1、Additive Manufacturing Technology and Its Effect on Manufacturing of China,2014.05.29.，Beijing,中国航空工业集团公司 北京航空制造工程研究所 BAMTRI,AVIC. 巩水利 Prof. Dr. GONG Shuili,目 录,Additive Manufacturing (AM or 3D Printing)： 是人类通过对物质可控的动态累积以逼近目标形体的一种生产过程；是与材料去除成形、受迫成形等对应的科学技术体系；是以“堆积”为共同特征的技术群。,一、Introduction,Reshaping
2、 the global manufacturing competition structure 上世纪美国时代周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业” 英国经济学人杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命” Change the production and life mode in the future 社会化制造 那么每个人都可以成为一个工厂 它将改变制造商品的方式 并改变世界的经济格局 进而改变人类的生活方式,一、 The third industrial revolution ?!,一、 Strategic significance of AM for Chi
3、na,可成为我国制造业自主创新的有效手段； 符合绿色制造发展方向，有利于制造业的可持续发展； 可促进传统制造技术水平的提升，促进制造与服务融合发展； 有望培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级。 An effective way for independent innovation of manufacturing industry for China Compliance with the green manufacturing development, and conducive to the sustainable development of manufacturing indust
4、ry; Promote the upgrading of traditional manufacturing technology, and the fusion development betweenmanufacturing and service; Expected to cultivate new industries, optimize the industrial structure and promote industrial upgrading,Aerospace,高性能金属零件直接增材制造技术的发展，为航空航天产品从产品设计、模型和原型制造、零件生产和产品测试都带了新的思想和
5、技术途径，有望大幅缩短航空航天产品的研发和生产周期 the development of direct manufacturing technology of performance parts, new ideas and technical approach are brought into product design, model and prototype manufacturing, parts manufacturing and product testing, which is expected to significantly shorten the research and
6、 development cycle of aerospace production.,增材制造大型复杂发动机机匣铸造熔模（直径1.2米原来需要机加工或模具压制多个局部结构，然后拼接成整体，精度难以控制，工序繁琐，周期长，增材制造方法精度高、整体成形、周期短。,激光近成形的叶片（Optomec公司），传统铸锻，均需制造复杂模具，增材制造实现自由成形,一、Development history of AM technology,快速原型 /快速成形,快速工具 /模具/铸型,快速成形 直接制造,Verification and presentation of concept 概念验证和呈现 工业设
7、计 产品设计 Design verification and test 设计验证和测试 反复设计和优化 成型、装配和功能性测试 Production and manufacturing,Molding and secondary operations 制模与二次操作 热成型 砂型铸造 金属镀层 EDM电极 Small batch production, mass production 批量生产 失蜡铸造 吹塑制模 塑料挤塑 环氧制模,一、Major use,生产与制造,直接制造零件,二、Technical methods and means：Major process,Industry cha
8、in of AM,USER,Additive manufacturing has a long industry chain, and improves the technology and economy.,母合金、中间合金、金属冶炼、粉末、金属丝材、材料检测、材料储运,激光器、电子枪、成形软件、机电控制、传感器、机床、装备集成、真空器件、气体循环器件、冷却系统,产品研制、工艺开发等、委托加工,机械加工、热处理、表面处理、无损检测、性能测试、生物陶瓷、净化,4.4 国际发展现状,European and American countries have increased their supp
9、ort, and made the national strategies and plans for additive manufacturing development; It has draw more attention of government, research institutions, enterprises and the media.,2012年3月，美国白宫宣布振兴美国制造的新举措，将投资10亿美金帮助美国制造体系的改革，鼓励优先发展增材制造为代表的数字化制造技术；在全国范围筹建多个研究与企业联盟 英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费，目前已在多个大
10、学建立了增材制造研究中心 德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用 西班牙也启动了增材制造专项，研究增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等内容 日本一直重视增材制造技术，研制和应用水平走在了亚洲前列,三：Development and trends of International AM,Clear development ideas,大型运输机舱体壁板结构,航空发动机机匣,Basic research Standard setting Industry applications Industrial Development,三：Deve
