現(xiàn)年88歲的前航天工業(yè)部部長林老把自己的家變成了一個3D打印實驗室。
4月14日,中國工業(yè)報記者來到林老家中做主題為3D創(chuàng)新和工業(yè)裝備升級的采訪。采訪開始前,林老先帶著記者在他家參觀了一下。不大的房間,擺了4臺規(guī)格不一的3D打印機,其中還有2臺是林老自己“攢”的,4臺打印機不分晝夜地工作,櫥柜里也擺滿了打出來的樣品:羅丹的思想者、駿馬、各種顏色的郁金香,還有飛機螺旋的葉片。
林老開心地對記者說:“現(xiàn)在我屋里屋外都有花,外面是種的,里面是打印出來的。”
實際上,林老家展示的幾臺機器是3D打印中最基礎(chǔ)的熔絲沉積成型,它成本低,精度不高,適合通過學(xué)校等向大眾推廣,“比如可以為孩子打些玩具”。
“下一個階段,3D打印重點是要用到工業(yè)中來,通過金屬材料3D打印技術(shù)制造一些關(guān)鍵零部件。這里要用到激光束、電子束和等離子束來加工。我感覺到,激光成型技術(shù)可能會成為決定我國3D打印發(fā)展的重要一環(huán)。現(xiàn)在(國內(nèi))用的激光頭都是美國進口的,非常貴,而且容易受到控制。”林老告訴中國工業(yè)報記者。
因此,林老在今年春天給中央的一份報告中建議,把3D打印技術(shù)列為國家重點項目來抓,“樹立幾個典型,以點帶面,不斷發(fā)展提高。”
3D打?。号c以往切削工藝相反的增材制造
談到3D打印,必須了解它能為傳統(tǒng)工業(yè)帶來哪些新的可能。
其實,3D打印本質(zhì)上并非印刷技術(shù),而是一種增材制造技術(shù),是將材料逐層添加形成制造對象的方法,與傳統(tǒng)的以切削、模具鑄造為主的制造方式完全不同。
林老認(rèn)為,3D打印原理并不深奧,也沒有太難的技術(shù)關(guān)鍵,它更合乎大自然的發(fā)展規(guī)律。
“以飛機的起落架為例,我們傳統(tǒng)的方法是切削加工,它的工序第一步是要建設(shè)一個大鋼廠,可以制造出幾百噸的大鋼錠;第二步要萬噸水壓機來做鍛件,還要熱處理,用非常大的熱處理爐;第三步是粗加工,要用幾十臺大機床來完成;第四步要建設(shè)幾萬噸的模鍛水壓機,這之后還需要再經(jīng)過熱處理、粗加工、精加工,最后才能出來最終的零部件。”林老舉例說明。
“這一工程非常漫長,而且是減法工藝,最終成形的件用料可能只占最初原材料的5%。而3D打印完全不同,它是從無到有的過程,材料幾乎可以100%用上,如果打印精度夠了,后續(xù)的精加工也可以去掉。整個加工工藝縮短了不止10倍,人力、物力成本節(jié)省得更多。這也可以充分說明3D打印的優(yōu)越性。”
從一組具體數(shù)據(jù)來看:相對于目前國內(nèi)零部件45天以上的開發(fā)周期,3D打印技術(shù)依據(jù)零部件的復(fù)雜程度,只需要1~7天的開發(fā)周期;從用料的角度來說,目前我國利用激光打印制造的飛機中央翼根肋,傳統(tǒng)鍛件毛坯重達1607公斤,而利用激光成型技術(shù)制造的精坯重量僅為136公斤,節(jié)省了91.5%的材料。
據(jù)介紹,目前國內(nèi)3D打印技術(shù)已在航空、軍工領(lǐng)域率先使用,國產(chǎn)J-15戰(zhàn)斗機、國產(chǎn)大型客機C919等都采用了3D打印技術(shù)來打印部分零部件,但并不是所有的制造業(yè)都適用于3D打印。
有專家認(rèn)為,3D打印技術(shù)存在的意義不在于代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造業(yè),而在于做傳統(tǒng)制造業(yè)不能做、很難做,以及耗時長、成本高的領(lǐng)域。利用3D打印技術(shù)可以輕松實現(xiàn)一些個性化強、設(shè)計復(fù)雜的產(chǎn)品,這包括精密零部件、新產(chǎn)品模具和人體器官等。
“以汽車工業(yè)為例,做模具、做樣品、做設(shè)計驗證,3D打印技術(shù)再合適不過了。還有個性化的汽車,隨著技術(shù)進步,或許在不久的將來,汽車就可以實現(xiàn)小批次的個性化定制。”林老說。
帶動裝備工業(yè)升級 “叫3D創(chuàng)新更合適”
林老在那份給中央的報告中,沒有用“3D打印”,而用了“3D創(chuàng)新”。
“這一技術(shù)稱為3D創(chuàng)新更合適。因為3D打印的前提是3D設(shè)計。”林老告訴記者,“3D設(shè)計與3D打印的結(jié)合,才是3D打印產(chǎn)業(yè)基本的產(chǎn)業(yè)模式。”
