金属加工领域的3D打印产业发展情况

王晓燕

ACAM中国 浙江宁波 310000

1 序言

3D打印普遍被认为是带来下一代工业革命的主要驱动因素，主要的原因是增材制造带来小批量生产的经济性和灵活性、个性化定制的可能性，以及复杂零件生产的可行性。这不仅改变了我们对原来产品设计的印象，还带来了供应链的改变，缩短了产品上市时间，并且对环境更友好。

关于3D打印对制造行业的革新作用，SpaceX首席设计师兼首席执行官马斯克有着精辟地阐述：通过3D打印，能以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固且高性能的发动机零件。除了航天领域，3D打印在其他工业制造领域的动力装备、结构件、模具等方面正在创造下一代产品。

2 技术分类与应用

如果要全面理解金属3D打印的产业发展情况，我们首先需要还原3D打印在金属产品制造方面的每一种技术形态与当前产业发展的结合情况。

2.1 PBF（金属粉末床熔融技术）

（1）PBF简介 首先，我们来了解一下PBF基于金属粉末床的金属熔化3D打印技术。PBF被认为是一种直接的金属3D打印技术，这类技术以激光或电子束为热源来逐层熔化金属粉末，层层凝固成零件的形状。PBF是目前被使用最广泛的金属3D打印技术。通用电气（GE）投资14亿美元收购Concept Laser和Arcam，市场的目光也随之聚焦在金属粉末床熔化，包括激光熔化和电子束熔化两种加工方式，目前激光熔化方式被更广泛地使用。

（2）PBF的应用领域 由于可实现十分复杂的产品制造，PBF技术不仅使得复杂产品的制造变得更加可行，而且还创造了更大的围绕着产品生命周期的综合性经济效益。

1）在动力装备方面，PBF技术所成就的产品并不是停留在概念开发阶段，而是已经随着火箭和飞船进入了太空，随着飞机在天空中翱翔。由此可见，3D打印所造就的下一代产品极大提升了人类利用资源的水平。

这方面，业界熟知的GE公司3D打印的燃油喷嘴[1]顶部结构只有核桃般大小，里面却有14条精密的流体通道。3D打印的喷油嘴是一个精密的整体，原来20个部件变为一个零件被制造出来。新喷嘴重量比上一代轻25%，使用寿命是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。GE公司奥本工厂凭借40多台3D打印机在2017年总共交付了8000个燃油喷嘴。截至2018年底，工厂完成的3D打印燃油喷嘴总数已超过3.3万个。然而，值得注意的是，与传统加工技术相比，GE公司从燃油喷嘴制造中获得的最大益处并非燃油喷嘴本身，而是安装了燃油喷嘴的LEAP和GE9X发动机，3D打印正在推动航空发动机创新，GE公司已经发起对下一代航空发动机技术制高点的布局。

类似的成功案例不胜枚举，除了大名鼎鼎的SpaceX、NASA、GE、西门子等通过3D打印在不断突破下一代航天器、商业飞机、燃气涡轮发电机等产品的性能极限。就在2020年初，欧洲也呈现了追赶态势，ESA欧洲宇航局全尺寸3D打印铜合金推力室首次热试通过，增材制造将推力室零件数量由数百个减少到三个，缩短了生产时间，降低了成本，显著提高了液体推进发动机在欧洲运载火箭中的竞争力。国际上，全尺寸推力室具有3D打印铜合金衬里，该衬里具有集成的冷却通道，其外层为冷气喷涂建立的高强度外套。不仅如此，推力室的歧管和整体式喷油嘴也是3D打印的。

国内还出现了深圳意动航空科技有限公司（以下简称深圳意动）完全3D 打印的微型燃气涡轮发动机。微型燃气涡轮发动机的零部件结构复杂且微型化，此前该领域仍需依赖国外的产品和技术。深圳意动联合安世亚太成功开发了两款全3D打印微型涡喷发动机：10kg级推力的NK-10和50kg级推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超高温试验，各项指标满足要求，试验中最高转速高于14万r/min，为全3D打印旋转涡轮超高温点火试验（见图1）。

图1 深圳意动联合安世亚太开发的增材制造微型燃气涡轮发动机

国内通过3D打印助力航天事业的发展也呈现了雨后春笋之势。2019年，中国的深蓝航天液氧煤油发动机再次进行了推力室长程试车，取得圆满成功。在推力性能方面，深蓝航天对主要功能部件进行优化设计，大量采用3D打印工艺，实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越，达到了国际先进水平。铂力特承担了此次试车发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件的金属3D打印工作。发动机喷注器壳体和推力室身部均为航天发动机关键零部件，使用环境苛刻，零件内部有百余条冷却流道，若使用传统铣削、焊接工艺，不仅制造周期长、成本高，而且零件性能也难以得到保证。

