增材制造与汽车开发

国家增材制造创新中心卢秉恒 朱刚2023年8月23日 增材制造技术的发展现状及趋势 增材制造在汽车领域应用 航空航天等领域的应用 国家增材制造创新中心介绍 1.1创新中心简介 口首批《中国制造2025》五大工程之首的国家级制造业创新中心口以国家战略自标和制造业创新发展为导向，通过多学科交叉创新和政产学研金用协同创新，打造完整的创新链，引领增材制造发展，带动整个制造业的转型升级 1.2人才队伍 创新中心定位 致力于技术成熟度4-7级的行业前沿、共性和关键技术的研发技术转移转化，助力基础研究技术成功跨越“死亡之谷”，为行业发展提供竞争能力。 建设内容 建成技术研发、中试、公共测试、制造服务、产业孵化、投融资和人才培养于一体的创新平台。 国家增材制造创新中心 研发中试平台： 拥有各类金属、非金属打印设备111台，已累计服务企业150余家 建成了三大创新能力平台，2020年1月通过验收 面向行业用户提供工艺技术解决方案、中试验证、检验测试等一站式创新服务能力 公共测试平台： 拥有各类设备70台，达到72类的检测能力，已向行业提供7400余项检测服务 共性技术与服务平台：网联筑梦云平台已入网82家服务 》关键器件与软件研发 企业、200多家用户、1340台设备 国家增材制造创新中心可孵化成果 ■六大板块 ■高端装备一-增减材一体化、连续扫描SLM、CMT装备等 飞机大型件集成制造一一大飞机、通航飞机、无人机及其发动机 精准医疗一齿科正畸、骨科导板、手术模型 文化创意一一首饰、仿古、家具/家居、城市雕塑 建筑3D打印-一低层住宅、临时建筑 孵化前景：创建25个左右企业，年产值500亿，利税50亿元 增材制造（3D打印） 口3D打印简介 ■3D打印--工艺方法的大变革 AM=0：等材制造（铸锻焊）-3000年AM<0：减材制造（车铣磨）--300年AM>0增材制造--40年 2013年麦肯锡报告列举12大颠覆技术中，3D打印名列第九，排新材料和页岩气之前。预测2030年将达到0.6-1.2万亿美元 3D打印技术的迅猛发展： 金属增材制造成为主流制造技术 ·主要工艺 优点：·尺寸大效率高·材料利用率高·成本低 优点：缺点：·成形梯度构件牛·变形大·修复再制造粉末利用率低 缺点：·精度低余量大 优点：·精度高复杂结构 优点：·难熔金属精度高复杂结构 缺点：小型件·成本高·效率低 缺点：小型件成本高 增材制造是制造创新的引领性共性技术 口补中国制造短板，引领创新 ·产品快速开发一航空航天、汽车、IT ●产品的个性化定制一医疗 ·制造模式创新一个性化消费品，双创平台 创新产品结构一一体化集成，释放设计创新空间 ·控形控性创新一材料制造一体化 ·增量走向增材一多材料功能梯度，材料发挥最大效益 ·增材走向创材一引领材料科技创新 ·创材走向创生一引领生命学科创新众 2.4技术发展趋势 口全球本领域技术发展重点：中国工程科技2035发展战略研究 技术发展趋势 口生物打印（5D打印）将使类生命体及器官再造成为可能 神经网络与类脑组织打印 打印可降解/可活化乳腺植入物 工程神经组织与人体的融合 与乳腺组织的力学柔性匹配材料降解与组织生长相匹配 活性脑组织工程化构建探索 系统仿生 结构仿生 打印可跳动的血管化心脏 ·微纳打印电传导纤维模拟电信号刺激网络 机理仿生 打印可呼吸的血管化肺泡 三维微血管网络的生物水凝胶打印血管流动与呼吸功能的关系 Lee et al. Science, 2019, 365, 482-487 增材制造产业发展趋势 全球：预计2025年全球市场规模将达到298亿美元，2022-2025年增长率为18.3%；20252030年增长率预计达23.4%将达到853亿美元 我国：2012-2022年，年复合增速为41.42%2023年预计产业规模超400亿元。从2015年到2025年，全球汽车行业的3D打 印收入将以34%复合增速增长 增材制造产业分布 3D打印走向三分天下 >增材制造未来可期--数万亿的GDP ●中国2019年GDP为99.09万亿元，制造业占比近30%·增材制造将从技术概念上的三足鼎立走向价值分享的三分天下 增材制造与汽车开发 基于增材制造的创新设计 口产品性能及需求驱动正向设计 口使用拓扑、形状、形貌优化、点阵结构设计、参数优化等创新设计技术口工艺设计与工艺仿真进行工艺优化，快速实现产品的创新设计与制造 拓扑优化 点阵/栅格结构设计 用点阵/栅格结构代替零件实体结构，在实现轻量化的同时还可以改善其相关性能。不仅具有高的强度质量比或刚度质量比，同时还具有能量吸收、散热隔音等性能，是实现零件轻量化设计的一种新途径。 