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北京隆源 中国3D打印产业先行者

发布时间:2015年3月7日

入冬的北京已有丝丝寒意, 天空却晴朗湛蓝、万里无云。2012年 11月15日, 首都大酒店内气氛热烈, 一个揭牌仪式正在举行。

这就是“北京数字化制造产业技术创新联盟”的成立大会, 来自中国科技界、航空航天、高端制造业、各大院校的专家学者和企业家们共同见证了中国首家布局冲击3 D打印产业的行业联盟。这一举动引起了政府领导和科研界的高度重视,大家围绕着展台上的中国造3 D打印产品兴奋不已,展台上的展品并不多,其中尤以北京隆源自动成型系统公司、中国航空航天大学、清华大学的产品引人注目。

    与此相呼应,全球3D 打印产业已进行地如火如荼。2009年,美国率先发表“3D打印发展路线图”,2011年成立了“3D打印产业协会”,2012年, 在奥巴马政府的倡议和直接指导下成立了”3D打印联盟”,美国正力求通过突破智能机器人、人工智能、3D打印三大数字化制造技术,实现“再工业化、再制造化”,夺回制造业主导权。

    欧盟也设置基金支持3D打印技术,分别在诺丁汉大学、谢菲尔德大学、埃克斯特大学建立了3D打印中心,其中埃克斯特大学等得到欧洲区域发展资金的支持,获得260万英镑的投资成立增量叠层制造中心, 以推动英国西南地区及周边的经济发展。

    在南非, 2011年, 南非国家激光中心与南非航空制造公司Aerosud宣布开展Aeroswift项目研究,得到了南非科技部的大力支持,科技部为此投入2800万兰特(约340万美元)。

    3D打印技术, 已成为引领未来全球制造业发展趋势的关键词。

    以3D打印技术为契机,中国也首次与世界诸强国一道,并肩站在了高端制造产业研发应用的起跑线上。

在中国,从事3D打印技术研究的机构寥寥无几,把3D打印技术应用并产业化的企业更是屈指可数,北京隆源自动成型系统有限公司就是最早的一家。北京隆源成立于1994年,在中国最早开始进入3D打印的研究与发展。1994年研制成功中国第一台激光快速成型机, 倾力开发出选区激光粉末烧结(SLS)快速成型机,同时致力于快速成型的应用加工服务。先后推出了AFS-360、500、laserCore5100、5300、7000等型号的SLS装备(最大成形空间为1400×700×400mm),拥有200多家设备用户及500多家加工服务用户,遍布在航空航天、船舶、汽车制造、和铸造行业等广泛领域。

一直到今天,世界上能进行激光快速成型机器生产和加工产品的也仅有美国、日本、德国, 北京隆源的研发与运用一直与世界先进同步。作为中国3D打印产业的先行者,在这条孤独而又充满魅力的路上,北京隆源已走了很久很久。

廿年磨剑 硕果累累

    早在上世纪80年代中期,中国就提出了实施了高新技术研究发展计划,对未来经济和社会发展有重大影响的生物技术、信息技术、自动化技术、新材料技术、激光技术等众多领域,确立了15个主题项目作为突破重点,以追踪世界先进水平。在这种形势下,北京隆源自动成型系统有限公司应运而生。

公司于1994年成立,注册资金200万美元,专门进行快速成型设备的研发和销售,并于创建当年便成功制造了中国第一台SLS快速成型设备——AFS-360。

SLS快速成型即为3D打印技术的一种。3D打印技术属于一种非传统加工工艺,也称为增材制造、快速成型等,是近30年来全球先进制造领域的一项集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术。与传统切削等材料的“去除法”不同,3D打印技术通过将粉末、液体片状等离散材料逐层堆积,“自然生长”成三维实体。该技术将三维实体变为若干二维平面,大大降低了制造复杂程度。理论上,只要在计算机上设计出结构模型,就可以应用该技术在无需刀具、模具及复杂工艺的条件下快速地将设计变为实物。该技术特别适合于航空航天、武器装备、生物医学、汽车制造、模具等领域中批量小、结构非对称、曲面多及内部结构零部件(如航空发动机空心叶片、人体骨骼修复体、随形冷却水道等)的快速制造,符合现代和未来的发展趋势。

