机械自动化

　　保守的工业制制方式是“减材制制”，通过车削、刨、铣等工艺，将大块的原始材料“削减”加工成所需外形、尺寸和质量的器件。但若是要制制外形复杂或者大型的布局件，保守制制经常面对加工成型性的问题，需要先加工多个简单零部件然后再拆卸，因而设想空间无限。此外，保守制制经常需要切削掉大量材料，因而加工成本高，材料操纵率低。取保守的“减材”制制方式相反，3D 打印制制手艺是“增材”，以计较机三维数字模子为根本，操纵激光等高能热源将原料以分层叠加的体例逐层熔化、堆积，最终获得方针实体。正在工业范畴，3D 打印最早使用正在一些比力复杂的难制制的范畴，好比飞机中空的叶片、叶轮以及中空的流道。这些范畴对于保守工艺而言制制难度极大，但却能够通过 3D 打印手艺轻松实现。早正在 2012 年，美国正在《先辈制制国度计谋打算》及《国度制制业立异收集打算》等计谋规划中，就已将 3D 打印列为将来最环节的制制手艺之一。我国正在 2015 年 5 月 8 日发布的《中国制制 2025》规划中，也明白将 3D 打印列为沉点成长范畴。3D 打印全球市场规模达 219 亿美元市场，2034 年估计超千亿美元。按照 WOHLERS统计，2024 年全球 3D 打印市场规模达 219 亿美元，估计 2034 年中性预期下无望增加至 1145 亿美元；中国市场方面，按照中商谍报网，2025 年我国 3D 打印市场规模估计达 457 亿元，较 2020 年的 208 亿元实现翻倍以上增加。正在 3D 打印市场中，打印机发卖以及办事占比最高，约 74%，材料、软件占比别离为 20%、6%。航空航天是工业级 3D 打印机最焦点下逛，占国内头部厂商营收超 50%。工业级 3D 打印机分歧于消费级产物，具有更大的体积、更高的精度、更贵的价钱，用于高精度的工业零部件出产。工业级 3D 打印普遍使用于航空航天、医疗、能源、汽车、电力等范畴，此中航空航天是最主要以及需求占比最高的范畴。因为航空航天零部件复杂、精度要求高，通过 3D 打印可无效成型，同时大大节流开模时间以及成本。按照 WOHLERS 数据，2024 年航天、航空占 3D 打印需求比例别离为 10。6%、7。1%，合计约 17。7%。而按照我国头部工业级 3D 打印机厂商数据，2024 年铂力特、华曙高科营收中航空航天占比别离为 61%、50%，可见该范畴对于工业级 3D 打印的主要性。工业级 3D 打印机中国厂商起步较晚，行业焦点玩家次要来自、美国。分歧于消费级 3D 打印机具备消费电子属性，中国厂商占领全球次要份额，工业级 3D 打印机具有手艺壁垒高、保守市场成熟等特点，因而护城河愈加深挚。国内头部厂商包罗铂力特、华曙高科等，按照 WOHLERS 最新数据，2024 年铂力特正在全球金属 3D 打印机范畴市占率提拔至 20%，位列第二。EOS总部位于，是增材制制范畴最出名的公司之一，也是聚合物和金属激光粉末床3D打印范畴的带领者。公司于1994年推出了欧洲首台选择性激光烧结(SLS)系统，目前已正在全球范畴内安拆了跨越5000多台聚合物和金属LPBF设备，办事于航空航天、医疗、汽车和消费品等行业；SLM Solutions于2022年被尼康公司收购，目前已并入尼康先辈制制部分，努力于开辟用于工业金属增材制制的大幅面、多激光激光粉末床熔融(LPBF)系统。2024年尼康SLM系统营收达1。5亿欧元，同比增加36%，全球安拆系统数量跨越1000套。例如赛峰、博世、洛克希德·马丁、火箭尝试室等公司；3D Systems成立于1986年，被为增材制制行业的，并于1988年推出了首用立体光刻(SLA)打印机SL-1。公司已经为营收排名第二大的3D打印机公司，近年来其财政业绩有所下滑。多年来，该公司显著拓展了其手艺根本，材料喷射手艺(MJP)和Figure4（高速DLP平台）等立异手艺均由公司内部开辟。同时，公司通过各类收购获得了粘结剂喷射和颗粒挤出等手艺；公司是国内金属3D打印龙头企业，兼具打印机发卖以及打印办事能力，普遍使用于航空航天、工业机械、能源动力、科研院所、医疗研究、汽车制制及电子工业等范畴，特别正在航空航天范畴，市场拥有率较高。