专访中国航发北京航空材料研究院副总工程师张学军研究员

中国航发北京航空材料研究院（621所）副总工程师张学军研究员

众所周知，3D打印是当前热点技术之一。自国家高度重视并加快推进其队伍发展后，3D打印产业规模迅速扩增。据统计预测，2017年我国3D打印产业规模将达到173亿元，并且未来五年（2017-2021）年均复合增长率约为41.36%，到2021年产业规模将达到691亿元。但事实上，许多3D打印行业的专业人士认为，我国3D打印仍然处于产业化初级阶段。行业缺乏标准体系化建设。新材料的研发、资本的青睐程度等仍是制约行业的发展的主要因素。而这些问题都急需各相关职能部门的通力合作，才能突出重围，从而推进3D打印产业的进一步发展。一直以来，航空航天都是3D打印技术发展的领航者。它在3D打印技术的应用和发展从侧面反映着一个国家3D打印技术的水平。为深入了解我国航空航天领域，3D打印技术发展和应用现状，近日，【材料+】记者和《中国有色金属报》到中国航发北京航空材料研究院（621所），有幸采访到副总工程师张学军研究员，为我们揭开中国航发3D打印中心神秘的面纱。

3D打印中心建立
北京航材院621所“3D打印研究与工程技术中心”（以下简称“3D打印中心”）成立于2013年，隶属先进航空材料增材技术研究的专业机构。目前，3D打印中心由高温合金、钛合金、铝合金、功能材料、生物医学制品、焊接、热处理、表面、物理冶金、无损检测、失效分析、力学性能测试等专业组成，具有显著的专业集成优势。张学军研究员表示，3D打印中心的建立有力地推动了增材制造技术在航空、航天、生物医学等领域的应用。我国3D打印产业发展至今已有25年，但产业链远没有完成，产业面临巨大的挑战。3D打印材料目前尚属初步入门阶段，很多金属打印材料都是传统铸造、焊接用的材料，而专属于3D打印的材料还没有产业化。除此之外，现在的发动机使用的熔融铸造法制造叶片，可以忍受“三高”（即高温度、高应力、高转速）。但是熔融铸造也遇到了一些发展问题。如果使用3D打印技术制备叶片，在工作时不是熔了就是断裂。因此，我们需要建立增材制造材料力学性能数据库，制定增材的制造产品无损检测及评价方法，以及目前3D打印工艺制品表面粗糙度及打印精度等制约3D打印技术实现工程化应用的瓶颈问题。在这样的背景下，3D打印中心应运而生。”


全力推进“标准”的落地
总的来说，3D打印中心的主要是作为数据库和标准评价方法的主导者。近年来，增材制造技术发展迅速，引发全球技术和产业的竞争，其中通过标准支撑和引领产业发展已成为国际共识。国际标准化组织（ISO）成立了ISO/TC261增材制造技术委员会，下设术语、方法、工艺、测试方法以及数据和设计4个工作组，开展增材制造技术的国际标准制定工作。美国材料与试验协会（ASTM）成立了ASTM F42增材制造技术委员会，开始研制增材制造技术标准。欧盟近期发布了《3D打印标准化路线图》，规范增材制造（3D打印）标准化发展战略方向。

与世界其他国家相比，目前我们国内尚未建立起统一的行业标准。国内3D打印设备生产商各自按照不同的思路和标准进行设计生产,因此无法在全国范围内建立起统一的售后和维修服务体系。国家标准的缺失也限制了3D打印行业的"出海"。虽然我国多项3D打印技术已达到国际先进水准,但目前仍主要出口到发展中国家。发达国家的标准不认可我们的设备和技术。发达国家有健全的产业标准,国内中小企业各自执行的标准得不到信任,希望国家尽快制定统一的标准体系,带领企业“走出去”。

在这种趋势下，2016年4月，全国增材制造标准化技术委员会在北京成立，主任委员由中国工程院院士卢秉恒担任，共有委员61名。同时在3D打印技术术语和定义、文件格式、工艺和材料分类、测试方法等方面启动了6项国家标准的制定工作。张学军委员告诉记者“标准的建立之所以推进的很慢，是因为之前的发展研究不集中，缺乏数据。为此，中国航发联合旗下各专业研究所。检测中心和其他相关的研究机构，由中国航发北京航空材料研究院依托单位，共同成立中国“中国航发3D打印中心”。这个中心实现从材料到工艺的全过程的研究发展，集中全力出数据，大力实质的推进标准的建立和出台。”

鉴于现在3D打印的民企“遍地开花”，可以选择和这些企业合作的问题，张学军研究员讲到：“标准是一个严谨和普适的准则。我们要确保数据的真实性。很多企业已经做得很好，但是企业和我们的目的不同，企业准求的是市场和效益。我们要确保我们提供数据的准确可靠和可重复性。因此，我们要自己去做，去掌握这里面的所有环节。”

推进3D打印技术和传统制造技术的互补发展
鉴于现在很多人提出3D打印未来可能取代传统制造技术。记者也就这一问题，咨询了张学军研究员的看法，张学军研究员说：“20年前，当有人提出使用数码相机的时候，大家都不屑一顾。现在，数码相机几乎人人一台，大家也普遍接受了数码相机。但是对于一些专业的人来说，他们还是需要使用胶片机的。也就是说，高质量的照片还是来自胶片机。数码相机跟胶片相机共存，只是功用不一样而已。3D打印和传统铸造也是这样的关系。”3D打印目前在航空领域可以用来打印具有复杂结构的部件，比如有很多内部流道的部件、一些优化设计得到的“异形件”等等。其他的构件制备，与铸造件相比，主要存在以下三个方面的差距：首先，3D打印的成本比较高。对于相对简单，可以直接铸造的零件，3D打印的部件除了生产周期短，在原料，设备和打印及后处理等，其成本远高于铸造件。这主要受制于现阶段原料和设备的进口，以及工艺的不成熟等。其次，由于3D打印过程金属粉末通过熔融再构造。这个过程内部的组织生长机理还不清楚，很难控制构件的内部质量。加之，3D打印出来的构件表面一般都比较粗糙，后序又无法再加工。这些因素都将制约着3D打印的发展。因此，未来3D打印和铸造技术在制造业的存在也是相互弥补的。在优化结构部件、减重设计、零件的再制造及一体化设计等方面，3D打印能够发挥其自身的重要作用。

另外，3D打印充分体现了个性化。目前3D打印在航天航空、生物医疗和教育产业三大领域的应用效益最为明显，但大都遭遇技术难点。在航天航空领域中，可以利用3D打印直接制造金属构件，但其疲劳强度不如锻件；在生物医疗领域，可以利用3D打印做个性化人体替代物，但是否合格还缺乏统一标准；在教育领域，设备的安全性和材质的回收利用等方面都存在技术难点，这些都制约着产业的发展。因此，张学军研究员指出：“现在和未来一段时间，3D打印中心除了大量出数据，出标准外，3D打印中心其实也在做3D打印全产业链的事情。在粉体阶段，利用基因组思想进行合金成分的优化，研究材料的制备；分析进口设备的成型工艺，设计国产设备，研究国产工艺；采用自备粉体进行打印成件；对成件品通过检测中心数据，进行评价；研究后处理工艺，这包括构件的热处理、组织调整、应力调整、热等静压、表面加工等；最后进行零件的装机试验。”

3D打印是一项前景广阔的技术。希望中国航发3D打印中心能早日打通这一高科技产业国家标准的“最后一公里”，也希望在中国航发的带领下，我国3D打印全产业链不断快速、健康发展。

来源： 材料十