读文章的人更是不求甚解,跟着起哄,真正冷静思考的人却比较有限,这和资本市场里爆炒3D概念股的情形有点类似,但凡和3D打印沾边的股票,不管三七二十一先把价格炒起来,追求很高的市梦率,至于这家公司是否有支撑业务发展的底蕴先甭管,炒高之后让那些后知后觉者高位接棒吧。

国人了解到3D打印技术在军工产业上的运用,大概源于2012年中国航空工业的井喷式发展。在2012年前后,中国的第四代战斗机歼-20和歼-31的概念机和国产舰载机歼-15集中亮相,这种突飞猛进式的进步让中国人惊喜得都回不过神来。后来我们才从歼-15总设计师那里得知:在国产新型战斗机上面采用了3D打印技术,使产品的设计和研制周期大大缩短,于是才有了后来让世人瞠目结舌的惊艳亮相。

中国3D打印产业发展浅析

我国的3D立体打印技术研究起步并不算晚,大致在1999年,即美国解密其3D激光打印研发计划之后三年多,中国就开始了相关的研发。大体上讲,中国起步的时间比美国晚了十五年,但进步非常显著,在某些领域的确超越了美国。那么我们到底在哪方面处于世界领先的水平?具体地说,就是大尺度的钛合金和高强度钢构件的立体打印技术,这个非常了不起。中国目前能完成长度在4米这个量级、平面面积12平方米的钛合金构件的立体打印,这个尺寸正好是新型战斗机主承力构架的尺度,从设计到打印成型实现了流程化作业,大大缩短了研制生产周期,减少了焊接拼装程序,尤其是不会再出现钛金属可怕的焊接腐蚀,不仅加工精度满足要求,材料的强度、韧度、抗疲劳性能也完全符合设计要求,还大大节省了钛合金材料。

要知道美国目前F35的主承力构架还是要靠几万吨级的水压机压制成型,然后还要进行切割削制、打磨,不仅制作周期长,而且浪费了大量的原材料,大概70%左右的钛合金在加工过程中作为边角废料损耗了,将来在构件组装时还要消耗额外的连接材料,导致最终成型的构件比3D打印出来的构件重将近30%。这种传统的加工工艺还有一个致命的缺点:就是加工周期较长,通常认为其耗时大概是3D立体打印的十倍。

其实美国空军早就认识到3D 立体打印技术的优越性,在上世纪八十年代末就启动了相关的研究课题,但是由于始终无法解决在制作过程中钛合金变形、断裂的技术难题,大尺度构件的材料性能始终无法达标,所以时至今日美国也无法靠3D打印技术制造大尺度的航空器构件,只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。美国专门从事这项业务研发的公司Aeromet也因长期无法突破而丧失价值,于2005年倒闭。

中国这方面采取了集中突破的策略,将该项目列入国家863和973计划,组织多个科研院所和大专院校参与研制,成功解决了钛合金和M100钢高温熔融后金属再结晶的材料特性问题,遂使我国站在了这个子项目的国际前沿,这个项目的技术内核绝对属于国家高等机密,因为时至今日美国仍没有达到能靠立体打印制造如此大尺度构件的水平。话说回来,这也是时事所逼,我兔在大吨位的液压成型技术方面自身有缺陷,制造周期长不说,生产出的构件在精度方面也不尽如人意,严重制约了高端军工产业的发展。要不是这个因素限制,我们搞这项科研的动力就不会这么大。

3D打印技术真正能够实现产业化,将成为21世纪的又一次产业革命。该技术立足于计算机技术,对传统产业的铸模、翻制、锻造、切割加工等工序实现了一体化的集成。目前,欧美国家在3D打印领域里仍然是处于优势的,在珠宝、工艺品、建筑辅助设计、汽车制造、精密机械、生物工程、医学等领域,3D打印技术已经开始越来越多地投入应用。美国奥黑政府最近拨款3000万美元,计划成立美国国家级3D打印添加剂工业研究中心,并声称要加大投入发展3D打印产业,重新振兴美国制造业。