2）汽车领域，GKN与汽车制造商保时捷通过金属3D打印开发新型电子驱动动力总成的新应用。GKN根据粉末床金属熔化3D打印技术的特点，一方面针对更高的设计自由度、更高效和更集成的动力系统开发了特定的钢材料，这种钢材料能够承受高磨损和负载，并结合3D打印所实现的功能集成进一步减轻重量。另一方面，保时捷工程部门正在研究如何在其电子驱动动力系统中实施新材料。采用结构优化技术结合GKN的材料，保时捷实现了差速器的独特设计（包括齿圈），通过这种齿轮减重和刚性形状的组合，实现了更高效的传动。

3）PBF技术还在催生下一代热交换器的发展，2019年GE公司宣布与马里兰大学和橡树岭国家实验室合作研发UPHEAT超高性能换热器，在两年半内完成开发计划，实现了更高效的能量转换和更低的排放。GE公司希望新型换热器将在超过900℃和高于25MPa的压力下运行，超临界CO2动力循环的热效率提高4%，在提高动力输出的同时减少排放。材料方面，这种新型换热器将利用独特的耐高温、抗裂的镍基超合金，这是GE公司研究团队为增材制造工艺而设计的材料。该热交换器包括多个增材制造方法，使流体通道尺寸较小，具有较薄的壁而形成的流体通路，以及具有错综复杂的形状，这些热交换器使用以前传统的制造方法则无法制造出来。

4）发电领域，GE公司和西门子都通过3D打印制造技术，打破了自己的净效率记录。其中，GE公司在南卡罗来纳州格林维尔工厂的测试中以64%的联合循环效率击败了自身之前的设计。GE公司将HArriet效率的提升归功于“通过不断创新带来的燃烧效率突破”，而这里面的创新则离不开3D打印技术所制造的燃气轮机的多个关键部件。GE公司通过金属3D打印技术制造设计优化的燃烧系统部件，实现了更复杂的几何形状，这使得 HArriet燃气轮机的燃料和空气的预混合得到改进，从而实现了燃气轮机发电效率的最大化。

5）除了带随形冷却通道的模具、带复杂内冷结构的刀具、带内部冷却流道的燃油喷嘴及发动机燃烧室等通过PBF成就的高附加值产品，制造复杂点阵结构成为PBF金属3D打印技术的另外一大特色应用。2019年国际首个3D打印全点阵整星结构成功入轨的“千乘一号”整星结构是航天五院总体部机械系统事业部负责研制的，采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计，整星结构通过铝合金增材制造技术一体化制备（见图2）。传统微小卫星结构重量占比为20%左右，整星频率一般为70Hz左右。“千乘一号”微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内，整星频率提高至110Hz，整星结构零部件数量缩减为5件，设计及制备周期缩短至1个月。整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸，也是目前最大的增材制造一体成形卫星结构。

图2 航天五院总体部的点阵结构示意

此外，3D打印点阵结构还可以应用于高强度的压缩机部件制造。轻质、高强度的压缩机部件的主体部分带有点阵结构的内部区域，点阵结构由3D打印实现，主体部分还通过3D打印实现了内部流体输送通道，用于允许润滑油流过压缩机部件的主体部分。

不过点阵与3D打印的结合并非想象中那么轻松，这方面需要仿真软件来提高建模与制造的成功率。国内经过多年的仿真计算积累和努力探索，安世中德团队开发出了一款专业用于增材点阵结构仿真分析的软件Lattice Simulation[2]。基于多尺度算法，用户可以采用等效均质化技术对点阵结构进行有限元分析。并且提取非均质化点阵结构的等效材料参数，在均质化等效实体模型进行宏观力学分析后，可以通过局部分析对胞元结构进行详细的应力校核。

6）设计、软件和材料助力释放3D打印潜力。材料方面，不仅仅是高温合金、铝合金通过PBF工艺实现了零件性能的飞跃，使用铸铜转子的电动机还可以帮助普通感应式电动机有效降低电动机转子的损耗。其他金属材料，例如3D打印铜金属工艺，将有望解决电动汽车铸铜零件铸造和钎焊的难题，成功替代铸造与钎焊，实现更经济、更复杂、更高效的铜零件生产，从而有望应用于转子、散热器及感应器等零件的制造中。

