十年磨一剑 GE的3D打印技术探寻之路
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  打玩具、打书包、打模型,3D打印就不能打点真家伙吗?打心脏?打飞机?打印整个世界?3D打印真能颠覆传统制造业?

  5月15日,上海浦东,晴。

  GE中国研发中心的工程师们仍在埋头研究3D打印技术。就在这之前,他们刚刚用3D打印机成功打印出了航空发动机的重要零部件。与传统制造相比,这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。来不及庆祝这一喜人成果,他们就又匆匆踏上了新的征程。鲜为人知的是,他们已经秘密研发3D打印技术十年之久了。

  GE为什么要研究3D打印技术?GE是如何实现上述成果的?GE又打算将这一技术应用在哪些领域呢?

  十年研发路

  话还要从头说起。

  十年之前,也就是2003年。那时,3D打印技术远没现在这么火热,GE中国研发中心就意识到了这一技术的广阔前景,并专门组织团队去研究这一技术。

  GE看到了什么呢?

  GE看到的是未来和变革。在GE看来,在一些领域,3D打印技术能够有效克服传统设计和制造的不足,甚至带来设计上的变革。举例来说,某些零件只有设计成非常复杂的形状才能达到性能的最优,比如更强的机械性能、更轻的重量等。而过于复杂的形状对于传统制造技术,无论是铸造、锻压或者切削加工而言,都很难实现。或者说,即使能够实现也要付出巨大的代价。

  比如说,不规则的蜂窝状才能实现某一零部件的最佳性能,而传统制造却很难实现。无奈之下,研发人员只能按照传统制造技术容易实现的几何形状去重新简化设计。这种简化包括将复杂的零件拆成几个零件,分别制造好之后组装在一起;也包括将一些很难加工的几何形状简化成容易加工的形状,从而使得传统技术能够制造出这样的零件。毫无疑问,这些都是对零件综合性能的一种妥协。

  性能的妥协是一方面,材料的使用量也会随之而增加。对于像航空发动机这样的领域,零件的减重往往是设计和制造工程师们持之以恒追求的目标。因为每减轻一公斤的发动机重量,所带来的燃油欧诺墓毕锥际欠浅>薮蟮摹

  除此之外,众所周知,航空发动机里形状复杂的零件又很多,传统的设计理念和制造技术面临越来越多的挑战,而3D打印正是能够从根本上解决传统设计理念和制造技术所无法解决的问题。正是基于这样的出发点,GE于2003年正式启动了3D打印的项目研发,所针对的对象就是航空发动机中制造难度大的零件,力图通过3D打印技术将零件的开发和制造成本大幅度降低,同时显著缩短产品的开发周期。

  3D打印技术有几种不同的技术路线,而GE中国研发中心主要从事的是激光烧结技术。该技术是以激光为热源对粉末压坯进行烧结的技术。据了解,传统的3D打印技术往往只能打印塑料等材料,而激光烧结技术的一大优势就在于可以打印金属材料。也就是因为这一点,外界才会认为3D打印技术有可能颠覆传统制造业。

  其实,在这一技术上GE并不是从头做起。简单的说,利用这一技术,如果将粉末压坯烧结成立体的零部件,外界称之为3D打印。如果将粉末压坯只烧结成一个平面并应用在表面修复上,业界称之为激光熔覆技术。

  某种程度上,激光熔覆技术和3D打印技术原理上非常类似。与传统堆焊、喷涂、电弧焊以及电镀等修复和表面工程技术相比,激光熔覆技术可以使涂层材料与原来的基体材料的表面有效的结合,从而显著改善基层表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温程度。

  据业内专家介绍,国内的不少企业都已经掌握了激光熔覆技术。在现实中,这一技术也早已得到了广泛的应用。如,汽车发动机的阀门总是一张一合,非常容易坏。熔覆上一层其他材料后,寿命就会明显提高;很多机床的刀具上也是熔覆了一层其他坚固的材料,从而有效提高了刀具的强度;钢铁厂的轧辊工作环境十分恶劣,用该技术熔覆上一层耐高温材料后,性能会显著提高。众多模具内部的损害往往也是靠该技术去修复。可以说,该技术的应用范围和应用前景都非常广泛。

  GE在激光熔覆技术上也已经有了超过20年的应用历史了。据GE的研发人员介绍,GE在新加坡有一个发动机叶片的维修工厂,每年要用激光熔覆技术修复的发动机叶片就高达上万个。与传统的修复技术相比,该技术显著提高了修复的速度和成本。

  真实应用前景

  在激光熔覆等技术的基础上,GE的科学家们又踏上了研究3D打印技术的征程。他们或许没有想到的是,弹指一挥间,十年就匆匆飞逝。

  为什么这么慢,难在哪里?

