以航空發(fā)動(dòng)機(jī)里面的一個(gè)零件為例：如果采用傳統(tǒng)的加工方式，大概需要40個(gè)小時(shí)，而采用增材制造技術(shù)，則加工過(guò)程可控制在12~13個(gè)小時(shí)之內(nèi)。

國(guó)內(nèi)也在開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究，但是總體而言，國(guó)內(nèi)企業(yè)的應(yīng)用量和技術(shù)拓展力度還不夠大。

在工業(yè)制造的“高精尖”領(lǐng)域，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，由于零部件結(jié)構(gòu)及形狀復(fù)雜，精度要求高，材料難加工， 在生產(chǎn)過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的成本和時(shí)間。

如今這一局面正在發(fā)生改變。誕生于上世紀(jì)80年代的“快速成型技術(shù)”取得了新進(jìn)展。目前該項(xiàng)技術(shù)不僅能用于加工樹(shù)脂、尼龍、蠟等熔點(diǎn)和硬度較低的材料，還可以直接將金屬材料加工成所需要的功能零部件。

從油漆到金屬

1985年，化學(xué)家查克·赫爾在為一家油漆生產(chǎn)商從事研發(fā)工作時(shí)，生產(chǎn)商提出要求，希望室外油漆能干得快些。于是，由查克·赫爾領(lǐng)導(dǎo)的小組研制出了一種新式油漆，這種油漆對(duì)陽(yáng)光敏感，能夠迅速?gòu)囊后w變成固體。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，查克·赫爾意識(shí)到，如果油漆的層數(shù)足夠多，說(shuō)不定能夠制作出三維的物體。

這就是“快速成型技術(shù)”的由來(lái)。

誕生之初，該項(xiàng)技術(shù)多應(yīng)用在樹(shù)脂、尼龍、蠟等熔點(diǎn)和強(qiáng)度較低的材料上面。真正能夠?qū)⒔饘俨牧现苯蛹庸こ蓮?fù)雜的零部件，則是最近才剛剛走出實(shí)驗(yàn)室。

近日，通用電氣公司（GE）宣布，該公司的科學(xué)家運(yùn)用一種基于快速成型原理的增材制造技術(shù)，可以一步將零件加工到最終形狀。目前，GE已將該技術(shù)應(yīng)用于制造超聲設(shè)備中的超聲探頭，以及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件，以降低勞動(dòng)力和生產(chǎn)成本。

GE中國(guó)研發(fā)中心研究員李延民向《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者講述了利用上述技術(shù)加工金屬材料的過(guò)程。

首先在計(jì)算機(jī)中生成所要加工零部件的三維數(shù)字模型。然后，工程師將模型“切成”一定厚度的薄層，從而得到一系列的二維輪廓。接下來(lái)，工程師按照二維輪廓，用激光一層層地掃描燒結(jié)預(yù)先鋪制好的金屬粉末，最后制造出與三維數(shù)字模型相同的零部件。

另一種制造方法與此類(lèi)似，只不過(guò)不是預(yù)先鋪制好粉末，而是在激光掃描過(guò)程中，通過(guò)噴嘴向材料熔化的區(qū)域不斷添加金屬粉末，從而“由點(diǎn)到線，由線到面”地制作出立體的零部件。

“高精尖”領(lǐng)域是重要突破口

與傳統(tǒng)的加工和制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)有著諸多優(yōu)勢(shì)。

李延民告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，以他們正在做的航空發(fā)動(dòng)機(jī)里面的一個(gè)零件為例，如果采用傳統(tǒng)的加工方式，大概需要40個(gè)小時(shí)，而采用增材制造技術(shù)，則加工過(guò)程可控制在12~13個(gè)小時(shí)之內(nèi)。

除了時(shí)間上的節(jié)省，該技術(shù)在節(jié)省用料方面也很有優(yōu)勢(shì)。

據(jù)李延民介紹，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，從購(gòu)買(mǎi)原材料到最終加工成零部件，材料的利用率有的僅在10%~20%。

在工業(yè)制造領(lǐng)域，這已經(jīng)屬于較高水平。其他領(lǐng)域的材料利用率更低，比如蒸汽機(jī)，在10%甚至更低，很多材料都被切成廢屑, 浪費(fèi)了原材料、 刀具、工時(shí)和能源。而增材制造技術(shù)理論上可以實(shí)現(xiàn)材料100%的利用。

“當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)打一些折扣，但也可以達(dá)到80%以上。”李延民說(shuō)。

此外，在所加工零部件的尺寸和精確度方面，增材制造技術(shù)的范圍也較寬。李延民告訴記者，他們用該技術(shù)加工過(guò)超過(guò)1米的零部件，也做出過(guò)壁厚為0.1~0.2毫米之間的復(fù)雜薄壁件。