更多的案例在液压控制器、热交换器、汽车结构件、汽车轮毂、刹车系统、传动系统及飞机隔离舱结构等方面正在获得成功验证与推广。

值得注意的是，我们目前聚焦的PBF金属3D打印主要是关注其在制造复杂的几何形状、轻量化、缩短交货时间及功能性一体化结构实现等方面的优势。而金属3D打印工艺的一个容易被忽略的潜力是通过快速定向凝固带来非常精细的晶体微结构并控制逐层外延生长，这为设计组件提供了新的可能性。此外，高冷却速度为合金设计开辟了新的可能性。而试验证明，通过金属3D打印实现凝固微观结构和相关的偏析结构可以带来非常精细的结果，与铸造微观结构相比要小100倍。因此，均质化热处理时间也显著地从几小时减少到几分钟。

（3）PBF的局限性 虽然PBF金属3D打印技术受到了金属3D打印业界极大地关注，不过每一种技术都有着其自身的局限性。例如，不锈钢的熔化温度可接近1371℃，当每个单独的3D打印设备都需要不断地消耗能源的时候才能实现零件的加工，整体来说对能源的消耗是不容低估的。除非通过PBF技术所创造的综合效益如上述的几个经典案例这么明显。

所以说，用于批量生产领域，目前PBF这样的高成本通常在加工通过传统方式难以加工出来的特殊零件的时候才有意义，包括那些具有极其复杂的内部通道的零件，以及喷气发动机燃料喷嘴和卫星组件等高端部件。

除了能源的消耗，PBF技术还受到了材料和可加工尺寸、材料价格、过程中控制以及需要添加支撑结构等各种限制，这些因素成为制约PBF技术走向普及化的原因。当然，随着工艺的提升和软件对质量控制能力的提高，PBF技术也在不断地突破自身的局限性

2.2 DED（定向能量沉积技术）

DED定向能量沉积技术包括激光、等离子、电子束几种不同的热源，材料包括粉末或丝状两种主要的形态。金属材料在沉积过程中实时送入熔池，这类技术以激光近净成形制造（LENS）、金属直接沉积（DMD）技术为代表，由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔池，熔化后逐层沉积，称之为激光直接沉积增材成形技术，该技术成形出毛坯，然后依靠CNC数控加工达到需要的精度。

DED技术的市场应用领域除了零件的修复，还包括大型结构件的制造，如飞机结构件一体化制造（翼身一体）、重大装备大型锻件制造（核电锻件）、难加工材料及零件的成形、高端零部件的修复（叶片、机匣的修复）等传统锻造技术无法做到的领域。当然，随着这一技术在工艺控制方面走向成熟，其应用的想象空间将更大。

在国内，安世亚太与中科煜宸联合开发了面向金属增材制造定向能量沉积工艺的专业工艺仿真软件AMProSim-DED，使得我国在激光近净成形制造技术的可扩展性方面实现了华丽升级。

2.3 3D打印砂型或熔模+铸造

无论是PBF还是DED技术，都属于直接金属3D打印的技术范畴，而市场上还活跃着间接实现金属零件3D打印的途径，是通过3D打印砂型或熔模再通过铸造的方式制造复杂的零件。这方面以德国维捷的工业级3D打印技术为代表，国际上有知名汽车厂家采用了这一3D打印技术制造S58发动机缸盖的铸造砂芯，以满足轻量化以及热管理性能的需求。

2.4 Binder Jetting（粘结剂喷射技术）

Binder Jetting金属3D打印技术是通过将金属粉末与粘结剂层层粘结成为零件毛坯，再经过脱脂烧结过程制造成金属零件的间接金属3D打印技术。这种生产系统与MIM金属注射成形工艺相似，然而其制造过程中并没有使用模具。这种技术将使制造商能够显著降低生产成本，从而使该技术成为铸造的替代技术。

在这方面，大众汽车将使用惠普的金属3D打印技术进行大规模定制和装饰部件的制造，并计划尽快将Metal Jet金属3D打印的结构部件集成到下一代车辆中，且着眼于不断增加的部件尺寸和技术要求。

3 价值创造驱动转型

总体来说，如今的3D打印技术发展程度，在技术层面上的速度远超我们的想象，具备了在很多应用层面颠覆的潜能，我们如何理解每一种3D打印技术的优势则需要与应用行业的需求相结合。以汽车产业为例，3D打印目前无疑在100万~200万元价位的车型上展开了产业化的应用，那么这样的发展趋势将在什么样的时间节点发展到50万元价位的车型？当发展到20万~30万元价位的车型时，占据主流的又将是哪一种类别的3D打印技术？这需要对技术本身和应用行业的发展都具备一定的理解和判断能力。