北京隆源总工程师冯涛毕业于清华大学,曾任职于清华大学高分子材料研究所,具有丰富的高分子材料和激光光学的理论和实践经验,是我国最早从事激光快速自动成型技术研究的专家之一。他对于3D打印技术的应用与材料有着深厚的造诣。早在1995年,他就提出将SLS应用于快速精密制造。与其他3D打印机技术相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。SLS的成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛,加之SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,适合多种用途。在他的带领下,北京隆源相继成功研制出铸造熔模、蜡模压型及铸造型壳等复杂的工艺制作方法,以及聚苯乙烯粉末、合成材料在3D打印中的应用方法。

    作为国内最早实现3D打印技术产业化、服务化的公司, 19年来, 北京隆源在中国3D打印行业一路探索, 一路领先,引领并推动了中国3D打印产业的发展。

1994年, 成功制造了中国第一台SLS快速成型设备,专门进行快速成型设备的研发和销售;

1995年, 通过北京市科委组织的专家鉴定;获得发明专利;

1997年,用于精密铸造的烧结材料和快速铸造工艺研究成功,进入复杂金属结构件的快速开发领域;

1998年, 参加科技部的快速成型示范服务中心项目,设备被二家服务中心选中;

2000年,研制成功基于SLS的具有复杂内腔结构的金属零件的快速铸造工艺,为发动机类复杂结构零件的快速制作打下基础,金属材料直接成型技术进入实质开发阶段;

2002年,开始与中国工程物理研究院开展大功率激光直接制造金属零件的研究;

2004年, 与华南理工大学合作开展选区激光熔化金属成型技术。目前均可制造出密度100%的不锈钢和Ni基合金钢零件;2003年,推出大尺寸快速成型设备AFS-450,软硬件较AFS-320有22项重大改进。设备更稳定、可靠、人性化、速度更快、精度更高,成为企业用户的首选设备;

2005年, 推出AFS-500,成型尺寸125立升,当年形成销售,并推出可直接蒸汽脱除的烧结精铸蜡,与传统的精密铸造无缝连接,解决了钛合金快速铸造表面粗糙的问题;

2008年,开发完成AFS-700成型设备,成型尺寸245立升,是当时最大尺寸的激光粉末烧结设备,满足了绝大部分精密铸件尺寸的要求。设备采用全新的上料铺粉方式,单向铺粉时间减小一半,无需中间加料。设备当年形成销售;

2009年,激光烧结砂实现突破。成型砂芯的强度和发气量均达到铸造要求。开始开发铸造覆膜砂烧结成型的专有设备激光制芯机;

2010年,LaserCore5300样机开发完成,开始试销。

3D打印技术作为目前最为先进的一种制造方式,也代表了目前全球最前沿的科学技术。

但是,科技产业的发展并不是一蹴而就的, 必须经过漫长而艰辛的积累,才会有所爆发,经过近20年的耕耘与奋进,北京隆源终于迎来了3D打印产业的爆发期。

3D应用 领军中国

  自2008年美国金融导致的全球经济危机爆发以来,世界经济似乎始终都未走出低谷,尽管期间也曾多次试图反弹,但最终仍因后劲不足而增长乏力。历史经验反复证明,在全球经济陷入衰退之时,正是新经济萌芽和新技术诞生之时。全球经济之萎靡不振,表明传统的生产关系已经严重阻碍了生产力的发展,变革将成为生产关系新的动力。

  今年以来,对第三次工业革命的探讨达到高潮。美国学者杰里米·里夫金称,互联网与新能源的结合,将会产生新一轮工业革命——这将是人类继19世纪的蒸汽机和20世纪的电气化之后的第三次“革命”。而英国《经济学人》杂志也指出,3D打印技术市场潜力巨大,势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,改由更加灵巧的电脑软件主宰,这便是第三次工业革命到来的标志。

  作为一项集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术,3D打印技术现已广泛应用于航空航天、与武器、汽车与赛车、电子、生物医学、牙科、首饰、游戏、消费品和日用品、食品、建筑、教育等众多领域。可以预见的是,该技术将更趋向于日常消费品制造、功能零件制造及组织与结构一体化制造的方向。

