3D打印:“炒出佳肴”须打通全链条
“以前,有些飞机发动机构件用传统工艺生产可能需要10多道工序,但3D打印技术一步就可完成,既节约时机,还加快整个发动机功能的发展。”近日,吴鑫华在接受《中国科学报》记者正常采访时说。
吴鑫华是澳大利亚技术科学与工程院院士、蒙纳什大学增材制造中心主任。作为一名女科学家,她的研究成果在全球制造业领域以男性为主导的世界里毫不逊色。今年2月,由她带领的研究团队完成了全球首款利用3D打印技术制造的喷气式飞机引擎,相关成果在澳大利亚墨尔本国际航空展亮相后,吸引了美国波音、欧洲空客等航空公司和全球170家媒体的广泛关注。
我国在3D打印领域已经取得一些成绩,但同样存在瓶颈和制约因素。“现在国内的3D打印科研和应用,各家都是单打独斗,没形成产业链,而且国家在尖端科研等方面缺乏战略上的统一布局。”同时也是一名华人企业家的吴鑫华颇为感慨。
当下,3D打印正在悄然改变着航空领域的制造业格局。“3D打印在航空航天领域是创新最集中的领域,因为航空航天是最高附加值的领域。”吴鑫华说。比如大部分飞机引擎结构较为复杂,3D打印的优点是,能够将其设计与制造时间缩短3~4倍。一个发动机从设计到成型一般最少需要10~15年,生产每一个构件需要6~24个月,现在三年左右就可以生产出一款新发动机型号。
“越复杂的构件,就越适合3D打印。”吴鑫华给记者举了一个发动机燃油喷嘴的例子:该构件虽然“身材”很小,却是航空发动机燃烧室的主要部件之一。其雾化特性的测量对喷嘴设计、质量控制与改进要求相当高,结构也很复杂。然而,利用3D打印却可以把原来的十几道工序仅压缩成一步。
与过去的熔化、浇铸和雕刻等工序有很大不同,各种3D打印技术如喷粉和粉末床激光融化技术、电子束熔炼、热等静压净成型等能够迅速地进行原型设计,并在此基础上批量生产,让目标用户迅速得到成品,尤其是可以制造出传统制造技术没办法完成的定制部件。而且,作为一种增材制造方法,它还在很大程度上减少了材料的浪费,使99%~100%的金属粉末被用在最终的产品上。
同时,3D打印能制造出传统方法无法加工的非常规结构特征,这种工艺对于实现零部件轻量化、优化性能有非常非常重要的意义。例如,3D打印将为有“空中巨无霸”之称的宽体客机空客A380带来全新的环保理念。“3D打印可以把零件内部设计为网状结构,替代传统的实心结构,这不但可以减少制造时的材料使用量及制造时间,还能轻松实现产品轻量化,降低能源消耗。”吴鑫华说。
“3D打印为什么重要?除了技术本身优势外,如果你不这么做,而你的竞争对手在做,你就会被淘汰。”吴鑫华一针见血地指出。她表示,当前发达国家对3D打印的应用相对超前,其相关研究不仅是通过产品和市场来驱动,还会从国家战略来考虑,进行整体战略规划。而相较之下,中国相关产业则多依靠政策驱动,没形成产业链。
她认为,中国应该从产业链出发制定严格的战略规划目标和政策,而不是“想做什么就做什么,想要钱就去做什么”。
2012年,吴鑫华应科技部邀请,由江苏省科技厅协助,回国在江苏无锡创办飞而康公司和3D打印基地。目前,该公司已建立了覆盖3D打印原材料、产品和产品性能检验测试的一条龙式3D打印生产线。
以钛粉为例,该公司目前每年可生产60多吨全球最优质的航空原材料,约占全球1/3的相关原料市场。“现在,国外主要是加拿大和德国进行同样的钛粉生产,有国外企业希望把我们的公司收购过去,垄断全球3D打印的钛粉原材料。”吴鑫华说,“中国到目前为止还未认识到这一重要性:达到国际适航标准的高质量粉末是3D打印民用飞机和发动机构件的必要元素之一。没有它,就没有高性能的3D产品。”
同时,在她看来,国内还应该从战略上考虑打通产业链。在国外是由用户在考虑市场方向,比如打印机翼,波音公司会安排好各个任务,然后向国家申请经费支持;而中国则缺少市场牵引和战略主导。
此外,国内3D打印和用户没有挂上钩,使有关技术优势难以施展出来。她认为,应该促进全民对3D打印技术的了解,这样才可以把技术扩展到整个社会。
在吴鑫华看来,3D打印就像一口“炒锅”。而要用3D打印“炒”出“佳肴”不仅需要好的材料,还要建立产品质量标准、进行质量认证、建立可靠的供应链等。
首先,专业和非专业的最大差别就在于材料学。吴鑫华认为,尽管当前国内材料学研究位居全球前沿,但在3D打印领域仍存在塑料打印泛滥的现象。“实际上,塑料打印不能代替金属打印,就像塑料构件不能替代金属构件,不应该混淆金属等其他材料的发展。”在材料方面还应精益求精,优化相关参数,更好地把握材料的特性,这就要把握好运用材料来3D打印的最佳工艺窗,才能提高成品的质量以达到产品使用性能要求。
其次,有关标准材料标准和产品质量标准的建立越快越好。“无论在制造业,还是在医疗行业,标准是真正把高科技推到商业前景立面的一个交集点,所以保证质量的一次性、重复性、可靠性、稳定性很重要。”吴鑫华说。
事实上,建立有关标准需要依靠很多研究和实验数据作为支撑,并无偿地拿出来进行共享,但因为它不是创新,只是规范,往往很难拿到经费支持,导致在产业化应用中经常被该问题拖后腿。此外,建立标准的队伍如果没有很深的技术知识,建立起的标准会不科学和不实际。她表示,在很多地方是国家、材料技术专家和用户的联合体来建立这个数据,这可当作中国未来发展的参照。
谈起研究团队关于3D打印发动机的后续工作,吴鑫华表示,该研究共涉及20多个构件,计划在今年年底全部完成,未来两年内达到精度和性能要求,对发动机进行实况测试。“航空发动机的重量一般从几十到几百公斤不等,如果我们大家可以减重10%,对于发动机来说就已经是很大的数字了。”她补充说。