那么制造业如何驾驭3D打印技术，成为第四次工业革命的赢家呢？在这里，我们需要理解的是一切并不像购买几台3D打印设备那么简单。

企业制造转型是由价值创造驱动的，3D打印技术成就“复杂”产品的优势，例如通过3D打印实现了更复杂的外形，将原来十几个零件简化为一个零件，体积和重量大大减小；或者是通过3D打印实现了材料冶金性能的提升，再或者是制造出梯度合金等材料；再或者是实现了更高的产品性能，提升了产品生命周期的附加值。3D打印从应用端创造价值，从而从产业链的价值赋能角度倒逼制造工艺向3D打印转移。而创建竞争优势的关键是设计和材料。为增材制造而设计的增材思维——DfAM正在全球范围内建立。其中仿真驱动设计成为“玩转”3D打印的关键点之一。

每一个企业的转型都是非常艰难的选择。传统汽车从设计定型到第一辆汽车出厂大概需要三年的时间，在此期间所有的汽车零件都不允许改变设计。而在电动汽车发展的时代，例如特斯拉汽车几乎每个月都会有一次软件的自动更新，相对固化的体系成为了传统汽车厂商的致命要害。因此，寻求突破成为传统车厂转型的当务之急。

陷入牵一发而动全身的陷阱，这不仅仅是汽车行业面对的挑战。大型制造公司普遍拥有数十年以传统方式开展工作的经验。所有的流程、设备、培训以及最重要的预算都集中在传统流程上。这时候出于自身的短期发展资金安全角度，也会本能地拒绝新的想法。

此外，将新的制造技术融入关键制造工艺是一项重大任务，因为无论工厂发生什么，客户都必须继续获得高质量的产品。没有一家制造企业能够做到停止目前的生产，而去探索未知世界的“滩头阵地”。

由于存在未知风险，而克服这一初始步骤所需的现金和资源有时非常庞大，以至于车厂不愿意甚至无法继续进行这样的探索。这使得不仅仅供应链成为障碍，资金投入也成为另外一个因素使得制造业企业陷入困境。

4 转型路径

为了缓解转型过程中的巨大阵痛，制造企业可以尝试建立3D打印实验室连接内外部资源。3D打印实验室能够更好地完善现有的3D打印技术并为推广3D打印技术作准备，同时创建度量标准，重点改进设计创新，健全关键流程标准化，并重点改进质量和检验流程。3D打印实验室还可以作为供应链合作伙伴的培训机构或体验中心，并为企业内部的团队提供培训机会。

思维的突破和硬件的准备是第一步，企业还需要建立正向设计能力。走出逆向设计困局，国内可以借鉴欧洲Fraunhofer弗劳恩霍夫的发展模式，建立对外研发商业模式的合作，制造企业在一个良性的研发创新支持的环境下，向企业外部寻求颠覆性创新支持，实现多赢、优势互补的发展。

他山之石可以攻玉，无论是研发还是产品制造，企业在发展过程中，除了加强自身的创新实力，寻求与市场上的优势资源相结合是另外一条加快发展的路径。在这里，Fraunhofer弗劳恩霍夫IPT工业生产技术研究所、ILT激光研究所、RWTH亚琛工业大学等增材制造研究领域集中了优势的研发资源，通过亚琛增材制造中心（ACAM），连接增材制造研发领域的中坚力量，在全球范围内为制造企业提供欧洲领先科研机构多年来积累的增材制造专业技术，并通过社区、联合研发以及专业教育服务，帮助企业应对增材制造技术在应用中的挑战。

虽然3D打印迈向产业化的过程中遇到了一系列的难题，例如通过信息管理系统来管理增材制造数据流；工艺可重复性、零件到零件的可重复性；成熟的认证和质量检测方法。在这方面，得益于从设计、生产规划、生产工程、生产实施到服务的全价值链的数字化。

幸运的是，我们即将迎来5G时代，5G允许高密度数据的无缝互联和实时沟通，对生产的控制是实时控制，对技术的组合柔性能力是实时组合，对产品的实现可以实时个性化。

国际上，德国Fraunhofer弗劳恩霍夫IPT工业生产技术研究所携手爱立信、亚琛工业大学启动了欧洲最大的5G数字制造工业园示范项目，旨在制造业环境中引入新的移动无线标准。快速的5G数据传输可将所有生产和传感器数据存储在包含完整生产历史记录的数字孪生体中。

通过将自动化、数字化以及人工智能、边缘计算、5G和区块链等尖端技术无缝融合，可将海量数据全面转化为宝贵的知识与技术，阔步迈入数字化转型的全新阶段。我们相信有一天，3D打印用于零件的生产将是全流程数字化、质量稳定、产品信息可追溯的。

5 展望

国家顶层设计为新型基础设施建设按下加速键。可以预见，在更强大的新型基础设施上，软件将在我国的工业制造环境中获得前所未有的良性发展生态环境。

3D打印重塑制造模式与商业模式的时代正在来临，从制造到创造，相信我国的制造业将借助新技术和国内外优势科研资源的东风，走上一条更为强健的自主创新发展道路。