  经过19年的探索创新,北京隆源在3D打印技术的应用上在中国已经成为领军者, 为中国的航空航天, 汽车, 等行业的腾飞作出了突出的贡献。

  航空航天领域:航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点,产品的定型是一个复杂而精密的过程,往往需要多次的设计、测试和改进,耗资大、耗时长,传统方法难以制造。因此,3D打印技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势而在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景。在国外, 美国波音公司将3D打印技术与传统铸造技术相结合,制造出铝合金、钛合金、不锈钢等不同材料的货舱门托架等制件;通用公司应用3D打印技术制造航空航天与船舶叶轮等关键制件;比利时Materialise公司的Mammoth激光快速成型系统,其一次性最大加工尺寸可达2200mm。

  在中国,北京隆源则凭借自身的技术优势,为我国航空航天等部门及飞机制造企业提供直升机发动机、直升机机匣、蜗轮泵、钛机架、排气道(最大高度达到2800mm)、飞机悬挂件、飞轮壳等飞机零部件的生产和服务:1996年,第一台商品化SLS快速成型机销往北京航空材料研究院,并成功应用于军用航空新产品的开发;1999年,第二代商品化设备AFS-320成功推向市场。快速成型的应用逐步展开,参与完成了若干项国家航空航天重点项目的开发研制任务,如:用于大推力火箭的液氧-煤油和液氧-液氢发动机、卫星陀螺仪框体等。

  军事工业领域:3D打印技术和传统制造技术相比,具有简单、易操作等特点,特别是对于一些新材料的加工,成效尤为显著。如铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、抗腐性好、耐高温等特点,作为结构材料,因其加工性能优良,可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等,以充分发挥材料的潜力,提高构件的刚强度。所以,铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。美国军方应用3D打印技术辅助制造导弹用弹出式点火器模型,取得了良好的效果。

  在中国,钛合金已经广泛应用于自行火炮炮塔、构件、装甲车、坦克、军用直升机等制造。1999年,北京隆源自动成型有限公司利用3D打印技术,参与完成了多项国家军事工业重点项目的开发研制任务,如:JS-Ⅱ型新式坦克的涡轮增压器,红外制导仪观测镜壳体等;2002年,北京隆源开始与中国工程物理研究院开展大功率激光直接制造金属零件的研究,从而进一步推动了我国军事工业的发展。

  汽车制造领域:德国奥迪汽车公司(Audi)使用3D打印技术成功地使用KUKA机器人制造出了Audi RSQ汽车。随着我国汽车工业的发展,汽车产量迅猛增长,一些关键性零部件也日趋复杂化、大型化和轻量化,这便要求实现零部件的整体化和集成化制造。而采用模具进行翻砂制模的传统工艺,使得模具越来越复杂,活块数量也急剧增加,这些因素在一定程度上都制约了我国汽车工业的发展。

  在中国, 引领国内3D打印技术的北京隆源的技术团队展开了3D打印技术于汽车发动机制造领域的研究。SLS是利用红外激光光束所提供的热量熔化热塑性材料以形成三维零件,其最大特点一个是成型过程与复杂程度无关,因此特别适合于内部结构极其复杂的发动机缸体、缸盖、进排气管等部件。此外,SLS技术成型材料广泛,特别是可以用铸造的树脂砂和可消失熔模材料成型,因此,可以通过与铸造技术结合,快速铸造出发动机的部件。SLS技术与铸造技术的结合,衍生出快速铸造技术,可有效地应用于发动机设计开发阶段中样机的快速制造。其适合单件和小批量试制和生产的特点,可迅速响应市场和提供小批量产品进行检测和试验,有助于保证产品开发速度。其成型工艺过程的可控性,可在设计开发阶段低成本地即时修改,以便检验设计或提供装配模型。有助于提高产品的开发质量,其快速成型原材料地多元性,为产品开发阶段提供了不同地工艺组合,由于SLS原材料的国产化和成型工艺可与传统工艺有机结合,有助于降低开发成本,其组合工艺的快捷性,支持产品更新换代频次的提高,有助于推动产品早日进入市场。

