增材制造关键技术应用现状简介

  作为第三次工业革命标志的3D打印技术，经过二十多年的发展，其相关技术领域逐渐成熟，应用范围逐渐扩充。根据美国专门从事增材制造技术的技术咨询服务协会Wohlers发布的年度报告显示，对各行各业对增材制造技术的应用进行了分析，可以看出，3D打印技术目前在消费电子、汽车、医疗牙科、科研用途应用较多。

1、增材制造关键技术在生物领域应用

 在生物制造领域，增材制造技术得到了广泛关注和发展，该领域也是增材制造技术研究最前沿的领域。“细胞打印”是增材制造技术与生物制造技术的有机结合，解决了传统组织工程难以解决的问题，利用计算机控制含细胞液滴的沉积位置，在指定位置逐点打印，层层叠加形成三维多细胞/凝胶体系。2010年6月，美国Organovo公司成功研制的“按需打印”患者所需的人体活器官的机器，其打印原理如图2所示；2011年9月，德国科学家团队成功研制出人造血管，如图3所示，该成果有望成为广大器官移植者的福音;2013年2月20日，美国康奈尔大学的研究人员利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，如图4所示，该技术有望用于先天畸形儿童的器官移植；2月，英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术工程，利用真空阀门式3D打印技术，将3D打印拓展到人类干细胞范围。目前生物制造领域的研究主要为一些国外的科研机构，我国在这一领域的研究离国外还存在一定差距。

2、增材制造关键技术在航空航天领域应用

 在航空航天领域，随着新一代飞行器不断向高性能、高可靠性、低成本方向发展，越来越多的航空航天零部件趋向于轻量化、高强度、复杂化，从而推动了增材制造技术的大发展。欧美等国已将增材制造技术视为提升航空航天领域水平的重要关键技术之一，并且得到了极大应用，利用增材制造设备打印航空发动机工作流程如图5 所示。美国GE公司收购了专门开发激光烧结金属粉末技术的Morris Technologies公司，组建了大规模制造加工中心，并在世界范围内举行喷气发动机负荷支架设计竞赛，最终来自印尼的M Arie KUＲNIAWAN的设计因刚度和轻量化的最佳组合获得冠军，设计产品如图6所示。美国NASA正研究利用3D打印技术打印望远镜，以减小加工制造成本，太空望远镜3D打印原理如图7所示。此外，NASA选用“选择性激光熔融”3D打印工艺，将镍铬合金粉末逐层堆积熔化，形成两个零件组成的喷嘴，并成功通过火箭发动机点火试验。在我国，北京航空航天大学王华明教授团队突破了钛合金、超高强度钢等关键构建激光成形工艺、装备、关键应用技术，研制了五代激光熔融沉积制造装备，成型能力为4m×3m×2m，其主持的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”项目获得国家技术发明一等奖，打印的大型复杂整体构件如图8所示。西北工业大学黄卫东团队依托国家凝固技术国家重点实验室，研制成功系统集成完整，技术指标先进的激光熔融沉积成形装备，为航空、商飞等企业提供了多种大型桁架类钛合金构件。华中科技大学史玉升团队在激光选区熔化成形和激光选区烧结成形方面从装备研制、工艺研究和机制研究方面开展了独具特色的工作，其研究成果在航天、船舶等领域得到了应用。总之，增材制造技术在航空航天等领域的研究越来越广泛和深入。