“從理論上說(shuō)，尺寸是沒(méi)有限制的，主要看機(jī)床設(shè)備能支持什么樣的尺度。”李延民說(shuō)。

GE中國(guó)研發(fā)中心制造和材料技術(shù)總監(jiān)魏斌向《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者表示，現(xiàn)在航空、發(fā)電和醫(yī)療領(lǐng)域的原材料，特別是貴重金屬和高強(qiáng)度合金的價(jià)格越來(lái)越高， 高技能勞力成本在增加，產(chǎn)品制造周期在縮短，這對(duì)工業(yè)制造技術(shù)提出了更高的要求。

“比如設(shè)計(jì)一個(gè)燃油效率更高的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)用到許多新材料，以及新的幾何形狀的零部件。如何讓這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、快速地變成真正的零件？這對(duì)制造技術(shù)提出了迫切的要求。”魏斌說(shuō)。

增材制造技術(shù)無(wú)疑是可行的解決辦法之一。魏斌還指出，在過(guò)去，復(fù)雜零件生產(chǎn)成本過(guò)高及制造工藝的局限在一定程度上限制了設(shè)計(jì)人員的思維。而增材制造技術(shù)是把三維的零部件“切”成兩維來(lái)實(shí)現(xiàn)，過(guò)去因?yàn)榧庸な侄蜗拗贫苊庠O(shè)計(jì)的東西，現(xiàn)在可以重新思考。

與傳統(tǒng)加工方式相比，增材制造技術(shù)可以加工復(fù)雜零部件，且更省材料、時(shí)間和能源，因此，在航空航天、軍工、大型船艦維護(hù)等“高精尖”領(lǐng)域很有優(yōu)勢(shì)。

“這些領(lǐng)域的零部件非常難加工，傳統(tǒng)加工方式又使不上勁，所以是增材制造技術(shù)應(yīng)用的重要突破口。”魏斌說(shuō)。

走出實(shí)驗(yàn)室

據(jù)李延民介紹，GE很早就對(duì)增材制造技術(shù)開(kāi)始了研究和應(yīng)用。比如，用該技術(shù)進(jìn)行零件的修復(fù)和再制造，這方面GE已經(jīng)有近20年歷史。

而將該技術(shù)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件，則處于“剛剛從實(shí)驗(yàn)室走出”的過(guò)渡階段。

魏斌告訴記者，使用該技術(shù)制造出的零件，性能還需要進(jìn)一步優(yōu)化。“畢竟是一層層‘堆’出來(lái)的，而不是鍛造出來(lái)的。而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，對(duì)零部件的材料性能和使用壽命非常看重。”

不過(guò)，魏斌同時(shí)表示，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，可以用于生產(chǎn)部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。對(duì)于一些對(duì)強(qiáng)度、性能要求很高的零部件，則仍然處于測(cè)試階段。“必須有大量測(cè)試數(shù)據(jù)的積累，才能決定是否能真正替換掉傳統(tǒng)手段制造的零部件。”

此外，作為一項(xiàng)新興的制造技術(shù)，增材制造還需要進(jìn)一步普及，以形成規(guī)模效益，降低成本。

“只有當(dāng)價(jià)格和性能都滿足市場(chǎng)需求后，才能作為一個(gè)可普及的生產(chǎn)手段。”魏斌說(shuō)。

據(jù)了解，GE全球研發(fā)中心在4月底成立了增材制造實(shí)驗(yàn)室。魏斌表示，此前GE全球研發(fā)中心也有一些實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行相關(guān)研究。之所以成立專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室，則是因?yàn)镚E認(rèn)為該技術(shù)已經(jīng)到了從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用的關(guān)鍵期。

“我們成立這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，主要想集中力量突破目前的一些技術(shù)瓶頸，并探索更多的應(yīng)用。”魏斌說(shuō)。

西安交通大學(xué)教授、機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李滌塵一直關(guān)注快速成型技術(shù)的發(fā)展。在他看來(lái)，GE將增材制造技術(shù)應(yīng)用于超聲傳感器和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件制造，充分體現(xiàn)了國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)快速將新技術(shù)與傳統(tǒng)領(lǐng)域相結(jié)合，并形成生產(chǎn)力的特點(diǎn)。

據(jù)他介紹，國(guó)內(nèi)也在開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究。例如西安交通大學(xué)開(kāi)展的空心渦輪葉片制造的研究，清華大學(xué)和六二五研究所開(kāi)展的電子束制造金屬零件的研究，華中科技大學(xué)、北京隆源科技公司、機(jī)械科學(xué)研究院開(kāi)展的鑄造方面的研究，以及西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)開(kāi)展的激光直接制造金屬零件的研究等。但是，總體而言，國(guó)內(nèi)企業(yè)的應(yīng)用量和技術(shù)拓展力度還不夠大。

李滌塵告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展不夠好的原因，一方面是相關(guān)研究的國(guó)家投入比較少。另一方面，我國(guó)制造業(yè)目前仍以批量制造為主，靠低成本贏得市場(chǎng)，相對(duì)而言，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的投入較少。而增材制造在小批量制造方面具有優(yōu)勢(shì)，尤其適合在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

“可以說(shuō)，增材制造技術(shù)的普及程度，代表著一個(gè)國(guó)家的產(chǎn)品創(chuàng)新和創(chuàng)意能力。”李滌塵說(shuō)