  北京隆源利用3D打印技术,为汽车制造商生产发动机缸体、缸盖、变速箱壳等,不仅制造速度快而且精度高,从而使得汽车复杂零部件制造变得数字化、精密化、柔性化、绿色化。如今,国内众多的高铁、动车、地铁的发动机中都可以看到隆源的产品。

  2001年,北京隆源研发的汽车关键结构件的快速成型与快速制造工艺成功,开始为汽车企业提供缸体、缸盖、进气管、变速箱壳体的RP服务;

  2006年,北京隆源激光直接成型铸造砂芯技术推向市场,销售第一台专门用于铸造砂芯的成型设备。并成功用于汽车发动机缸体、缸盖和增压器的快速开发;

  2011年,北京隆源为满足柴油机等行业需求,开始研发大尺寸激光制芯机;通过与广西玉柴机器股份有限公司、东风商用汽车工艺所合作,研发出柴油缸体缸盖的快速制造方法与工艺等。

  生物医药领域:目前3D打印技术也被应用到生物医药领域,包括骨骼、牙齿、人造肝脏、人造血管、药品制造等。在生物制造方面,欧美等发达国家研究较多、范围较广且已经取得临床应用:在美国,利用SLA制造技术,使用生物相容树脂可以制作医用助听器、眼睛水晶体模型、人工牙齿等;在意大利,利用SLA制造技术制造了人体骨骼修复体。

  在中国,北京隆源与北京大学口腔医院合作,由口腔医院将患者的CT扫描数据从CT工作站经Magics软件处理后传输至PC机上,以标准格式(Dicom 格式)刻录存储,后提供给隆源,隆源据此开发研制了AFS-320型快速成型机。该设备采用选区激光粉末烧结法,原料为聚苯乙烯粉末,制作成实体模型,可用于口腔医疗中颧上颌骨骨纤维异常增生等症状,并取得了很好的疗效。同时,在陈旧性颧骨颧弓粉碎性骨折的治疗中,临床应用结果表明,治疗效果良好。

严谨管理 追求卓越

  目前,世界上许多国家与地区都在开发或应用3D打印技术。有资料显示,2010年,全球3D打印行业的总产值达到了13.25亿美元,比上年增长24.1%;2011年,全球营收17亿美元,比上年增长29.4%;预计,2012年将达21亿美元,2015年达到37亿美元,2019年达到65亿美元。可以说,3D打印技术的数量在一定程度上表现了国家的经济活力与创新能力。

  根据国际权威3D打印行业报告《Wohlers Report 2012》显示,世界主要国家和地区根据所拥有设备数量的排名前10位如下:美国38.3%、日本10.2%、德国9.3%、中国8.6%、 英国4.4%、意大利3.9%、法国3.0%、韩国2.2%、加拿大1.9%、中国台湾1.5%,其中美国和欧盟是最主要的设备拥有国,我国拥有不足10%的设备数量,并且其中很多是从国外进口。而主要国家和地区设备制造商的生产设备情况如下:美国72.9%,欧洲10.2%,以色列9.3%,日本3.7%,中国3.6%,其余的0.3%为其他国家和地区所有。以上数据表明,我国在3D打印方面还需奋起直追。

  在国内为数不多的3D打印行业企业中,北京隆源无疑是一个行业的领军者。在近二十年的发展历程中,北京隆源也经历了所有新兴技术行业所必然要经过的历练。作为国内最早实现3D打印技术(增材制造技术)产业化、服务化的上市公司,北京 隆源不仅拥有过硬的技术实力,在管理上也有过人之处。公司拥有一支稳定而卓有成效的队伍,从总工程师冯涛、市场总监到技术骨干等,都是创业至今的老员工,他们专业知识全面,专业技术过硬,市场经验丰富, 具有良好的协作和沟通能力,能深入准确的把握客户的产品设计,开发与制作要求,通过科学严谨的工作流程,结合长期的实践经验,为用户提供最适合的解决方案.

