中国增材制造企业的实践与思考_3
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  中国部分领先企业已经进行了多年实践和探索,积累了一些经验,在增材制造技术、产业化技术方面开始推动行业的发展,能够为行业提供更好支撑,包括产业化环境的支撑,有利于行业的发展。

  增材制造技术是制造业驱动创新的一个共性技术,它将各种材料应用于广泛的领域,在多种场合、以各种批量生产都可以完成,而且,增材制造为产品和装备重新再设计开拓了创新空间,也使产品研发环节得到一个非常好的工具,能够支撑制造业从大批量生产走向个性化定制。

  目前,我国增材制造产业领域的一些领先公司,包括杭州先临三维科技股份有限公司(下称先临三维)、西安铂力特激光成形技术有限公司(下称铂力特)、宁夏共享集团有限责任公司(下称共享集团)、上海航天设备制造总厂(下称上海航天设备)等已经在增材制造技术、产业化技术方面开始推动产业的发展,进行了多年实践和探索,积累了一些经验,能够为行业提供更好支撑,包括产业化环境的支撑,有利于行业的发展。

  先临三维:3D打印+互联网

  先临三维专注于3D打印+互联网。该公司首席执行官李涛指出,3D打印产业的发展与经济发展趋势密不可分。在现代制造中,随着各种经济环境以及消费趋势的变化,制造产业从早期的集中规模化、少品种、大批量生产,逐步过渡到多品种、小批量生产,以及流行性制造方面的发展。现在,几乎所有的制造企业都在推动个性化定制。

  3D打印有三大主要特点:

  一是,它可以制造任意复杂的造型,对制造设施的需求相对过去更加简化,进而让制造流程更加简单和灵活。全球范围内3D打印之所以被如此重视,就是因为3D打印技术有它独特的特点和好的应用前景。这些特点会在未来推动经济关系和消费关系变化过程中起主要作用。

  二是,3D打印会成为更好的制造工具。很多用户已经将3D打印作为一种研发工具。目前,不少企业在推动直接数字化制造,而3D打印已经成了间接制造,但是它不能成为标准化的制造工具,使用规模上受限。3D打印要广泛应用,还需要推动更多、更广泛的材料变革,制造成本和方便性方面要有更大的改进。3D打印能够推动新的消费与生产关系的变革,即未来个性化和定制化为主的消费生产关系变革。李涛认为,个性化和定制化在整个产业中还属于高端小众化应用。一些高端用户不计代价让制造商为他做量体制造,使用的却还是传统制造流程,但成本更高。

  三是,除了成为更好的制造工具之外,3D打印还应该能够让个性化定制成为一种规模化应用,而不仅仅是小众应用。如何实现规模化,有两点是非常重要的:首先,除了技术本身之外,还需要去研究整个3D打印作为一项制造工具,如何与现有的智能制造的设计和制造流程融合在一起,比如跟数控机床,还有其他的数字化加工工具融合在一起,它不能脱离制造技术的现实发展。其次,3D打印还要承担一个新的使命,推动制造与消费关系的升级,促进个性化和定制化的规模化应用。

  先临三维在推动3D打印方面做了四个方面的努力:

  首先,技术研究方面不懈怠。所有的技术研发一定离不开投入。先临三维连续五年坚持将公司每年营收20%以上的资金投入到技术研发上,2016年的投入接近6000万元。李涛说,虽然对一家企业来说,在目前的经济阶段这种投入非常吃力,但它是值得的。任何技术的发展都有厚积薄发的过程,积累非常重要,也是不可跳过的环节。

  其次,应用经验持续积累。先临三维在全国各地建设以3D打印为核心的快速制造服务平台,目的是希望拉近与用户之间的物理距离,能够去实践3D打印或者增材制造技术。目前该公司在全国设了十几家服务平台,累计服务了5000多家用户,积累了很多3D打印技术方面的经验,掌握了很多用户体验的数据,并将这些数据进一步反哺装备研发和技术研发以及商业模式的调整。重点应用包括:国防、军工以及航空航天高端装备领域的服务;以人为中心的大消费市场,包括个性化定制消费、医疗、教育、汽车、家电等许多与人相关的应用,这是未来新的生产消费关系核心点所在。