11、lopment and trends of International AM,Clear development projects,Research plan of electron beam rapid prototyping made by American NASA,三：Development and trends of International AM,Direct manufacturing of performance parts. Performance is close to the traditional process;Applied in some complicated
12、 conditions.,英国南安普顿大学设计并利用增材制造技术制造了世界上第一架“3D打印”无人驾驶飞机，最高时速达100多公里 世界上第一辆“3D打印”赛车“阿里翁”，已在德国的霍根海姆赛道完成测试，时速达141公里,4.4 国际发展现状,三：Development and trends of International AM,Europe have carried out extensive esearch,意大利AVIO公司电子束选区熔化生产线拥有13台设备； 英国罗罗公司正在建立拥有30台设备的电子束选区熔化生产线。,大推力涡扇发动机钛铝合金三四级涡轮叶片,“Rapid manufa
13、cturing center of large aerospace parts”， has been established in 2007Additive manufacturing of small and precise structure keeps ahead of the world.,空客、罗罗、EADS等公司的飞机及发动机上已有大量应用。,Solving the manufacturing problems for difficult-machining materials 。例如，德国EOS公司开发的选区激光烧结（SLS）增材制造装备可成形传统工艺（注塑、挤塑）难加工的耐高温
14、塑料,利用基于粉材的激光烧结工艺可成形复杂高精度零部件，力学性能较尼龙等塑料高出1倍（拉伸强度达95MPa，杨氏模量达4400MPa） 特别是具有优异的耐高温性能，可连续服役于180摄氏度的动态力学场合、240摄氏度的静态力学场合以及260摄氏度电气场合等,三：Development and trends of International AM,Repairing and re-manufacturing high temperature parts。以激光、等离子束和电弧等能束增材制造再制造技术为代表，已应用于机械、能源、船舶等领域核心、高附加值零部件的快速修复,美国AeroMet公司应用于
15、F15等战斗机机翼梁修复 英国Rolls-Royce公司用于航空发动机叶片修复,激光成形修复的发动机零件,相比传统电镀、热喷涂等技术，增材制造技术的使用，实现了高性能、高效率和低成本修复和再制造,三：Development and trends of International AM,Rapid customizing personalized structure in biomedical area 。与生物医疗技术相结合，应用于牙齿、骨骼等“人体零部件”修复或植入手术中。在过去的10余年，增材制造在生物医疗领域的应用比重约为占全部应用的15%。,增材制造的人体修复体,增材制造的金属牙齿已应
16、用于人体，并有专用装备 增材制造金属颅骨修复体，已获临床应用 增材制造人体关节金属修复体，已有专业的服务公司,4.4 国际发展现状,三：Development and trends of International AM,“three-dimensional printing”of micro and nano structures in the field of electronics manufacturing.与电子制造技术相融合，可应用于有机发光二极管、薄膜太阳能电池、无芯片RFID标签、柔性显示器等微纳尺度功能性器件的“三维打印”,与压膜制版、光刻蚀和镀膜等工艺相比，增材制造用于电子
17、领域不仅减少污染排放，还可提高贵重材料利用率！,增材制造的微纳电子器件,电子电路多层柔性PCB 无芯片RFID标签 有机薄膜光伏器件 有机发光显示OLED,4.4 国际发展现状,三：Development and trends of International AM,Productization and serialization on production and sale of equipments. 欧美及日本在该领域处于世界领先水平，已形成了众多专业化和规模化的装备生产企业。近年来，开始出现知名企业强强联合与兼并的态势，进一步加大了地区不平衡和技术垄断程度,4.4 国际发展现状,三：D
18、evelopment and trends of International AM,Equipments are developing to specialization. 如德国EOS公司提供专门用于工业应用级金属牙齿激光增材制造装备,铸造成本低，但工艺繁琐，周期长，难以个性化制造；机加工精度高，但材料浪费严重 SLM工艺简单、个性化制造、材料利用率高、零件性能好,4.4 国际发展现状,三：Development and trends of International AM,Equipments expand from research and industry high-end types
19、 to mass consumption type.欧美发达国家开始重视低成本（几万甚至几千人民币）增材制造装备的研制与产业化，促使增材制造技术从实验室和工厂走向办公室甚至是家庭,美国ZCorp公司（并入3D Systems公司）生产的办公型三维打印装备类似于打印机，可用于多类型塑料彩色零件的增材制造 美国MakerBot公司生产的简易型装备设备，可低成本制造塑料零件,三：Development and trends of International AM,Form relatively integrated industry chain including equipments, mater
20、ials, software, services.,世界知名的增材制造装备生产企业超过30余家，主要分布在美国、德国、英国及日本等少数发达国家 已有专业增材制造材料生产企业，如瑞典Sandvik公司提供微细金属粉末 专业的增材制造软件公司，如比利时Materialise公司提供增材制造工艺与控制软件,三：Development and trends of International AM,Industry and markets have achieved certain scale, and annual output value is growing at double-digit rat
21、es.,1989年-2011年，增材制造装备销售量平均年增长率高达31.6%，自2000年后以更快的速度递增 2011年，增材制造产品及服务产值较前一年增加了29.4%,三：Development and trends of International AM,Mix of multidiscipline such as numerical control, new materials, new energy etc.,Application areas include aerospace, automobile, mould, biomedical, electronic, construct