林老說,沒有好的3D設(shè)計,3D打印無法進行。3D設(shè)計可以采取包括3D建?;?D掃描兩種方式來實現(xiàn),也可以兩種方式相結(jié)合,實現(xiàn)一個好的3D模型。
林老把3D打印稱為“3D創(chuàng)新”,還有一個重要原因就是,我國可以通過3D打印這一技術(shù),提升傳統(tǒng)工業(yè)的創(chuàng)新能力和競爭力,在制造裝備上,也“完全可以通過3D創(chuàng)新來趕超發(fā)達國家”。
在最近召開的全國裝備工業(yè)工作會議上公布的數(shù)據(jù)顯示,2013年我國裝備制造業(yè)產(chǎn)值規(guī)模突破20萬億元,占全球比重超過三分之一,穩(wěn)居世界首位。“20萬億的產(chǎn)值,體量已經(jīng)夠大,而且今后五年還會保持世界第一的體量,但存在的問題是創(chuàng)新力不夠,根據(jù)聯(lián)合國的排名,我國裝備制造業(yè)的綜合競爭力排名第七。”林老說。
“這就需要不斷地技術(shù)創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)調(diào)整,3D創(chuàng)新可以在這里面起到重要作用,尤其在產(chǎn)品設(shè)計、樣品試制、產(chǎn)品模具等方面,發(fā)揮巨大作用。”林老說,“若能大力開發(fā)3D創(chuàng)新等技術(shù),提高質(zhì)量,加強服務(wù),創(chuàng)建世界級品牌,在不遠的將來,(裝備制造業(yè))趕超世界先進水平,是完全有可能的。”
雖然林老的期望很高,但也應(yīng)該看到,目前,我國的3D創(chuàng)新仍處在初級階段。以產(chǎn)值來論,2013年美國3D創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為30億美元,中國只有3億~4億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
在企業(yè)規(guī)模上,歐洲3D打印企業(yè)的銷售規(guī)模一般都在10億元人民幣左右,美國3D打印企業(yè)營收甚至在30億元人民幣,而國內(nèi)還沒有一家企業(yè)收入過億,甚至超過5000萬元的企業(yè)都沒有幾家。
推進難題:舊工業(yè)設(shè)備和工藝思維的桎梏
未來,3D創(chuàng)新在哪里會遇到問題?這也是林老非常愿意談的一個話題。
首先是,老設(shè)備對創(chuàng)新的桎梏。林老說:“為什么在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域不容易創(chuàng)新?因為舊設(shè)備已經(jīng)很成熟了,成百上千萬元的投資進去了,工人用得也很順手,一時之間很難接受新的制造手段,需要一個過程。”
其次,增材制造的質(zhì)量到底怎么樣,也是個需要求證的問題。“雖然北航的王華明教授說,制造出來的部件比模鍛件質(zhì)量還好,但我心里還有個問號,要通過檢測設(shè)備的反復(fù)檢測來證明它。尤其是涉及到航天、航空的一些關(guān)鍵件,一定要做到萬無一失。”林老說。
因此,如何檢測制造出來零件的強度和精度,以及質(zhì)量的一致性,成了一個難題,“這需要檢驗設(shè)備、檢驗手段都要跟上”,林老說,“但目前我國在這方面只有少數(shù)實驗室能完成一部分的測試。”
再其次,3D創(chuàng)新這一理念在廣大的工藝設(shè)計人員中接受度并不高,大家的思維還停留在“減法工藝”時代,這也是個大問題。“很多人,包括像我這樣的老工程師,都認(rèn)為3D很‘玄’,不敢去嘗試,實際上當(dāng)你真的去做了,會發(fā)現(xiàn)沒有那么‘玄’。” #p#分頁標(biāo)題#e#
林老告訴記者,十幾年前,航空領(lǐng)域的一些工藝人員、科研人員就開始搞3D創(chuàng)新,但多集中在清華大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、華中科大、華南理工、西北工大等一些高校和研究院所,普通工程師接受度較低。
從企業(yè)層面來說,雖有不少企業(yè),采用了熔絲、光化、粉末、激光、電子束等多種方式來做3D創(chuàng)新,但總體上都是各自為政,分散經(jīng)營,水平參差不齊,研發(fā)經(jīng)費投入比較有限,與國外差距較大。
建議將3D創(chuàng)新列為國家重大科技項目
書接上文,林老對3D創(chuàng)新如何發(fā)展有自己的看法。
