增材制造（又稱3D打印）是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)將材料逐層堆積來(lái)制造實(shí)體物品的新興技術(shù)，是引領(lǐng)制造業(yè)未來(lái)的顛覆性技術(shù)。增材制造憑借數(shù)字化技術(shù)，把三維CAD模型變成切片數(shù)據(jù)，把三維制造變成二維制造，把復(fù)雜的制備流程大大簡(jiǎn)化。因此，在復(fù)雜零件的制造、在零件的首次試制、以及在材料利用率很低的制造任務(wù)方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

近日，中國(guó)粉體工業(yè)萬(wàn)里行團(tuán)隊(duì)走進(jìn)了增材領(lǐng)域唯一的國(guó)家級(jí)創(chuàng)新中心——國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心。今天就讓我們一起看看，增材中心是如何打造完整創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈，帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，探索3D打印技術(shù)的最前沿。

萬(wàn)里行團(tuán)隊(duì)與劉榮臻所長(zhǎng)、黃娜副所長(zhǎng)合影

產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：蓬勃發(fā)展

非金屬所的劉榮臻所長(zhǎng)暢談了增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀。首先，增材制造的應(yīng)用市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大。從過(guò)去認(rèn)為增材制造只有在軍工及航天航空領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，到如今已走向民用市場(chǎng)，在電子、生物、醫(yī)療、文創(chuàng)等多領(lǐng)域展現(xiàn)活力。但也依然面臨上下游適配的客觀限制。其次，理念在進(jìn)步。從科研到應(yīng)用，包括傳統(tǒng)制造業(yè)都認(rèn)識(shí)到3D打印的強(qiáng)大能力；最后，體量在增長(zhǎng)。從業(yè)者及用戶數(shù)量均不斷增加，增材制造正在填補(bǔ)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化之間產(chǎn)業(yè)化技術(shù)缺失的空白，從幾年前的技術(shù)研究階段進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的“不可能三角”

在劉所長(zhǎng)及黃副所長(zhǎng)帶領(lǐng)下，我們參觀了研發(fā)生產(chǎn)和測(cè)試部門。測(cè)試部門以應(yīng)用端為主，對(duì)工件的三維打印質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)工件的力學(xué)性能、微觀組織分析、無(wú)損檢測(cè)等。研發(fā)生產(chǎn)部門的3D打印設(shè)備有傳統(tǒng)的熔融沉積成型（FDM）打印、電子束熔融成型（EBM）、金屬3D打印機(jī)（SLM）等，配套有磨粒流拋光、電解拋光裝備等，不同設(shè)備具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)，比如磨粒流拋光處理大件，電解拋光處理小件（全部浸入電解液處理）。劉所總結(jié)：3D打印設(shè)備的種類可按材料投放形式、能量投放種類進(jìn)行區(qū)分。

在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的過(guò)程中，成本、精度、效率三者形成“不可能三角”，三者無(wú)法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，沒(méi)有完美的設(shè)備，只有適合產(chǎn)品性能與生產(chǎn)的設(shè)備。國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心采用先進(jìn)的技術(shù)和裝備，形成面向增材制造產(chǎn)業(yè)需求的創(chuàng)新能力，為用戶提供中試驗(yàn)證、檢測(cè)測(cè)試、工藝技術(shù)解決方案等一站式服務(wù)。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)

大眾對(duì)于增材制造的成本往往有一個(gè)核心誤區(qū)：認(rèn)為其造價(jià)高昂，這其實(shí)是忽略了增材制造產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的規(guī)模化效應(yīng) —— 當(dāng)規(guī)模擴(kuò)大后，成本優(yōu)勢(shì)會(huì)逐步凸顯。對(duì)比人工成本來(lái)看：傳統(tǒng)制造的人工分散在多個(gè)環(huán)節(jié)，不僅依賴人工操作，成本也難以壓縮；而增材制造中的人工僅起引導(dǎo)性作用，比如負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)定、設(shè)備監(jiān)控等工作，即便在后處理環(huán)節(jié)，也能通過(guò)批量化提升效率，人工集約化優(yōu)勢(shì)很顯著。再看增材制造的成本構(gòu)成，核心在于材料采購(gòu)、設(shè)備的運(yùn)行及折舊費(fèi)用。隨著后處理環(huán)節(jié)的智能化升級(jí)（如自動(dòng)化拋光），再疊加設(shè)備集中化程度高、成品率高的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)功能一體化構(gòu)件、復(fù)雜異形構(gòu)件等領(lǐng)域，其實(shí)際單位成本比以往認(rèn)為的更低，部分場(chǎng)景下已具備成本競(jìng)爭(zhēng)力。