22、ion, consumer products, education, official business etc.,Application area distribution,多轴联动、高速扫描控制、高精密传动等数控技术 微细金属粉末、光敏树脂、水溶喷印树脂等新材料及其制备技术 高能束激光、电子束、等离子等新能源技术,4.4 国际发展现状,三：Development and trends of International AM,Technology: 从快速原型、工艺辅助等间接制造发展为零部件直接制造，新材料、新器件、新产品不断出现； Equipment: 向产品化、系列化和专业化方向发展；从
23、科研和工业等高端型向办公和个人消费等大众化型拓展； Industry: 形成了集装备、材料、软件、服务于一体的产业链，初具产业规模和市场销售； Standards: 已发布较成熟的、成系列的相关技术标准，并已开始了国际标准的制定； Application: 多学科交叉融合发展，应用领域不断扩大。,三：Development and trends of International AM,四 . Our development situation,Some related research institutes and bases are built,Development of additive
24、 manufacturing equipments relying on universities and research institutes under financial support of national projects.,代表性单位有：西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学、中航工业北京航空制造工程研究所、西北工业大学、清华大学、华南理工大学、西北有色金属研究院，等等。,四. Our development situation,625所EBRM设备,625所SLM设备,State-of-the-art is transiting from rapid prototypi
25、ng to components direct manufacturing. Areas on high performance placitics and metal components are developing rapidly. Some exceed international level. However, generally speaking, there is still big room for improvement.,制作飞机风洞模型，辅助新型飞机结构的创新设计与快速开发 用于汽车、家电和数码等快速更新换代行业中新产品结构的快速验证，如海尔等重要企业均建立的增材制造技术
26、中心 辅助汽车发动机缸体缸盖等复杂铸件蜡型和砂型的快速制造，二汽、玉柴等相关企业均设立了专门的增材制造部门,四. Our development situation,There is big improvement room for additive manufacturing equipments. Industrial chain needs to be established involving materials, hardware, software and services.,截止2011年底，我国增材制造装备使用量占全球份额的8.6%，装备产量仅占世界总量的3.6%。说明我国使用
27、的不到10%的装备还 有超过一半依赖于进口！ 我国增材制造装备的应用量和生产量均有较大提升空间,4.5 我国发展情况,四. Our development situation,四. Our general situation,4.5 我国总体情况,Research condition: 形成了一批各具特色的研发机构，并研发成功了一批增材制造装备； Technological level: 总体上还处于从模型制作向零部件直接制造的过渡阶段，部分指标达世界领先水平； Application and industry: 在典型关键领域进行了局部应用，但缺乏产业链，产业规模提升空间大！； Standa
28、rds: 已开始了相关标准的制定工作，但起步较晚，标准涉及内容较分散，未形成成套的系列化标准。,4.6 我国面临的主要差距,Weakness of theoretical research: 在基础理论与成形机理研究方面，我国在一些局部点上开展研究，但国外研究更基础、更系统和更深入 Lack of key generic technology research: 国外基于成熟理论基础上的工艺控制，成形精度、制件性能以及工艺稳定性高 Weakness of materials research: 增材制造用材料与传统工艺所用材料有较大差别，我国与国外相比无论是种类还是质量上都有差距 Low eq
29、uipment level: 大部分增材制造工艺装备国内都有研制，但在成形精度和智能化程度以及材料适应范围方面与国外先进水平相比存在差距 Core components rely on import: 激光器、精密光学器件等装备核心元器件依靠进口,五. Our gap, solution and suggest,Advantages,Opportunities,Threats,Disadvantages,行业需求背景与支持推动 明确的产品需求和强劲的研发动力 强大扎实领先的技术实力 自主知识产权的软件平台 前期研发的经验与教训,现环境下的低盈利甚至负盈利 市场份额 到达市场的时间,国内市场需求
30、大而紧迫 国际主要竞争产品能力有限，产品能力低端 航空产业需求旺盛 现有商品无法满足需求,国际国内同行的快速研发竞争 高端产品的性能,Analysis on advantages, disadvantages,opportunities and threats,Aerospace 飞机大型钛合金框梁、接头 飞机小型精密复杂结构 航空发动机叶片、机匣 整体式小型火箭发动机 火箭发动机尾喷管 冲压发动机复杂异型进气道 复杂形状高效散热结构 .,Health care 人体植入物： 髋关节、膝关节、牙科产品、定制植入体等 医疗器械： 手术固定、支撑物 手术过程模拟体,Main application
31、 areas and form,Process develop-ment,Materials,Energy, power, appliance and transport etc. 复杂阀门、箱体、 管路、散热装置、支架；定制产品、艺术造型、工业设计模型,Serviceand training,1,Electron beam additive manufacturing technology and equipment for metal 电子束选区融化技术与装备 电子束熔丝成形技术与装备,Goal and Strategy,产品服务,Principles,Focus on our uniqu
32、e features and innovation 1.金属激光选区成形、电子束选区成形设备成形能力（尺寸、精度、 稳定性可靠性）领先世界水平； 2.非金属激光选区成形设备与工艺达世界先进水平； Breakthrough at some points and world leading 1.钛合金激光选区成形设备和工艺； 2.光固化设备和技术； 3.激光烧结设备和技术。 Additive manufacturing control software with self-owned intellectual property right Representative domestic and international process and material standards,,谢谢！,Thank You !,