公司次要客户包罗中航工业部属单元、航天科工部属单元、航天科技部属单元、航发集团部属单元、中国商飞、中国神华能源、中核集团部属单元、中船沉工部属单元以及各类科研院校等。公司亦是空中客车公司金属3D 打印办事及格供应商；华曙高科是我国工业级3D打印机前锋，努力于为全球客户供给金属（SLM）增材制制设备和高（SLS）增材制制设备，并供给3D打印材料、工艺及办事。华曙高科具有产物和办事所对应的完整学问产权系统，自从开辟了增材制制设备数据处置系统和节制系统的全套软件源代码。公司是国内唯逐个家加载全数自从开辟增材制制工业软件、并实现SLM设备和SLS设备财产化量产发卖的企业。3D 打印手艺已成为火箭策动机等部件的主要出产体例。保守策动机的零件数量动辄成千上万，零件之间的拆卸凡是采用焊接、铆接、螺栓毗连等多种体例，这种方案导致的问题就正在于制制流程长、误差累积大、质量现患多、分量添加多等。并且部门零件还存正在布局复杂、材料加工难的问题，对身手崇高高贵的工人依赖度也极大。3D 打印操纵逐层堆积的道理，可以或许实现肆意复杂构件成形取多材料一体化制制，冲破了保守制制手艺对布局尺寸、复杂程度、成形材料的，同时操纵 3D 打印能够制做出合适设想尺度和利用要求的高细密零件。举例：以星河动力火箭为例，有良多燃料传送的管，保守体例采用弯管，然后再焊接。而焊接的要呈现焊后裂纹，就会带来飞翔的过程的风险。通过 3D 打印的体例，能够一体成型，将管嵌入全体傍边，从而达到优良分歧性，降低利用风险。3D 打印加快贸易航天成长，猎鹰火箭。3D 打印手艺的呈现间接加快了贸易航天的成长，这场由 SpaceX 引领，目前国表里处置该范畴的贸易航天企业无一破例都曾经将 3D 打印手艺间接纳入设想、测试取最终制制。按照央视旧事，我国新研制的火箭策动机中，60％以上的零部件都能够通过 3D 打印来出产。SpaceX 是 3D 打印航天策动机的，目前已大面积且成熟使用于旗下支流型号。正在过去的几十年里，SpaceX 取多个 3D 打印品牌合做为其火箭制制零件，包罗 EOS、ConceptLaser(GE 公司)、Velo3D、SLM Solutions、Stratasys、3D Systems 等：龙飞船【Dragon】：2020 年 5 月 SpaceX 成功发射全球初次贸易载人龙飞船。二代龙飞船拆有 8 台 SuperDraco 策动机，这也是全球首款投入利用的 3D 打印飞船引擎。此中，SuperDraco 策动机的多处环节零部件（（火箭策动机室、从氧化剂阀阀体、冷却通道、喷油头和节省系统等）是利用 EOS 的间接金属激光烧结手艺（DMLS）制制，利用 Inconel 系列镍基高温合金打印完成，具有高强度和高强韧性；猎鹰 9 号运载火箭【Falcon 9】：2014 年 1 月 SpaceX 成功发射了猎鹰 9 号运载火箭，此中 9 个 Merlin 1D 策动机中的一个利用了 3D 打印的 Main Oxidizer Valve（MOV，从氧化剂阀门）从体，这是 SpaceX 第一次发射利用 3D 打印零件的火箭。取保守锻制件比拟，3D 打印阀体具有优异的强度、延展性和抗断裂性，而且取典型铸件周期以月来计较比拟，3D 打印阀体可正在 2 天内完成；三代猛禽策动机【Raptor 3】：从外不雅设想上看，前两代错综凌乱的管线消逝不见，取而代之的是几根管径粗大、划一布列的排线，策动机全体制型十分简练。第三代猛禽通过 3D 打印工艺，将前两代的多零部件整合为一，其设想上采用了全体的冷却通道壁，还将某些次级管集成到从涡轮泵中，大幅简化了策动机的布局，使得策动机零部件的管端毗连、线毗连以及各类螺丝垫片大幅削减，同时打消了策动机的隔热罩，整个策动机分量骤降 100 多公斤达到 1525 公斤，并且还削减了潜正在的毛病点，提高了策动机的靠得住性。先辈金属 3D 打印工艺的利用使得 Raptor 3减沉 7%，推力相较于 Raptor 2 超出跨越了 21%。降本是贸易航天起飞的催化剂，3D 打印则是制制侧的焦点降本体例。目前国内固体火箭发射成本约 10 万元/公斤、最大近地轨道运力 6。5 吨；猎鹰 9 号发射成本不到 2 万元/公斤，运力为 22。