冷静地审视我国3D打印行业,形势并非某些文章讲的那么乐观。目前我国从事3D打印研发的企业和科研院所,加起来不过二三十家,综合实力也都不怎么强。除了钛合金大尺度构件我们傲视群雄之外,其他领域还真没有什么可自豪的。我国在传统的精密机械、重型机械制造方面因为材料和加工工艺等问题,制造出的产品质量别说比不上德日,甚至有些还不如韩国、西班牙之类的国家,这是急需利用3D打印技术追赶与突破的方面。而3D打印只是解决了快速成型问题,而材料本身的特性则是需要攻关解决的。

要想在3D打印方面继续取得进展,就急需解决如下问题:

1、3D打印的材料问题。目前可以广泛应用的3D打印产品,集中在饰品、模具模型、个性化家居产品以及汽车飞机的小尺寸零件上,使用的材料无非是树脂、塑料、普通金属粉末等。这个产业要向高端发展,就必须突破性能要求非常高的合金材料、高分子复合材料这一关,这涉及的材料种类达几百种甚至更多,只有这样,3D打印技术才能进入航空航天、人工智能、大型复杂机械和生物医疗领域。目前掌握最多3D打印材料技术的国家是以色列,以色列的Objet公司据称目前掌握着多达十几种不同性能的打印材料,为3D打印向多个领域里扩展提供了实施平台。我国要想在3D打印领域再进一步,加强材料方面的研究势在必行。

2、3D打印的能量源问题。目前3D打印采用的能量源是激光,但其生产效率还有待提高,尤其是在加工大尺寸、熔点较高的金属制品时更是如此。最近美国 Sciaky公司声称找到了更好的能量源——电子束,利用功率强大的电子束枪,可以使打印效率成倍地翻。这个也很重要,一个产业能否大范围推广,其能耗和能源产出比是非常关键的指标。迄今还没有听说中国在3D打印的能量源方面有何进展,但对于准备在该产业上放手一搏而自身能源又不是非常充裕的中国来讲,这一点绝对不容忽视。

3、3D打印设备的优化问题。这一方面涉及到产业的经济性,对于量产产品来讲成本问题非常重要;另一方面是技术上的先进性,如果3D打印的精度能够接近纳米级(目前大约是0.1毫米级),将极大地拓展该产业的应用范围,并能带来很多革命性的成果。前几年在广告里吹得沸沸扬扬的纳米技术将真的有可能实现;而目前打印大型精密构件的立体打印机还显得过于笨重,利用于宇航产业(尤其是随火箭升空的)的太空打印修复技术还只停留在设想阶段,对机器本身的优化还有很多事情要做。

我国的3D打印产业,目前大多是停留在实验室中,少量的走向了市场,极尖端的东东应用到了军工产业之上。要想真正把这个产业做大做强,一是要加大研发力度,在技术上更进一步,二是要避免民间资本一拥而上,搞太多的同质化但技术并不先进的3D打印项目,前些年的光伏产业的教训不能遗忘啊。

综上,3D打印产业其实仅仅处于起步阶段,很多技术难题还没有攻克,但我们已经看到了新产业革命的曙光。中国在这个产业里不算落后(但也绝对算不上先进),应该认清自己的处境,埋下头来苦练内功,力争在材料、能量源和设备技术优化方面再取得进展,实现对欧美国家的全面超越。当然,如果能加强和以色列的技术合作那就更好了。在发展3D 打印产业方面,政府的引导作用非常大。我担心的倒不是中国这个产业缺乏投资而发展迟缓,反而是各种热钱一拥而上搞大跃进,最后造成初级产品产能过剩,浪费了大量资本,而亟待发展的高端研究却踏步不前。


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楼主是不是专门从事这方面信息收集和研究的?好像写的有点道理。

有一点看了不太明白,文章中说道“具体地说,就是大尺度的钛合金和高强度钢构件的立体打印技术,这个非常了不起。”这个钛合金我倒还能理解,但是后面那个钢构件我就搞不明白了,因为3D打印技术生产的过程是将粉末融合后形成的,但是这个钢构件里的元素比较复杂,不仅仅有铁元素,还有类似硅元素,锰元素,碳元素等一些列元素,缺少这些元素钢构件的强度和韧性就会不符合质量要求。那么,非单一的粉末怎么熔合到一起?难道将混合粉末放在里面喷出后熔合?