一体化设计 一体化设计不仅实现了复杂多部件一体化，还能够有效减少连接结构（法兰、焊缝等），帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计，使得零部件最终达到功能集成、数量减少、重量减轻、性能优化的目标。P20I 快速研发 口采用增材制造进行新产品的研发，可以显著降低制造成本和周期 EDAG在2014年IAA汽车展上整体车辆概念演示：增材制造、仿生优化结构 关键部件制造 口关键构件采用仿生设计、拓扑优化等创新技术设计，并用增材制造，显著提高部件及整机性能 吸能结构 口开展吸能结构的创新设计，并采用增材制造，可以显著提高吸能效果 高性能减震结构 口基于增材制造技术的材料-结构优化，可以针对特殊环境设计减震装置 热交换器设计 口多种方法可以利用增材制造优势获得更高效的热交换器，最常见的是通过使用点阵晶格结构，针状鳍片和微通道来增加可用于热交换的表面。 通过增材制造方法可以制造具有薄壁、复杂曲面特征的零部件与相比，在减轻零件重量、降低制造缺陷及提高热交换效率方面有很大优势。 随形冷却模具 增材制造技术使得随形冷却模具的设计和制造摆脱了传统制造中交叉钻孔的限制，使得内部通道更靠近模具的冷却表面，更小的流阻提高了冷却液的效率此外，随形冷却水路还可以根据冷却要求进行不同的冷却回路设计，从而以一致的速率进行散热，提高散热的均匀性。 内流道管道设计 优化约束：五个出口孔的流量达到给定值 优化目标：入口压力最小 优化后流阻降低11.4% 增材制造非常适合复杂内流道零件的制造，降低重量、提高流动特性 结构一体化 采用金属3D打印的雷诺卡车DTI5Euro6发动机 原始机零件总数为850，金属3D打印发动机零件总数减少200多（减少25%），重量从1155磅（525KG）降至880磅（400KG），并成功完成600小时试车 备件及工装夹具 口增材制造是进行备件快速制造的最佳方法 我们做的汽车开发 轻卡冷却模块 以提高性能和轻量化为目标，基于增材制造工艺特点，实现流阻降低19.8%，重量降低15%，散热量提高约28% 轻卡车架一体化设计 基于车架的载荷工况，设计一体化多功能结构，大幅减少车架的零部件数量及整体重量，并提高结构可靠性 验证装备---五轴联动增减材一体化应用于维柴发动机开发 为中国重汽开发---车架用增减材一体化装备 增材制造与航空航天 增材制造告（3D打印） 口再设计--3D打印可带来产品装备的颠覆性变革 1GE公司3D打印飞机发动机喷油器：提高燃油效率15%，发动机前进了一代，1/3零部件3D打印生产 ■3D打印概念汽车：2万个零件集成为40个，6天打印完成且减重1/3 ■概念飞机，减重60% Relativity公司打印整体火箭高33.5米，85%的质量采用3D打印制造，只有100个零件。成本下降为传统制造的1/6相比传统制造所需的12到18个月可以将制造火箭的周期控制在60天》3月23日一级火箭点火成功，增材制造的重要突破 航空航天正在从试制走向小批量制造 、波音、空客、惠普、巴斯夫、拜耳、杜邦、霍尼韦尔、中航工业、中国航天（1、3、4、5、8院）、中国商飞等企业加速布局3D打印；航天6院已经建立100台金属打印机的车间，为多个型号发动机打印零部件 航空航天增材制造从试制走向小批量制造 >从试制验证走向小批量生产 NASA为太空发射系统（SLS，计划2022-2023年发射）创新设计的RS-25火箭发动机大量采用3D打印部件：零件数减少80%，蓄能器焊接点减少78% 集成、轻量化、高效 》NASA已经开展的加速SLM技术在航天发动机整机整体化设计制造中的应用验证。 SLM已成为推动航天发动机制造领域快速发展的核心技术 创新中心无人机发动机 开发的五米金属熔丝增减材氧化铁装备 口创新中心开发的Φ5m×5mCMT增减材一体化设备--提供最终零件，i避免再定位误差 MWAM50005mx5m熔丝车铣增减材复合一体机 3m大尺寸构件双丝增减材制造系统 应用案例 口船用螺旋浆 船用铜合金螺旋浆一体化制造时间35h CMT打印的铝合金燃料储箱--直径近1米的空心壳体 >开发的电子束成形装备，直径1.5米，高度1.5米>解决航空发动机及冲压发动机关键件的整体制造 航空航天发动机制造的新赛道 3D打印发展趋势 黄奇帆：今后二三十年，能够形成万亿美元级别市场的“五大件”自前已经初现雏形。 ·无人驾驶的新能源汽车家用机器人●头戴式AR/VR眼镜或头盔柔性显示3D打印设备 结论与建议：--关于工业母机 增材制造是制造业创新的驱区动器增减材复合装备是机床产品发展的重要方向要走新赛道，不要总在老路上追赶工业母机的国家计划及产业布局要三材并举