3D列印，這個加法不簡單

首屆中國（哈爾濱）航空航天3D列印材料及應用製備技術博覽會上，小型3D印表機列印出的精緻工藝品吸引觀眾駐足。

首屆中國（哈爾濱）航空航天3D列印材料及應用製備技術博覽會上，一台小型3D印表機正在列印小老鼠。

展示區展示的3D列印鈦合金牙齒。

將一件東西製作出來，有幾種辦法？在近日舉辦的首屆中國（哈爾濱）航空航天3D列印材料及應用製備技術博覽會暨高峰論壇上，有專家稱，製造業有三大製造法，它們是等法、減法、加法。

青銅器時代，人們將原材料熔化澆鑄成形，成品的材料與原材料相等，這是製造業的「等法」；傳統工業時代，人們拿到原材料，車銑刨磨，去除多餘的部分，最終成型，這是製造業的「減法」；數字製造時代，3D列印則讓製造變成「加法」，通過計算機分層軟體將物體的三維模型進行均等切分，還原成二維的切面，然後一層一層累積列印出來。所以3D列印又被稱作增材製造，被譽為將帶來「第三次工業革命」的新技術

加法是數學中最基礎最簡單的法則，但在製造業中，3D列印這個「加法」卻並不簡單。想知道它的不凡之處在哪嗎？請聽記者為您一一道來。

加法的應用不簡單

增材製造具有柔性化、低成本、集成化、智能化特點，發展潛力巨大

3D列印的產品常常很酷炫。

在中國航天科工集團有限公司增材製造創新中心的展示大廳里，就擺放著一些「酷炫」的部件：它們結構複雜，不少還有精緻的鏤空，有的似花兒盛開，有的如蜂窩集簇。

「這些零件用傳統機器加工手段實現不了。」中國航天科工增材製造創新中心工作人員李明亮介紹，傳統機械加工通過切削等方式對原材料進行減材製造，而3D列印是將增材製造粉末一層層疊加，最後完成零件的製造。在航天領域，絕大部分零件並不規整，常常外形獨特且需保證足夠輕便，因此，增材「從無到有」的疊加方式比傳統機械加工「從多到少」的切削方式更為高效。

「增材製造具有柔性化、低成本、集成化、智能化的特點，在航天領域蘊藏著很大發展潛力。」航天科工集團第三研究院院長張紅文研究員說，航天產品中，內部輕量化異型精密構件、中小型超複雜薄壁帶型腔構件、支撐骨架+外表蒙皮的複雜結構件、艙體骨架梁框類等大型主承力整體構件，對增材製造的技術需求尤為迫切。比如有一種常用的航天產品構件，使用傳統製造技術非常複雜，而用3D列印技術可以把製造周期從兩個半月縮短到10天，成本能夠降低三分之一。

張紅文介紹，增材製造可以推動產品設計創新，使產品結構一體化，可將數十個、數百個甚至更多零件組裝的產品一體化設計後，3D列印一次製造出來，大大簡化了製造工序；並可使結構更加緊湊，大大減少了質量與體積；還可節約製造和裝配成本，消除裝配誤差。

北京航空航天大學教授王華明院士表示，3D列印技術已成為製造技術大家庭中的「明星成員」，但這並不意味著所有構件都適合使用3D列印技術來製造。「3D列印技術應該用於製造尺寸非常大、結構非常複雜、性能要求非常高的構件。因為在這類構件中，3D列印技術與傳統的減材加工技術相比，更能節省材料、方便加工、縮短周期、降低成本。」

王華明還列舉了中國C919大型客機的例子。該機型機頭駕駛室的主風擋窗框，就是用3D列印技術製成。「中國商飛公司如果從國外訂貨，周期至少兩年，僅模具費用就需要1300萬元。他們找到我們時工期僅剩55天，我們不但如期完成，還將成本降至120萬元。」

加法的材料不簡單

3D列印帶來了原材料的革新，生產出很多新型材料

3D列印這個加法，顛覆的不僅是製造技術和製造設備，它也帶來了原材料的革新。

「3D列印既是新工藝，更是新材料。」王華明介紹，他率領的研發團隊在3D列印研發實踐中，可以合成很多用傳統方法無法合成的材料，也可以解決傳統製備材料過程中無法解決的天花板問題。

比如研發團隊為AP1000核電機組列印的管道，長15米、直徑6米、管壁厚度超過200毫米，是個龐然大物。由於核電對於安全性能要求極高，鋼材往往需要加碳來提高強度。然而，當鋼中碳含量升高時，硬度、強度雖然提高，塑性、韌性卻會降低。按照傳統製造方式，核電用鋼必須要達到0.20的含碳量，才能滿足強度需要。而當它們用3D列印來製造時，奇蹟發生了：列印出的鋼材含碳量僅為0.04，強度卻比傳統冶煉方式制出的鋼材還高。原因在於，3D列印出來的鋼材晶粒可以達到微米級，並做到絕對均勻，這是傳統冶金技術無法做到的。

