3D打印 一场新技术革命

策划 | 沈  瑾    屠  珉

以3D打印为代表的第三次工业革命,以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志。英国《经济学人》

在人类的历史长河中,另外两个被称为工业革命代表的技术,是蒸汽机技术和电力技术,它们一个为人类带来了动力,另一个为世界带来了光明。《经济学人》将3D打印技术与前二者进行类比,可见人们对3D打印的期望。

从第一台商业3D打印机问世以来,30多年的商业化道路并非坦途。在制造业各种新兴技术竞争角力的舞台上,聚光灯下的主角一茬茬地更替,但3D打印技术始终是叫好不叫座的最佳配角。然而,近期有业内分析称,3D打印已处在导入期之末、成长期之初的发展阶段,行业规模呈现快速上涨态势。或许第一个真正的春天,已在不远处。



上海探真:开启3D金属打印黑马征途



2月21日,增材制造行业年度盛典2019亚洲增材制造展览会(TCT Asia)在上海新博览中心拉开序幕。200多家中外增材制造行业翘楚各展才华,上海探真激光技术有限公司(以下简称“上海探真”)带来了中小型两款设备产品以及四款超大尺寸零件亮相展会,展品中高度为724mm的一比一全尺寸航空发动机风扇叶片,直径为490mm的飞机用发动机框架,以及异形曲面、薄壁结构复杂内流道等3D打印实样,引得TCT展的众多观众围观驻足。

在金属3D打印领域,上海探真是一家初创的创新型研发科技企业。依托于上海电气行业领先的成套装备设计和制造能力,以及华中科技大学武汉光电国家实验室强大的激光和材料学科实力,企业拥有以完全自主知识产权为核心的金属3D打印设备研发、制造和服务能力,具有20项国家授权专利,其中发明专利12项,软件著作权1 项。企业技术水平处于国内领先地位,堪称3D金属打印领域的一匹实力“黑马”。


潜心笃志3D金属打印


本次展会上,金属3D打印的表现非常亮眼。所谓金属3D打印技术,就是通过对金属原材料的不断累加,从二维到三维实体的一种数字化快速成形技术,是数字化、智能制造和材料科学的结合。近年来,金属3D打印的快速崛起,与非金属3D打印并肩发展,协力在汽车、医疗、消费电子等定制化行业大显身手。它能够帮助设计人员在功能优先的理念上,最大程度地简化设计过程,缩短研发和生产周期,实现低成本、高效率、定制化的工业生产,是高新技术产业化的典范。

上海电气经过一系列的行业和技术调查研究后,发现Selective Laser Melting(简称SLM)技术主要优势在于成形精度高,且构件力学性能优于同成分锻件或者铸件,其一体成形复杂结构的独特优势可实现几乎任意复杂精密的构件整体成形,是各种3D打印技术中难度系数最大、最受国内外关注的方向之一,可充分满足各行各业广泛的应用需求。

2014年8月,上海电气与华中科技大学曾晓雁教授团队开始接触,并进行了合作洽谈。一年之后的2015年12月,上海电气与华中科大签订了一份合作备忘录,开启了上海电气探索3D打印商业化道路的征途。2016年3月,双方共同投资筹建上海探真,并完成工商注册,致力于金属3D打印机设备的研发、制造、销售、技术服务和面向行业应用的专业金属3D打印服务。自此,3D打印成为了上海电气新产业板块的一员,并就此按下加速发展的“快进键”。

成立的两年多来,上海探真作为上海电气与华中科技大学产学研结合的“联合体”,不断攻克SLM技术的新难题,春争日、夏争时,不断革新技术、迭代产品,进一步促进科技成果的商业化,从原理样机到小批量,从小批量到规模化生产,目前全新问世的新产品已迭代到了第四代。原机床行业的资深工程师们正一步步将高深的科技成果转化为商业化的产品。


研发大尺寸打印机


上海探真的技术领头人是国内较早的一批研发金属激光3D打印的科学家,细细算来,这批专家已深耕这个领域十多个年头。几多春华秋实,终迎厚积薄发。

最新研制的TS500是四光束同时成形的纵向尺寸最大、效率最高的SLM装备,是上海探真完全自主知识产权的专利产品。采用国际首创四激光束扫描的金属零件增材制造新方法,成形精度高达±5μm,大幅提升制造效率达75cm3/h,成形体积尺寸可高达50×50×100cm,是SLM领域最大成型尺寸的打印机,特别适合航空发动叶片、燃气轮机叶片和火箭发动机喷管等为代表的高端超大尺寸工件的制造需求。可保证零件成型质量前提下,大尺寸、高沉积效率和高精度的有机结合。

