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3D打印技术已应用于制造等高端制造领域

2018-10-13

  即使对于普通人,3D打印技术也不再是个陌生概念,人们津津乐道的是用半个小时就可以打印出一个微缩版的自己。但其实,除了这些花哨的玩法,3D打印已应用于飞机关键零部件的制造等高端制造领域。

  轻触按钮,床板的上半部徐徐抬起,折叠成一个舒适的轮椅。几乎不用移动身体,老人就从床上直接出了门。这变形轮椅实际上是北京航空航天大学机械工程及自动化学院研发的床椅一体化机器人。

  事实上,3D打印、床椅一体化机器人等智能装备、以数控机床为代表的高端数控装备,正是当前全球制造业布局的战略重点。金融危机后,寻求产业转型的北京,同样将这三个领域作为发展高端制造业的突破口。2011年11月,北京市科委启动实施了以这三个领域为重点支持方向的北京高端数控装备产业技术跨越发展工程(精机工程)。

  两年多来,精机工程在北京高端装备领域共投入科技经费3亿余元,带动社会研发投入20亿元。在3D打印等上述三个领域取得多项关键技术突破,并形成逐步完善的产业链。

  另一组数字更能说明这一工程的意义。精机工程实施,带动2012年北京高端装备制造业实现产值500亿元,税收20亿元,利润25亿元。国内3D技术最广为人知的应用是,我国首创用3D打印造飞机钛合金大型主承力构件,该技术成功应用于国产大飞机C919上。这一技术由北京航空航天大学激光增材制造技术团队研发。

  该团队成员汤海波告诉记者,3D打印技术是增材制造技术的俗称,也称增量制造、添材制造、添加式制造技术,是指依据三维CAD建模,在计算机自动控制下通过材料逐层添加堆积的成形制造技术。相对简明通俗的可将3D打印技术分为快速原型制造技术和高性能金属构件增材制造技术两类。其中,大型金属构件激光增材制造装备是发挥变革性的高性能金属激光增材制造技术巨大潜力的设备基础和必要手段,也是长期以来制约该先进技术发展的瓶颈之一。

  汤海波所在团队自开展高性能金属激光增材制造技术以来,开展了其成套装备技术研发,历经17年持续研究和完善,提出了外置型大型金属激光增材制造装备新思路,发明了高效气体充排柔性密封等系列核心关键技术,并自主开发出激光增材制造专用扫描路径生成软件、保障了制造零件的质量和性能。经过5代系列科研型激光增材制造装备的研发,激光增材制造数十种钛合金、超高强度钢大型复杂关键金属零件在大型运输机、舰载机、C919大型客机、歼击机等多型飞机中装机应用,并多次作为唯一方案解决研制瓶颈,发挥了不可替代作用,同时使我国成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光增材制造技术并实现工程应用的国家。

  汤海波表示,北京市科委高度重视和支持高性能金属激光增材制造技术的发展,2012年以来北京市科技计划重点项目大型高性能金属零件激光增材制造装备样机研制旨在开发具有自主知识产权、引领高端装备制造业的激光增材制造装备样机,2013年继续资助该装备的系列化、工程化发展。除北航外,清华大学开展了多功能快速成形设备、熔融沉积制造设备、电子束制造设备、生物打印技术研究。中国科学院光电院、自动化所等院所以及中航625所等国家重要科研机构,在软件设计、金属材料、激光器等方面都具有很强的技术优势。

  此外,从材料研制和生产到数字化设计,再到关键部件研制和生产、整机研制和生产、应用,北京具备全产业链的竞争优势。如何让这些优势资源发挥更大效益?2009年以来,北京市有关领导多次到北航等单位进行专题调研,对相关技术发展做出重要批示,北京市科委系统调研掌握了3D打印、机器人等产业在北京的基本情况,在此基础上启动了一批重大科技项目。目前,投入科技经费近6000万元,带动社会研发投入2亿元。

  同时,北京市科委积极打造公共服务平台,如建设数字化制造业研发平台及数字化制造业服务与培训基地。2011年、2012年连续在3D打印、机器人等新兴产业布局了研发平台,认定北航、机械研究总院、清华、625所等单位组建的北京市级重点实验室或工程技术研究中心。

  支持北京DRC工业设计创意产业基地建设3D打印产业设计展示、制造服务、信息汇集、产业孵化、人才培训、国际交流、材料查询和市场与政策研究等内容,并已将其纳入到北京市科委首都科技条件平台体系内。开设3D打印体验馆,推进3D打印技术在普通大众间的传播和推广。

  除了实现关键技术突破,商业模式创新也是产业发展必不可少的环节。北京市推动相关单位利用电子商务和物联网技术,建设了国内首家在线3D打印电子商务服务平台3D打印电子商务叁迪网,2012年成功上线运行,以汽车设计、3C产品、装备制造、动漫设计、个性化需求等为主要用户,提供在线3D打印服务。

  智能制造技术方兴未艾 在新一轮科技革命中,发达国家大力倡导再工业化,再制造化战略,提出智能机器人是实现未来制造业的关键技术。

  前文提到的床椅一体化服务机器人主要由床体、座椅、信息与控制系统四大部分组成。该模块化可变形的多功能床椅一体化系统即可自动从护理床变形为轮椅,又可从轮椅反向变换回护理床。在护理床状态时,通过语音控制可以实现翻身、抬背与曲腿等功能,此外还配备了血压、脉搏、体温等生理参数监测及报警系统、网络视频娱乐与吃药提醒系统等,可以与远方的子女进行视频情感交流;在轮椅状态时,通过手柄控制轮椅可以在卫生间、室内和走廊等空间进行移动,进行大小便自理,也可自动寻路对接回床的功能。