8 吨。凭仗这一劣势，SpaceX 已发射超 1 万颗星链卫星，其 25H1 载荷入轨质量占到全球总量的 87。5%。朱雀三号便是我国对标 SpaceX 猎鹰成本的代表（液氧甲烷+不锈钢箭体+3D 打印+箭体收受接管），整个降本路子我们归纳可分为材料、制制、收受接管三个方面。此中材料侧采用液氧甲烷燃料，代替保守火油降低 70%成本，同时选用不锈钢箭体，依托可复用性持久成本降低 59%；可收受接管火箭手艺来看，蓝箭航天创始人、CEO 张昌武预测：（“将来 3 年内，中国贸易航天将送来高光时辰。可收受接管火箭手艺成熟，运输成本降至每公斤 3 万元以下”。3D 打印航天策动机手艺成熟，可实现最高 90%降本。策动机是火箭最大成本来历，占比约 50%。保守火箭策动机制制周期长、成本高，凡是需耗时约 6 个月。3D 打印能用起码的材料实现不异布局的机能，削减了高贵材料的耗损；除此之外，3D 打印复杂布局、一体化制制的特点，让零件大量整合，极大削减数量，使策动机布局极端简练，削减了对极高身手工人的需求度，削减了现患；进一步的，这种出产特点削减了策动机拆卸出产环节，提拔了制制效率，更进一步降低了制形成本，同时正在规模化量产中了策动机机能的分歧性。智神星二号CQ-90策动机上，90%以上分量采用3D打印手艺制制。3D打印工艺策动机出产周期缩短至1个月内，为保守模式的1/6，制形成本降至本来的10%，同时策动机分量减轻50%，显著提拔了运载效率和经济性。一台2500N火箭策动机焦点零件的制形成本，从保守工艺的50万元降至3D打印手艺的不到5万元。星河动力正在其50吨级液氧火油策动机中，涡轮泵3D打印件分量占比约65%，发生器3D打印件分量占比约75%，从管90%为3D打印件，推力室3D打印部门占比约30%，阀门壳体类零件约90%为3D打印制制。铂力特2024年贸易航天范畴订单中，星河动力占比超30%。2019年，飞而康科技取星河动力合做，操纵华曙高科金属3D打印处理方案，正在4个月内完成30多件火箭策动机零件的交付；2023年4月，天兵科技的天龙二号运载火箭成功首飞，创下全球首家平易近营液体火箭企业“首飞即成”的记载。这款火箭的焦点冲破正在于其采用的3D打印高压补燃策动机，接近90%的部件通过增材制制完成。3D打印工艺使得策动机组数量削减80%，制制周期缩短70-80%，成本和分量降低40-50%。正在其新一代天龙三号“天火十二”策动机上，3D打印手艺再立异高，90%零组件采用增材制制，包罗身部、喷注器等环节部件，成为国内尺寸最大、推力最大的3D打印液体策动机，研制周期缩短50%以上；蓝箭航天采用金属3D打印手艺，此中天鹊系列策动机的燃气发生器取燃烧室部件均采用了铂力特的激光金属3D打印设备。天鹊12B策动机3D打印的零件占比已达到70%以上，打消的零件数量达到了30%；SpaceX操纵金属3D打印的手艺，将大量的管线整合到引擎中，只留下清洁利落的策动机外壳。先辈金属3D打印工艺的利用使得Raptor 3减沉7%，推力相较于Raptor 2超出跨越了21%，更是比初代Raptor提高了51%。正在成本方面，单台Raptor 3仅25万美元，比拟Raptor 1廉价了近90%；其“快速阐发取制制推进手艺”（RAMPT）项目专注于开辟新型合金及大型部件的增材制制手艺，项目起头四年过程中，NASA已利用新开辟的极端合金、大型增材制制工艺和先辈的复合材料手艺，对3D打印的喷射器、喷嘴和燃烧室硬件进行了500次尝试，合计跨越16000秒。该项目还已起头为从力RS-25策动机开辟全尺寸版本，这能够将其成本降低高达70%，并将制制时间缩短一半。航天 3D 打印市场规模测算，3 大星座项目对应 2000 余次发射，带来 475 亿元 3D 打印累积市场规模。我们对 3D 航天打印市场规模进行测算：目前我国有 3 个大型星座项目，别离为千帆、GW、鸿鹄，规划卫星数量别离为 1。5、1。3、1 万颗，假设单颗卫星分量 0。5 吨，单枚火箭运载能力 8 吨，则需要 2375 次发射才能满脚 3 大星座项目对应的总卫星并轨需求。