  再次,促进商业模式的优化,这是先临三维工作的核心。制造技术要结合一定的商业模式才能得到更大规模应用和普及,互联网化就是商业模式形成的有利条件。3D打印技术和互联网技术有非常多共通点,比如去中心化,平等接入更多用户,都以数字化为基础,都需要更好的交互手段等。3D打印技术+互联网技术,能够把现有的装备和应用流程逐步接入互联网的平台,不仅仅通过网站让用户找到装备,或者找到供应商、找到用户,公司还希望把数据的采集设计、订单交付与网络平台结合起来,对在线制造流程进行完善和优化,未来使更多用户能够接入到个性化定制化的业务中去,推动3D打印技术普及和规模化。

  先临三维设立线下的服务点,通过互联网平台把线下服务点融合起来。这能够让更多用户体验就近服务。平台不仅仅包括先临三维自己的服务网点,也包括第三方的服务网点。线下服务点的建设是为了迎接人人参与设计,人人参与制造这种个性化定制时代的到来。用户可以通过互联网平台找到现成的数据,也可以自己创造数据在平台上分享。下一步,公司会针对特定的应用,如个性化医疗定制,建设更广泛的体验平台,如3D造平台。用户数据可以在平台上自动报价,自动匹配最近的服务平台。这个平台是开放的,许多小的服务平台接入进来,也可以享受用户在线下的订单匹配。

  通过这样的方式,先临三维希望让更多软件的供应商、设计者,以及服务平台、服务公司合作起来,共同推动数字化的数据采集、设计和制造流程的优化,推动个性化和定制化时代更加顺畅地到来。

  最后,先临三维坚持3D扫描、3D打印、设计一体化发展。先临三维以3D数字和3D打印技术为平台,推动科技教育的发展,设置课外体验的活动。让参与者体验新的技术,熟悉数字化设计和制造工具,为整个产业发展培养中坚力量。先临三维的一个远景目标,就是希望构建3D打印生态圈,让个性化产品走进亿万家庭。

  李涛说,如果未来个性化定制得到大发展,设计一定会成为3D打印越来越大的瓶颈,而如果更多人参与到设计和数据创造当中,3D扫描和设计协同化会成为重要环节。先临三维一直在构建一体化技术应用流程,从各个环节降低技术的应用成本和使用门槛,以使3D打印的使用体验更加方便。

  铂力特:增材制造与创新设计

  铂力特现在的使命是将金属3D打印走进千万家工厂。铂力特总经理薛蕾介绍,铂力特团队20多年前就做金属3D打印,公司在探索实践过程中也感觉到了行业的发展、产业的前进。

  基于公司积累的经验,铂力特面对的市场包括:第一是精密制造,包括面向轻量化结构优化设计和整体化功能集成。第二,与程序相关的业务,包括:快速研制与快速制造;组合制造,把现有的加工技术与金属3D打印结合起来,获得一种成本更低的制造方式;修复性再制造。

  以上两个市场,一个解决复杂性的问题,一个解决成本性问题。

  3D打印是一种有效解决复杂性问题的有效手段。通常可以把产品按复杂性分为两类,一种是天然个体的复杂性,即零件本身很复杂。一种是零件本身不复杂,但由于零件制造的过程比较复杂,或者大规模制造会带来复杂性问题。3D打印贵在通过设计领域的一些变革,包括设计人员设计思想的变革,做出整体更有效的零件。这样的零件与传统的零件不一样,它提高了零件的适应性能,另外还可有效解决复杂性。这是推动金属3D打印大规模应用的必然道路。

  一个例子是,GE通过3D打印设计案例做了两件事:证明了3D打印解决复杂性问题的能力;推动研发模式或设计模式的变革。GE把设计方案在网站上做了招标,全球56个国家约700个设计方案参与投标,最后选出十个最优方案,打出零件做测试,十个里面只有一个不符合要求。最后的冠军产品重量327克,相比使用传统设计的2公斤重,重量减轻了84%。这些变革让设计师非常兴奋。

  与GE一样,铂力特团队服务的航空航天领域,所有的专家包括设计师每天都在为减轻每一克的重量而奋斗。3D打印是解决这个领域复杂性问题非常好的突破点。

  未来,金属3D打印的趋势将向轻量化结构、复杂内腔结构、整体化功能集成、快速研制与快速制造、组合制造、修复与再制造方向发展。薛蕾建议厂家都要在新的设计方面下功夫,包括个性化的定制设计。第一,业界要尽快建立起功能优先的设计理念。第二,要在设计实践中普遍使用最优化的设计方法。第三,强化增材制造与最优化设计的互动研究。第四,加强新型人才的培养。第五,3D打印技术要真正实现规模化应用,面向工业这个部分来说,一定要靠创新设计来推动。

