快速制造入选国家火炬计划 激光钛合金成型领先世界

日前，科技部下达了2013年度有关国家科技计划项目的通知，石家庄生产力促进中心申报的《石家庄快速制造技术创新公共服务平台建设》项目获国家火炬计划的资金支持。

石家庄快速制造技术创新公共服务平台占地面积2000平方米，现拥有激光快速成型机、三维扫描仪、数控线切割机床等各种先进设备33种，可使企业技术创新能力、设计水平和工作效率大幅度提高，产品制造周期缩短60%以上。截至今年8月底，平台共服务企业170家次，制作模型2200余件，服务企业涉及机械、电力设备、汽车制造、医疗、军工、动漫等行业。

一、快速制造技术已广泛应用于各行各业

快速成型(rapid prototyping，RP)技术是80年代中期发展起来的一种新原型制造技术，在产品开发初期，设计出所需的CAD图或STL档，并在实际生产前制作出模型以作为设计确认、产品修正、功能测试、模具开发的原始模型，即原型(prototype)。RP技术综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大人缩短产品研发周期：具有敏捷性、适合任何形状、高度柔韧或刚性、高度集成化等优点，广泛应用于机械、汽车、电子、通讯、航空航天等领域。RP技术发展至今，已开发了较多相关设备以满足各类模型制作的需要。

基于激光烧结技术的e-制造特点

德国EOS公司自1989年以来一直致力于激光烧结快速成型系统的研究开发与设备制造工作，所拥有的激光烧结技术正是EOS公司所倡导e-制造的核心技术。e-制造是指从数字档案直接进行快速、弹性、低成本的制造。这种制造方式目前能够满足从单件产品制造到个性化产品大量生产的不同需求，使产品设计与制造之间有了新的结合方式，其主要优点简称为：任何形状、任何时间、任何地方。具体说明如下：

(1)任何形状，即在任何形状下都可通过设计带动制造。基于激光烧结技术的e-制造使设计者不再受传统制造技术的限制而修改设计，造型设计师或工业设计师可实现其无穷的创意。如异型水路设计成为了改善模具散热效率以降低冷却周期的革命性设计。

(2)任何时间，即适用于产品生命周期中的任何一个阶段。e-制造适用于产品生命周期中从前置开发期到产品上市后的零组件供应中的任何一个阶段，且不受专业人员更替及工作时间的限制，通过CAD或各种设计软件所获得的3D数据可直接并快速地制作原型样品或实体零件。

(3)任何地方，即适用于任何产业。e-制造理念极具竞争优势，可轻松制作原本结构复杂及价格高昂的模具或零部件产品，设计、建筑、航天、汽车、机器人等高科技或民生工业领域均有其适用性。目前直接金属激光烧结(DMLS)技术呈现出e-制造优势，可直接烧结铜合金粉末、铝硅镁粉末、不锈钢粉末、模具钢粉末、钛合金粉末，使模具开发从快速开模(rapid tooling)进展到具有异型水路结构或几何外型复杂的高端模具制作。

金属粉末激光快速成型技术应用案例

钛应用的传统制造方法是铸造、锻造和机械加工，这些方法非常费力且成本较高。钛经常用于产量相对较小但价值重要的零件。激光烧结方法能够轻易制造出空心等轻型结构产品，极大地提高钛组件的性能和价值。钛合金有极佳的机械特性和抗腐蚀性，比重小，生物兼容性好。迄今为止，激光钛烧结主要应用于医学和牙科设备、航天和汽车及时尚行业等。最常使用的材料是EOS钛T164(细粉末Ti6A14V合金)。一些医学案例中使用低间隙元素含量的粉末或者工业纯钛粉末。

通过控制激光曝光强度生成一种含有完全致密体和多孔表面形态的混合结构，这样就无需涂层，还能提高生物活性，可以根据需要在每一次作业中生产不同种类和尺寸的螺钉，高教灵活地生产大量高性能产品。激光烧结技术能够通过计算机进行设计，在制造植牙体和相关表面时颇具特色地模仿骨骼结构的内部连接孔洞，传统的表面处理工艺不能做到这一点。