假设单枚火箭策动机 3D 打印价值量为 2000 万元，正在不考虑策动机反复利用的环境下，则我国航天 3D 打印市场规模无望累积达 475 亿元。雷同于航天，航空范畴 3D 打印手艺也正在加快使用，通过一体化成型工艺大大提拔制制精度、降低成本、削减分量、缩短制制周期。2024 年洛克希德·马丁颁布发表将进行严沉 3D打印手艺和根本设备投资，将其德克萨斯州 3D 打印厂面积扩大了 1486 平方米，并新增了多台 Nikon SLM Solutions 的金属 3D 打印机以及热处置和检测设备。国内方面，国产大飞机 C919 也起头大面积采用 3D 打印工艺，将来渗入空间广漠。海外巨头纷纷入局，3D 打印正在航空范畴使用普遍。目前包罗空客、波音正在内的国际航空巨头纷纷采用 3D 打印工艺进行飞机制制，不只局限于策动机，还辐射至挡流板、缓冲空气管、座椅支架、布局件等范畴，实现了显著的降本、减沉、缩短制制周期的结果：截至 2021 年， 美国GE增材曾经打印了跨越 10 万个航空策动机燃油喷嘴，并现实使用于其最先辈的“LEAP 策动机”中，空客 A320 NEO、波音 737 MAX和中国国产 C919 大型客机都采用了 Leap 引擎。保守的燃油喷嘴由 20 个零丁的部件焊接而成，采用 SLM 3D 打印手艺，整套喷嘴能够一次成形，无需后续焊接，零件数量降为 3 个。改良后的燃油喷嘴具有质量轻、强度大和耐侵蚀的特征，可正在高达近千摄氏度的下一般工做，分量削减 25%，利用寿命提拔至 5 倍，燃油效率也获得极大的提拔；霍尼韦尔通过 3D 打印成功认证了使用于飞机辅帮动力安拆的挡流板，以及使用正在推力策动机中的缓冲空气管，并努力于开辟 3D 打印正在城市空中交通范畴的成长；空客 A350 XWB 客机采用 3D 打印的碳纤维座椅支架，单架减沉超 200 公斤，每年可节流近百万欧元的燃油成本；波音 787 通过 3D 打印钛合金布局件，出产周期从数月缩短至 20 天，单架飞机成本降低 200-300 万美元。国产大飞机机身多处采用 3D 打印材料。正在我国国产大飞机 C919 的制制过程中，有多个环节部件都采用了 3D 打印手艺进行出产。征引航空航天大学王华明院士（担任C919 机头钛合金 3D 打印从风挡全体窗框）概念：（“3D 打印会改变将来配备的布局，也许会改变将来配备机能，也许一个飞机需要 3 万个零件，自沉好几十吨，现正在有了 3D打印之后，几万个零件变成 2000 个零件，数量曾经大幅度削减”。目前 3D 打印正在 C919策动机喷油嘴、机头钛合金从风挡全体窗框、地方翼缘条、舱门复杂件等范畴均有使用：C919 机头从风挡窗框尺寸大、外形复杂，国内飞机制制厂的保守方式无法制做。欧洲一家公司能够制做，但周期漫长，需要两年时间才能交货，并且价钱昂扬，仅每件模具费就要 50 万美元。2009 年，王华明团队操纵3D 打印手艺，耗时 55 天做出了 C919 机头钛合金从风挡全体窗框，成本不脚欧洲锻制模具费的 10%；3D 打印钛合金材质 C919 地方翼缘条尺寸 3。07 米，分量 196 千克，2012 年通过商飞的机能测试，2013 年成功使用正在国产大飞机 C919 首架验证机上；C919 的前机身和中后机身的登机门、办事门以及前后货舱门上利用了 23 个金属 3D 打印部件，是由金属 3D 打印办事商飞而康完成的。飞而康科技采用基于 SLM 的 3D 打印手艺，对电扇进气入口构件的这种钛合金薄壁布局开展了手艺攻关；C919 采用 CFM LEAP-1C 策动机，LEAP 是由 GE 取法国赛峰（Safran）集团各出资 50%组建的合伙企业 CFM 研制的新一代航空策动机，具有更好的燃油经济性和更低的二氧化碳排放量，现已普遍用于波音 737、空客 A320、以及我国的C919 等单通道客机。正在 2014 年，LEAP 策动机改用了 3D 打印燃油喷嘴，其机能获得了进一步提拔，能更高效地夹杂取注入燃料。热情欢送加入我们正在2026年4月15-17日正在姑苏举办的第八届涡轮手艺大会暨平易近用航空策动机和燃气轮机展以及激光正在平易近用航空策动机和燃气轮机中的使用大会（4月16日）前往搜狐，查看更多。