  共享集团:推动铸造3D打印应用

  铸造3D打印在推进整个铸造产业的生产方式改变。共享集团董事长彭凡指出,共享集团过去三年多生产了约五大类几百种两千多根用3D打印做的砂型,包括机床件、液压件、航空航天铝合金件等。传统上多品种小批量手工劳动的生产,现在可以实现数字化、网络化智能化生产。传统的铸造以手工劳动为主,是装备制造业最基础、最传统的产业。现在利用3D打印,员工可以在空调环境中工作,用APP电脑的按钮进行生产,整个生产方式和劳动环境被颠覆。

  共享集团的研发工作开始得很有意思。用彭凡的话说,做研发是被逼出来的。

  集团原本希望引进国外先进技术,但是后来发现这种方式受到对方的多方制约,如买的设备没有对方人员指导自己无法使用,材料成本太高,维护保养都需要对方来做。无奈之下,共享集团开始通过互联网+研发的形式进行研发,用全球最先进的东西对标。利用先进的技术和资源,历经无数次设计、修改、验证,加上全球采购,3D打印设备终于研发出来。

  研发分为四个阶段。一是引进消化吸收,全部进口。二是自己研发功能样机。彭凡介绍,现在已经走到第三和第四阶段。目前首台产业机已投入生产,2016年年底之前计划投入小批量,约做6台产业机。铸造用的3D打印相关材料全部都是化工研究所开发,设备价格下降,生产效率提高,可以解决产业化应用的问题。

  通过几年的努力,共享集团攻克了材料、工艺、软件、设备等问题,聚焦铸造的产业化应用,受理专利132项,授权35项。目前,一个3D打印铸造工厂即将竣工,正在建第二个3D打印铸造工厂,计划投入12台自己制造的3D设备与机器相结合,生产效率可比现在的铸造效率提高5倍。

  共享集团研发了两种机型,一种是打砂型,另一种是FDM型,用于打模具。此外,集团提出打造铸造3D打印等新技术+铸造智能工厂,通过把工厂的工序单元化,把3D打印技术与智能工厂相结合,推进产业的升级和转型。

  上海航天设备:航天应用与工业 转型升级

  在3D打印方面,增材制造的一大优势是简化制造提高产品质量与性能。从理论上说,零部件越多越不安全。3D打印技术的一个明显优势就是可以将多个零部件集合成一个整体制造出来,减少零部件的数量,其安全性和可靠性随之提高。上海航天设备科瑞工研所副所长王联凤表示,上海航天设备制造总厂在3D打印技术航天应用上做了很多工作。

  上海航天设备非常关注3D打印如何和航天应用结合,主要体现在以下四个方面:第一是解决形状复杂性,更多体现出在形状、性能以及相关方面目前还没有达到所想即所得。第二是与全色彩、异质材料以及不锈钢相关的材料问题。现在用钛合金或者铝合金,也需要一些过渡材料,遇到了一些难题。但3D打印提供了一个新的解决问题的手段。第三是在层次复杂性上,3D打印可以满足多尺度的宏观微观工艺结构,可以取代传统制造的一些部分,在解决制造难题过程中对传统制造做有机补充。第四是在航天制造过程中,零部件可靠性能不能满足在空间条件下以及相关的,特别是在空间结构上的要求。航天零件设计与其他应用设计不同,要求设计的零件寿命必须超过15年,才能解决疲劳性问题,这方面上海航天设备也在用3D打印不断做尝试,助力产业升级。

  增材制造在航天应用中凸显了它的优势。比如,美国NASA在2013年8月22日进行的高温点火试验中,增材制造的J-2X 火箭发动机喷注器产生了创纪录的9吨推力。整体式喷注器组零件数由原来的115个集成为两个,大大缩短了生产周期。

  3D打印零件作为一体化制造在无人机领域应用比较广泛。霍尼韦尔用3D打印做的无人机,已经用于实际的救援救灾中,国内公司也在用3D打印做无人机,在减轻无人机重量方面有大量应用。传统上特殊的合金使用温度比较高,可能达到1800摄氏度,传统加工的方式满足不了这种需求,而3D打印能够实现设计需求。

  当前,新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起,增材制造是其中的代表性技术之一,是一项具有变革意义的新型制造工艺,对突破研发瓶颈或解决设计难题,助力传统产业改造、助推新兴产业发展,培育我国经济发展的新动能具有重要意义。我国企业在增材制造领域的实践与积累,无疑为我国在未来科技和产业制高点占有一席之地赢得先机。

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