  这其实就涉及到了3D打印的核心竞争力。虽然以GE为代表的众多企业都掌握了激光熔覆技术,虽然这一技术和3D打印技术原理类似,但两者在难度程度上大有不同。在业界专家看来,激光熔覆技术毕竟只是平面二维的技术,对控制、软件、运动、材料、激光技术等要求都比较低,而3D打印技术要打印的零部件往往极其复杂,对各方面要求非常高。

  那什么才是3D打印的核心竞争力?

  GE的一位研发人员告诉《中国机电工业》,任何一项制造技术的基础都是装备,3D打印技术也不例外。技术装备在3D打印中起着举足轻重的作用,是这一技术的硬件。工欲善其事,必先利其器,没有好的工具,也很难制造出好的产品。在这一点上,GE本着自己一贯的坚持选用最好的激光器,最好的数控系统,采用严格的材料供应制度,以确保技术装备的先进性。但光有装备还远远不够。

  相对于作为技术基础的装备而言,在GE的该研发人员看来,以先进设计理念、运动控制技术、材料科学掌控、激光控制为核心的工艺开发能力才是其金属3D打印的核心竞争力所在。

  同样的设备,不同的人使用所制造出来的零件会有天壤之别,这背后的关键就是对工艺的理解和掌握。据记者了解,国际知名金属材料3D打印龙头企业EOS,它的设备的核心部件比如软件系统、激光扫描头、机械系统等都是采购或者委托制造的。EOS的核心技术就在于它是怎样把这些系统集成起来,根据所开发的工艺参数找到最佳的匹配关系,而GE所关注的也正是如何在使用最先进的硬件设备的前提下不断提高自己的工艺开发水平,使之能够制造出满足使用要求的零件。

  毫无疑问,任何一个工艺性的技术都是一个积累的过程。有国内专家指出,国内也有企业能用3D打印机打印出零部件,但性能会差很多。不能说拿来一个设备,两天就能做出世界一流的产品。很多时候就像爱迪生一样,试了几千次才能找出做出好的照明灯的方法。

  一天、两天,一个月、两个月,一年、两年,你背后积累的知识库越来越大、越来越雄厚时,才能支撑你达到你想要的目标。

  在十年的时间里,GE中国的研发人员通过不懈努力、针对GE的产品零件,在系统设计、工艺开发、运动控制、材料数据、激光控制等多方面不断探索,总结成功和失败的经验,积累了大量的经验。

  十年磨一剑,正是依靠这些深厚的积累,他们才能够成功地将钛合金材料打印成飞机发动机风扇叶片的前缘。与原来传统制造工艺相比,由于3D技术不用开模、冲压、切削和组装,据GE内部自己的评估,这将能降低约30%左右的生产成本、缩短40%的制造周期。同样重要的是,传统制造工艺的材料利用率只有10%~20%左右,而3D打印技术却可以大幅度提高材料的使用效率。

  而就在GE中国研发中心埋头钻研3D打印技术的同时,GE美国总部也在紧密的观察着这一技术。它们发现了一家名叫MorrisTechnologies的3D打印创业公司。这家企业规模并不大,只有130名员工,却在3D打印核心的工艺技术开发上积累了多年。如今,它们已经有实力利用激光烧结技术将多种金属材料打印成各种复杂的零部件。

  2012年11月20日,GE成功的将这家企业收入囊中。紧接着,GE利用这一技术生产了LEAP航空发动机上的喷嘴。据《麻省理工科技评论》报道,在这一发动机喷嘴上,3D打印的陶瓷矩阵可以有效提高发动机的散热效率,降低发动机的工作温度,从而不再需要原来的额外散热部件,以往用于降温的那部分空气也可以直接用于燃料燃烧,效率提高非常明显。据称,GE已经计划用3D打印技术批量生产25000个这样的喷嘴,并于未来投入使用。

  除此之外,据报道,GE还计划将此技术应用于医疗机械、电力设备的零部件制造上,而GE中国研发中心也正在积极评估这一技术在GE其他业务集团的应用可能性。

  那么,3D打印是否真的可以颠覆传统制造业呢?

  GE似乎不这么认为。在GE的该研发人员看来,3D打印技术其实是传统制造技术的提升和补充。传统的铸造、冲压、切削在大批量生产时有自己成本上的优势,而3D打印技术也将在复杂结构以及特殊要求的地方找到用武之地。

  GE全球研发中心先进技术负责人迈克尔埃德戚克也持同样的观点。其在接受《瞭望东方周刊》专访时表示,3D打印技术与传统制造是一个融合的过程。传统制造技术加工成一个毛坯,然后用3D打印堆积其他附加件。在他看来,3D打印将在一些高性能、多品种、小批次的产品中发挥作用。他甚至预测,三年内,3D打印将在航天、医疗等领域应用,之后随着技术的进一步完善,成本的进一步降低,该技术将在更多的领域得到应用。

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