「含碳高的鋼材脆，不能在低溫下使用。這種鋼材卻可以在零下10攝氏度到零下95攝氏度中使用，這是技術革命。」王華明說，3D列印變革了冶金技術，「我們以後將使用3D列印生產極端條件下的材料，這是重要的發展方向」。

3D列印的原材料與普通製造業原材料有很大不同，達數百種之多，目前以金屬粉末材料和高分子線材最為常見，而工業製造中大量採用的是金屬粉末材料。據統計數據分析，2016年，全球增材金屬粉末市場達到2.5億美元；預計到2025年，將達到50億美元的規模，年複合增長率將近40%。

「在我國，增材製造產業可謂設備先行了一步。現在，國內做設備的企業如火如荼。而隨著整個增材製造裝備的快速發展，增材粉末市場未來也會大有可為。增材製造對粉末材料的要求很高，不僅球形度、流動性、松裝密度要好，還需要很低的含氧與雜質含量等優異性能，這與傳統的冶金粉末材料有明顯區別。」航天海鷹（哈爾濱）鈦業有限公司副總經理劉振軍介紹，由於鈦合金具有熔點高、活性高的特殊性質，增材製造專用鈦合金粉末是製備難度較大的一種耗材粉末。他所在的海鷹哈鈦公司通過兩年時間，先後突破了真空感應懸浮熔煉、惰性氣體霧化制粉等多項關鍵技術，完成了首台國產冷坩堝真空感應熔鍊氣霧化鈦合金制粉設備的集成製造，實現了增材製造專用鈦合金粉的生產，打破了國外增材製造金屬原材料的市場壟斷和技術封鎖。

據悉，該項目投產後，每年可生產30噸優質鈦合金粉末產品，一方面解決了國家軍工、國防單位所需要的高性能鈦合金粉末供應；另一方面，也促進了國內金屬粉末製備技術發展，提前布局未來全球增材製造原材料市場。

加法的前景不簡單

3D列印是推動製造業向智能製造轉型的重要力量，發展勢頭迅猛

3D列印是一項顛覆性的創新技術，被美國自然科學基金會稱為20世紀最重要的製造技術創新，進入21世紀後，更是推動製造業向智能製造轉型的重要力量。

「3D列印始於1986年，從2010年左右開始，發展大幅度加速。從它的市場規模來講，1995年時才3億美元，2016年已達到60.6億美元。」香港城市大學副校長呂堅教授說。

我國雖為3D列印行業的後起之秀，但發展勢頭迅猛。2012年至2016年，國內3D列印產業市場規模由1.61億美元增至11.9億美元，佔全球市場規模的比重由7%升至19.64%。目前，我國3D列印主要集中在家電及電子消費品、建築、教育、模具檢測、醫療及牙科正畸、文化創意及文物修復、汽車及其他交通工具、航空航天等領域。其中，3D列印最大的需求分別來自民用消費、工業設計和航天軍工。

「增材製造技術是一個縱向產業鏈超級長，橫向覆蓋面超級廣的技術。」西安國家增材製造創新中心副總工程師、金屬材料研究所所長張麗娟說，3D列印技術從材料到軟體、裝備、工藝、後處理以及應用是一個縱向的長產業鏈；而它的橫嚮應用領域涵蓋航空航天、醫療、民生、建築等很多領域。「我國要在智能製造中趕上先進國家，必須進行跨領域跨單位合作。」

為此，一些企業已經開始布局3D列印全產業鏈的開發。

中國航天科工增材製造創新中心副總監侯繼偉說：「我們不僅發展3D技術，還要發展整個產業。」簡單來說，3D列印產業鏈需要具備材料提供商（上游）、設備製造商（中游）、服務提供商（下游）3個環節。目前，航天科工在產業鏈的上中下游均有布局，在金屬增材製造粉末材料研發、面向增材製造的結構設計優化、增材製造成形工藝開發、增材製造裝備自主研製等方面，取得了多項關鍵技術突破。

與此同時，一些領域則對3D列印技術有著更多需求。

「增材技術具有個性化定製的特點，在航空航天領域具有非常廣泛的應用。航空工業基本是屬於小批量生產的行業。從成本而言，增材製造在小批量生產方面具有優勢。世界上最大的航空公司如空客公司、波音公司，每年飛機的總產量也不過在700架左右，因此採用3D列印技術對於這個行業具有相當重要的意義。」中國商用飛機有限責任公司增材製造中心主任張嘉振介紹，中國商飛公司大飛機上使用的一些零件就是3D列印製造的。他表示，3D列印這種革命性技術未來在航空領域的應用還將更加深入廣泛，會影響到飛機的預研、設計、生產、取證、客服、回收等各個環節。

總之，3D列印是一種代表未來的製造技術，它還有很長的路要走，還將開拓更廣大的應用地圖。經濟日報·中國經濟網記者 佘惠敏撰文/攝影

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