此外,上海探真的另一款行业主流机型TS300A,已经历多次迭代、精益求精,稳定可靠,可实现大批量复杂精密结构零件成型制造,是探真系列设备的中坚力量。其自主开发的软件拥有全材料成熟数据库,可实现工艺二次开发。目前在用客户反馈良好,正在进入量产阶段。

以小巧灵活见长的小型打印设备TS120,则是上海探真全新一代针对齿科、珠宝、教育等领域的打印设备,突破了市场上常规设备对装机空间的要求,甚至可以实现办公场所装机应用,人性化的操作台设计保证了操作的简易性。

2017年,上海电气申报的国家重点研发计划项目《多功能、宽幅激光增材、减材复合制造装备研制》,已获得科技部批准。在可预期的2021年,课题成果将出炉并投入商业化开发,上海探真将在激光增材、减材复合制造装备方面获得更大的实质性突破。


发力高端装备制造


2018年发布了关于3D打印行业的年度Wohlers报告,该报告指出3D打印行业整体增长了21%,其中金属3D打印尤其突出,金属3D打印系统的销售额增长了80%。可见,这是一个正在快速增长的行业,特别是金属3D打印行业。但我们也必须承认,3D 打印目前还尚处在产业化进程中,工业级3D打印机依然离真正的产业化应用有较远的一段路要走,但未来3D打印的市场空间依然广阔可期。目前,许多行业都受益于3D打印技术,从医疗领域到航空制造,从选择性激光烧结到直接金属激光烧结,3D打印机为许多生产需求和要求提供了最终解决方案。2018年我国宇航发射任务突破了40次,发射任务成倍增加,火箭的大量复杂结构,特别是涡轮泵叶轮结构,亟需寻找新的制造工艺。而金属零件的激光增材制造技术,提供了一种新的选择。SLM技术以复杂一体化制造、轻量化制造、快速制造见长。经典案例如:3D打印燃油喷嘴,可将传统工艺的18个零件整合为1个,在减重25%的基础上,耐久性也延长了4倍。3D打印为传统机械制造业省去了开模、机加工的时间,更是解放了设计人员的创造力。复杂内流道、薄壁结构、异形曲面、多通管道……这些传统工艺无法实现的复杂结构,3D打印都可以高效率、高质量地完成。

实际上,航空航天已经成为上海探真推广应用最为成功的领域。现阶段国外设备在这些领域占有率较高,随着产能上升,国产设备的完全自主知识产权是必然趋势。目前,上海电气与商发合作的“航空发动机零部件3D打印工艺研究与实验件制备”和“航空发动机燃烧室机匣3D打印加工”项目正在紧锣密鼓的开展。除了航空航天外, 3D打印技术在上海电气内部正探索与制造业的深度融合,上海电气电站集团下属汽轮机厂的“增材制造(3D打印)在汽轮机中应用技术研究”项目和燃气轮机厂的“燃烧器轴向旋流器增材制造技术研究”项目均是与上海探真的项目合作实践。

此外,上海探真的可成形材料已涵盖钛合金、高温合金、铝合金、不锈钢、模具钢、高强钢等多个种类。在实验测试中,AlSi10Mg合金、2xxx~7xxx系列铝合金,以及镁合金的SLM成形,能够满足高温合金等难加工材料成形。除了航空航天,上海探真在医疗方面与上海四院、五院、六院、八院都已取得合作。


一年一度的TCT行业盛典已落下帷幕,人声鼎沸的展馆如常归于平静。3D打印,这个持续发烧的黑科技行业同样回归质朴原貌。高新技术的发展需要匠人匠心的执着坚守,不断沉淀,不断积累,3D打印也不例外。作为沪上唯一一家真正可以对市场提供金属SLM打印的设备制造商,上海探真的机遇无限。而当下最要坚持的,就是厉兵秣马、积蓄能量、整装待发,守望3D打印事业春天的来临。


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