  目前,该服务机器人已处于小批量试制阶段,目前已经投产10余台套,在北京市四季青镇国家级模范敬老院等单位应用示范已一年,极大地提高了卧床老人的自理能力,大大减轻了护理人员的劳动强度,得到了护理人员和老人的高度认可。

  据国际机器人联合会(IFR)预计,到2014年我国工业机器人需求量将达3.2万台,成为全球最大的需求国。然而,国产机器人在国内的市场占有率不足30%,并多为在进口产品的基础上再做应用开发或提供成套设备,因此进口产品占据绝大部分市场。我国机器人总体技术上与国际先进水平相比还有很大差距,产品性价比较低。传感器、高性能伺服电机、精密减速器等关键部件长期依赖进口并且受制于人。

  北京的战略部署有望带头改变这一局面。目前,北京已初步形成数字化设计、关键部件、整机和应用的智能服务机器人全产业链,具备壮大发展产业的有利形势。为了进一步壮大该产业,北京市已投入市科技经费支持北大、工道风行、中电华强、北航、信息科技大学、博创兴盛、自动化院、中航625所等企业、高校和院所及用户单位联合开展医疗康复机器人、反恐机器人、搜救机器人等服务机器人,以及焊接机器人、水下焊接机器人等工业机器人的研制、应用和产业化。

  同时,梳理北京智能机器人领域产业链上下游的优势资源,深度挖掘行业需求,积极筹建产业链上下游协同的联盟,搭建交流平台,跟踪国内外技术前沿,联合技术攻关、开拓市场,形成行业发展合力。

  智能机器人是一种战略高技术,可以形成战略性新兴产业,盖茨曾经预言它会像计算机一样走进每个家庭。北京航空航天大学教授、床椅一体化服务机器人项目负责人陈殿生告诉记者,当前整个国家都寻求产业升级的大背景下,北京寄予该领域重点关注具有重要意义。北京具有技术优势,同时还可以挖掘许多此前国家项目支持过的项目,让它们产业化。因此,这是一个具有广阔发展空间的领域。他说。高端数控装备获跨越式发展 2012年3月16日,北一数控机床公司成功研制出的高速铁路关键零件高效双龙门专用加工中心在中国北车集团实现应用。这是精机工程实施以来研制出的第一个国产重大装备,突破了专用机床设计制造关键技术,形成了自主知识产权,产生了较好的经济效益。同年11月7日,北一机床又成功研制出数控重型龙门机床,填补了国内空白。这两项技术的突破,既有助于北一机床实现大发展,也印证了精机工程实施路径的合理性。

  多年来,北京高端装备制造领域坚持走高端、高效、高辐射的道路,积累了较雄厚的技术实力,形成了门类较齐全、技术较先进的整机和功能部件产品。十一五期间,年均销售增速在20%以上,在全国名列前茅;年均利润率13%,远高于全国平均水平5%,居全国首位;产值数控化率超过70%,远高于全国平均水平53.2%.

  在此基础上,以精机工程为契机,北京承担了国家高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(简称04专项)近1/3的研发任务,承担课题数量和经费额均居于全国首位。通过产学研用结合,完成了一批数控机床产业技术研究课题,积累了宝贵的研究成果和研发经验,培养了高水平的研发队伍,形成了一批研发服务平台,为北京数控装备产业技术跨越发展奠定了坚实的基础。

  在轨道交通领域,正如前文所述,支持北一数控机床公司采用国产关键功能部件,包括国产主轴单元、静压蜗杆(X方向进给系统)等关键功能部件,成功研制出高速铁路关键零件高效双龙门专用加工中心。经中科院院士徐性初领衔的专家组鉴定,成果达国际先进、国内领先水平。同时作为用户技改的重要组成部分。积极引导和支持北一采用国产主轴单元、静压蜗杆等关键功能部件,并实现整机突破;同时,作为精机工程实施以来研制出的第一个国产重大装备成功应用于高铁领域,完成了从装备到技术的交钥匙工程,凸显了工程实施效果,产生了较好的经济效益和社会效益。

  在航空航天领域,为满足航空产业对高端专机的应用需求,北京市科委支持中航625所和北京机电院公司联合北航等共同研制用于飞机典型零件加工的高档数控装备,其中高速五轴联动加工中心等高档专机已在成飞、沈飞等航空用户实现示范应用。该成果打破了国外封锁,实现了进口替代。

  此外,北一机床承担的数控重型桥式龙门五轴联动车铣复合机床课题成功研制的3台数控重型龙门机床被列为国家04专项十大标志性设备,填补了国内空白。目前,3台机床已实现应用。

  同时,精机工程实现了部分关键功能部件与数控系统的突破和应用:北京市科委支持北京凯恩帝公司开展高性能数控系统关键技术研究与应用,并成功通过国家质量检测中心验证,在北京机电院五轴叶片加工中心和叶轮加工中心上实现应用。可替代部分国外同类产品,降低了主机厂配套成本;以整机需求为牵引,深度挖掘功能部件的工作着力点,布局科技项目,开展精密光栅、滚珠丝杠副等关键部件,颗粒阻尼、智能监测与诊断系统等共性技术攻关、产业化和应用。

  当前,科技对经济社会发展的支撑引领作用日益凸显,北京市科委将继续推进精机工程的深入实施,把北京建设成为国际一流的高端数控装备创新制造中心。

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