致力于引導(dǎo)大眾關(guān)注粉體原材料差異，組織行業(yè)企業(yè)開(kāi)展增材制造技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定、實(shí)施與推廣。對(duì)于國(guó)內(nèi)粉體一致性有所欠缺的現(xiàn)狀，增材中心目前通過(guò)對(duì)粉體進(jìn)行后處理、表面改性以滿足增材制造需求，到未來(lái)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段，仍需粉體生產(chǎn)企業(yè)解決此問(wèn)題。比如深入研究隱性指標(biāo)參數(shù)，關(guān)注粉體的表面電荷、燒結(jié)活性等。

一體化解決方案

為復(fù)雜零件一體化設(shè)計(jì)制造提供先進(jìn)技術(shù)。通過(guò)研發(fā)中試、公共測(cè)試、共性技術(shù)服務(wù)三大平臺(tái),形成面向用戶提供工藝技術(shù)解決方案、中試驗(yàn)證、檢驗(yàn)測(cè)試等一站式服務(wù)能力，現(xiàn)擁有世界一流的大中小型增材制造和檢測(cè)設(shè)備230余臺(tái),并積極開(kāi)展設(shè)備能力檢測(cè),全面提升服務(wù)水平。

·高精度、凈成形技術(shù)

·實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密構(gòu)件整體成形

·使復(fù)雜構(gòu)件“功能優(yōu)先”設(shè)計(jì)成為可能

·性能超過(guò)鑄件、部分材料性能優(yōu)于鍛件

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片  三維噴涂粘結(jié)金屬件

共性技術(shù)突破核心元器件

工業(yè)級(jí)3D微滴噴射打印頭  激光變焦熔覆頭

FDM工藝用螺桿打印頭 高精度長(zhǎng)壽命新型電子槍

設(shè)備矩陣（部分）

一、金屬熔絲增減材一體化制造裝備

圍繞航空航天等領(lǐng)域增材制造大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件成型，開(kāi)展電弧、等離子熔絲、電子束熔絲、激光熔絲等成型工藝研究，與熔絲增減材一體化設(shè)備開(kāi)發(fā)，推進(jìn)金屬熔絲增材制造產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

NIIAM-MWAM-H1500（左）NIIAM-MWAM-H5000（右）

二、激光增減材復(fù)合制造裝備

增減材復(fù)合制造技術(shù)結(jié)合了增材近凈成形和減材保證精度的優(yōu)點(diǎn)，適合高精度復(fù)雜型面及具有內(nèi)孔內(nèi)腔零件的一體化制造和修復(fù)再制造，在航空、航天、核電、模具等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

NIIAM-LMDH600A（左）NIIAM-LMDH600S（右）

三、激光選區(qū)熔化成形設(shè)備

自主成功研發(fā)了多款具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SLM金屬3D打印機(jī)，可實(shí)現(xiàn)鈦基合金、不銹鋼、高溫合金、鋁基、鎳基合金、高熵合金、形狀記憶合金、金屬納米基復(fù)合材料、鈷鉻合金和貴重金屬等多種金屬及金屬基復(fù)合材料的高精度、高質(zhì)量打印成形，適用于航空航天、汽車模具、生物醫(yī)療等行業(yè)。同時(shí)開(kāi)發(fā)SLM工藝和控制軟件并已通過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證。正在研發(fā)中小尺寸系列設(shè)備、教育版設(shè)備及雙激光SLM設(shè)備。

NIIAM-RC100-N1（左）NIIAM-RC100-N2（右）

四、高性能復(fù)合材料增材制造裝備

為解決目前桌面機(jī)打印效率低，成型尺寸小的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出適合工業(yè)應(yīng)用的顆粒塑料打印機(jī)，研發(fā)的整套EDP打印設(shè)備。集成了增材制造技術(shù)、顆粒料擠出成形工藝、復(fù)合材料快速制造等技術(shù)，具備靈活的應(yīng)用、多型號(hào)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制系統(tǒng)。

NIIAM-EDP-P006(左）NIIAM-EDP-P01（右）

五、增材制造后處理設(shè)備

為客戶提供：（1）復(fù)雜金屬構(gòu)件內(nèi)外表面精整加工服務(wù)，具體包括內(nèi)外表面拋光、去毛刺、倒角、倒圓、除銹除油清洗、大長(zhǎng)徑比超細(xì) 內(nèi)孔/流道精整加工； （2）電解質(zhì)等離子后處理設(shè)備定制服務(wù)增材制造后處理設(shè)備

流道處理設(shè)備（左）大尺寸拋光設(shè)備（右）

小結(jié)

國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心瞄準(zhǔn)重要材料、核心元器件、重大裝備、關(guān)鍵工藝、核心軟件等共性關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行自主研發(fā)與技術(shù)集成、突破行業(yè)技術(shù)瓶頸，打造完整的創(chuàng)新鏈，為用戶提供中試驗(yàn)證、檢測(cè)測(cè)試、工藝技術(shù)解決方案等一站式服務(wù)。

未來(lái)，我們期待國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心能夠給我們帶來(lái)更多技術(shù)突破與創(chuàng)新成果，持續(xù)賦能增材制造行業(yè)升級(jí)！

粉體工業(yè)萬(wàn)里行