KERRIE LUFT将激光烧结技术用于制造别致鞋类，通过钛快速成型制作复杂几何形状的鞋跟，以体现其新艺术的特征。鞋跟的花丝结构需要高强度材料，选择钛最合适。

使用直接金属激光烧结技术制作模具的另一优势是改善模具效能以使生产过程获得最大成效，该技术能够节省时间和成本，而且在模具中加设冷却水路或温控管路时，可以使模具局部温度降低或达到均温，对模具进行更快速地冷却或加温处理，以缩短成型周期，且不会产生残留应力及翘曲等问题。传统的水路制作均以钻孔方式完成，其直线圆管状造型须避开相关结构或组装原件，使水路设计受到限制。而基于直接金属激光烧结技术制作的模具，给冷却水路或其他管道设计的位置及造型带来了广阔的想象空间。图3所示带有异型水路的模具需要以低廉的单价生产200万颗高尔夫球纪念品，利用直接金属激光烧结技术制作此模具的时间仅为50h，且能提高产能近20%。

二、前沿：中国掌握飞机钛合金结构件激光快速成型技术

4月底，我国科技部发布《国家高技术研究发展计划(863计划)以及国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》(下文简称《指南》)，其中备受关注的3D制造产品首次入选。近两年“3D制造”在股市上频频“翻云覆雨”，正在形成一股新的潮流，被东西方普遍认为是即将兴起的“第三次工业革命”中的先锋产业。3D制造不仅仅意味着家庭化的小型设计，更扎根于材料与技术更为多样的快速制造领域，《指南》的颁布昭示着快速制造领域在中国即将进入迅猛发展。那么“第三次工业革命”是否已经初见端倪?我国制造领域的科学家和实业家对此如何看待?让我们对快速制造领域的中外现状做一管窥，解析其中的“危”与“机”。

快速制造概念兴起于西方。如今，国内科研院所也已达到了与国际水准相当程度的科研能力：清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、中航工业制造所、中航工业沈阳所等都已经投身其中，技术成果陆续展现：中航工业制造所实现了电子束的金属直接成型增量制造技术，开发出了国内第一台电子束熔丝沉积成型设备，并已经实现大型钛合金结构的批生产能力;北京航空航天大学王华明教授的团队与中航工业沈阳所等单位展开合作，突破了飞机钛合金次承力结构件激光快速成型应用关键技术，成为当时继美国原AeroMet公司之后世界上第二个实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上实际装机应用的研究团队……同时，面向家庭和小型工厂快速制造产品的研发公司也已出现在北京、深圳、东莞等地。

诸多业内专家曾一致表示，目前我国在快速制造的核心技术方面，已与西方旗鼓相当。但科技仅仅是国家工业发展的影响因子之一，如何以此为契机，持续推动制造业转型，构筑能够最大化发挥技术优势的相关支撑体制，推动“第三次工业革命”的浪潮继续向前，已经成为了民族创造力转化为生产力过程中的关键问题，也是转“危”为“机”的关键所在。对此，西方政府的战略动向值得关注。

2002年，美国NASA制定了电子束熔丝快速成型研究规划，启动了面向太空环境的超大型复杂金属结构制造和金属零件制造研究计划。2012年，美国国防部、商务部以及国防经济委员会共同宣布国家国防制造与加工中心被选为国家快速制造创新联盟(NAMII)的管理机构。

2011年，欧盟与多家研究院所合作，成立了欧盟大型航空零件快速制造中心，其宗旨一方面推进技术研发，另一方面是跟进世界范围内的快速制造技术趋势。而芬兰等北欧诸国也在今年启动了“夏季创业”计划：旨在融合政府、企业和学术界的支持，培养制造业、数字产业和服务产业方面的创新企业，快速制造被列为重点领域之一。

如果说制造业转型对于2008年以来受制于经济停滞危机的西方国家来说是不得不为之的“背水一战”，那么对于我国来说，则正是“凭风好借力”的时候。对此，不仅国内科学家已经触及先声，我国制造业实业领军者也已经发出了召唤。

4月7日，中航工业董事长林左鸣在亚洲博鳌论坛上指出以互联网为基础，以数字化为核心的“第三次工业革命”已经迫近，并将实现由“大规模生产”向“自工业化”的转变。对于企业来说，“自工业化”所需要的产品、服务与新兴理念所创的新型价值链条将成为未来制造企业的生发趋势。这一论断不仅仅来自对于工业历史的深刻认识，更是基于对全球制造业趋势的行业洞察，为我国亟待转型的制造业指出了新的方向。

而作为敏于高端科技成果、产业链贯穿整个制造业的航空企业来说，更应抢先领跑，布局蓝海，为新科技的研发转化提供充裕的研发和转化空间，以长远眼光形成战略共识，从而早日形成高效务实的新产品研发支撑体系。这对于我国企业在未来实现产品的自主创新、与西方国家伯仲相持将具有极大的意义。