还有,无论是钛合金,还是钢构件,有时候都会根据需要做成不同的形状,那么,对于一些形状比较复杂的构件,3D打印能不能做到打印出来的尺寸也高度的精确和刁钻?我看到一些视频里面打印出来的东西,外形有些模模糊糊的,曲线也不怎么平滑。

还有,3D打印机毕竟和炼钢炉原理不太一样,那里面搞出来的钢铁强度是怎么保证的?怎么会用到军用战机里面?我听说有人用那个东西打印出一支枪,没开几下就报废了。

最后,我个人认为,3D打印产业要想获得成功,一方面是硬件,其实还有另一方面的软件。因为构建的形状需要软件先建模,然后才能让机器打印操作。对于硬件来说,我认为一个是要保证强度质量,在一个就是要保证一些复杂尺寸的精确。

14楼jnd0827

12楼 第七装甲师2011
楼主是不是专门从事这方面信息收集和研究的?好像写的有点道理。

有一点看了不太明白,文章中说道“具体地说,就是大尺度的钛合金和高强度钢构件的立体打印技术,这个非常了不起。”这个钛合金我倒还能理解,但是后面那个钢构件我就搞不明白了,因为3D打印技术生产的过程是将粉末融合后形成的,但是这个钢构件里的元素比较复杂,不仅仅有铁元素,还有类似硅元素,锰元素,碳元素等一些列元素,缺少这些元素钢构件的强度和韧性就会不符合质量要求。那么,非单一的粉末怎么熔合到一起?难道将混合粉末放在里面喷出后熔合?

还有,无论是钛合金,还是钢构件,有时候都会根据需要做成不同的形状,那么,对于一些形状比较复杂的构件,3D打印能不能做到打印出来的尺寸也高度的精确和刁钻?我看到一些视频里面打印出来的东西,外形有些模模糊糊的,曲线也不怎么平滑。

还有,3D打印机毕竟和炼钢炉原理不太一样,那里面搞出来的钢铁强度是怎么保证的?怎么会用到军用战机里面?我听说有人用那个东西打印出一支枪,没开几下就报废了。

最后,我个人认为,3D打印产业要想获得成功,一方面是硬件,其实还有另一方面的软件。因为构建的形状需要软件先建模,然后才能让机器打印操作。对于硬件来说,我认为一个是要保证强度质量,在一个就是要保证一些复杂尺寸的精确。

呵呵,感谢认真读帖啊。3D打印最终要在高性能的合金材料和特种钢方面有所建树,就必须解决材料问题。这包括原始投放粉末的粒度、材料配比,投放速率,喷嘴的融熔温度、喷射速率,金属融熔后再次冷却结晶的工况,以及要添加一些添加剂来解决最终成型材料的材性与冶炼、锻压出来的金属制品保持一致。大尺度的材料解决这个问题更难,因为材料的均匀性问题、整体和局部的收缩速率问题和局部缺陷问题就显得很突出了。中国能解决钛合金大尺度构件的3D打印,就是已经解决了这些问题了,很不简单。

至于打印精度,这和打印机的性能有关,很多桌面3D打印机的精度很差,打出来的东西就毛毛糙糙的。这个和平面打印机的精度是类似的。现在人们玩的3D打印,多数是泡沫塑料之类的东西,有些里面添加了硅粉,这些都是小儿科了。

17楼kglr

倭寇一贯就是搞这个把戏呀。1937卢沟桥不就是假盼失踪而在中国土地上横行霸道无恶不作吗?喝干中国人的血而养大的豺狼呀,没有对中国的战争勒索赔款,就不会有现代的倭国!

一窝蜂上项目,也见我们的创新力不够,只知道跟风模仿,行业给我们一做就做死了。盲目扩产,而不知最终消费是有限的,几年干完了,后面就不生存了吗?老外好销时是限产而不是相反,自断生路

说的很有水平和前瞻性!


象这么专业的帖子真的太少了,深入浅出的将现在国内3D打印技术的优势与不足以及先进3P打印技术应注重点的展望清晰明了的叙述出来,不论懂不懂这项高技术的人都能清楚明白和正确看待这3D打印技术。希望多一些这样的科普帖子。

技术、专业性很强,不敢妄加评述,只是希望中国在这个领域不要甘为人后。

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