他對中國工業(yè)報記者說,“進行3D創(chuàng)新,首先是設(shè)計人員、工藝人員在思想上有個大的轉(zhuǎn)變。我們能不能通過媒體在全行業(yè)開展一次設(shè)計工藝大討論,抓幾個典型,讓大家意識到,原來制造還可以這么搞。”
此外,在給黨中央、國務(wù)院的報告中,林老還提出三點建議:
第一,建議黨中央、國務(wù)院把3D創(chuàng)新列為國家重中之重的項目,要像過去抓國家重大技術(shù)裝備一樣,狠抓100個研發(fā)創(chuàng)新重點,逐個突破,由點到面,不斷發(fā)展,不斷提高。
“3D創(chuàng)新不是某一行業(yè)的事情,它具有普遍性,航天、醫(yī)療、汽車、船舶、消費品都能用到,不能單叫哪個部門、哪個公司去搞??梢赃x幾個行業(yè),在每個行業(yè)抓幾個典型,把這事兒帶起來。”林老說。
第二,建議在全國大中小學(xué)播撒10萬顆3D創(chuàng)新的種子,增加教材,贈送3D打印機,從娃娃抓起,培養(yǎng)千萬個既能動手又能動腦的3D創(chuàng)新能手。
“我曾經(jīng)問過很多老朋友、老領(lǐng)導(dǎo),他們都不了解3D打印技術(shù),我去到學(xué)校問一個三年級的小學(xué)生知道電腦嗎,他說知道,但問3D打印,孩子完全不知道。如果能播種10萬顆種子,那相當(dāng)于為未來培養(yǎng)了10萬個3D創(chuàng)新能手,10萬人再影響10萬人,就可能是100萬甚至1000萬人。”林老說?,F(xiàn)在這項工作已經(jīng)在南京、北京的幾個小學(xué)展開。
第三,建議創(chuàng)建“中國3D創(chuàng)新聯(lián)合體”,組織結(jié)構(gòu)上采用虛實結(jié)合的模式,組織調(diào)動全國的力量,并與發(fā)達國家合作共贏,趕超世界先進水平。如,基于上述3D創(chuàng)新聯(lián)合體,再創(chuàng)建10萬臺的3D打印機,其中金屬打印機超過千臺,年產(chǎn)值可以達到100億美元。
目前,林老的這一報告已經(jīng)得到黨中央和國務(wù)院的批示,要求有關(guān)部門要“密切跟蹤全球3D技術(shù)發(fā)展趨勢,支持國內(nèi)研究有序發(fā)展,爭取重點突破。”“我國若能抓住3D創(chuàng)新的先機,迎頭趕上,將對更好更快地實現(xiàn)中國夢,產(chǎn)生意想不到的重大貢獻。”林老說。
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3D打印,沒那么神秘
3D打印實際上是一種增材制造技術(shù),它是利用光固化和紙層疊等方式實現(xiàn)快速成型的一種制造方式。
為什么叫“打印?”因為它與普通打印機工作原理基本相同,將打印機內(nèi)裝上粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,與電腦連接后,通過一層又一層的多層打印方式,最終把計算機上的藍圖變成實物。
3D打印技術(shù)每一層的打印過程分為兩步,首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水,然后是噴灑一層均勻的粉末,粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié),而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下,實體模型將會被“打印”成型,打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末還可循環(huán)利用。
3D打印是數(shù)字與物理世界的交融,它最終還是需要使用軟件去設(shè)計數(shù)字化模型,然后迅速進行概念驗證。打印時,軟件通過電腦輔助設(shè)計技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片,并將這些切片的信息傳送到3D打印機上,后者會將連續(xù)的薄型層面堆疊起來,直到一個固態(tài)物體成型。
3D打印機與傳統(tǒng)打印機最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實實在在的原材料。堆疊薄層的形式有多種多樣。
目前,美國是3D打印相關(guān)軟件開發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)者,而德國則在3D打印設(shè)備制造方面有很強的領(lǐng)先優(yōu)勢。
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