  北京隆源不仅拥有自主知识产权的3D打印设备和产品,更拥有独具特色的服务体系。对客户提供一站式解决方案。公司拥有国内顶尖设备,可以提供小批量生产的一整套设备和服务,以及产品的个性化定制服务,实现真正意义上的一站式处理解决问题。同时,利用工艺全面和技术实力雄厚的优势, 针对产品设计开发的不同阶段,提供最佳的设备与技术手段,为客户提供时间最短、最低成本、性能最好的产品与服务。

  北京隆源拥有多种类型的自主研发的SLS型系列3D打印机,加工材料包括石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末及其复合粉末等,其产品完全符合航空航天、、汽车制造等高精尖领域客户的要求。

  在服务方面,隆源的表现更为专业。隆源为客户提供24小时在线的咨询服务,并在全国多处设有分公司或办事处,无论何时何地遇到问题或困难,隆源的工程师都将通过网络、电话或上门等途径提供帮助。同时,隆源要求每一位售后服务人员都须要掌握相关的技术及理论知识,并能够进行售后技术培训及维护,解决客户的使用问题,维系与客户间的良好关系。比如,服务人员要懂得操作CAD制图操作,以便于为客户及时、有效地提供技术支持与售后服务。另外,隆源售后服务人员均是相关专业比如机械、机电、电子、材料应用等科系,本科及本科以上学历毕业,同时具备一定工作经验的专业人员。

持续创新 扬帆未来

  对于21世纪的全球来说,这是一个“中国制造”无处不在的时代。2010年,中国超过美国成为制造业第一大国,制造业产出占世界的比重为19.8%。在制造业22个大类中,我国在七个大类中名列世界第一。“中国制造”为中国经济腾飞,为世界经济的发展做出了巨大贡献。然而,中国要成为制造业强国,改变处于国际分工和产业链的中低端的现状,还有很长的路要走。

  3D打印产业浪潮的到来是一个绝佳的契机。以制造业数字化、智能化为核心的第三次工业革命即将到来——先进制造技术创新的内涵包含了产品创新、制造技术创新、产业模式创新。数字化、智能化技术将深刻改变制造业的生产模式和产业形态,将为中国的制造业发展带来前所未有的挑战和机遇,今后的二十年, 将是中国制造业由大到强,实现跨越式发展,在创新和综合竞争力进入世界前列的绝佳发展机遇期。

  北京隆源继续站在中国3D打印产业的潮头,一方面提倡行业共进发展,相继倡议成立“北京数字化制造产业技术创新联盟”和“中国3D打印技术产业联盟”,同时又投资研发生产更新更高端的技术和产品. 据总工程师冯涛透露:北京隆源正着手研究金属粉末在SLS技术中的应用,并取得了一定的成效。在他看来,实现使用高熔点金属直接烧结成型零件,对3D打印技术在用传统切削加工方法难以制造出的高强度零件中的更广泛的应用具有特别重要的意义。冯涛认为,SLS成形技术在金属材料领域中的研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型,多元合金材料零件的烧结成型,先进金属材料如金属纳米材料、非晶态金属合金等的激光烧结成型等,尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外,根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。可以预见的是,随着对激光烧结金属粉末成型机理的掌握,对各种金属材料最佳烧结参数的获得,以及专用快速成型材料的出现,SLS技术的研究和引用必将进入一个新的境界。

  此外,北京隆源院在医疗领域也有更新的应用方向,即牙科领域专业快速成型和快速制造方案:使用特定的CAD软件可以实现义齿的CAD设计,包括牙基底、牙冠、牙桥、牙罩冠、牙贴面、牙镶嵌等3D设计。有了CAD设计,义齿的快速成型和快速制造便可以实现自动化生产,效果高,耗材少,成本低。

  作为数字化制造产业中最为典型、应用最为广泛的技术之一,3D打印技术在提升中国工业制造业水平方面将会起到无与伦比的作用。这种具有市场前景广阔、资源消耗低、带动系数大、就业机会多、综合效益好等一系列战略优势的创新技术,有助于培育出战略性的新兴产业集群,也有利于推动、升级一批重点产业集群。

  无疑,推进3D打印技术, 对增强中国工业创新能力、提升工艺制造能力、带动相关产业链发展、破解工业发展与资源环境困局、培育新兴产业及优化产业结构等具有极其重要的战略意义。

  北京隆源, 在3D打印产业的大道上, 还在继续大步地前行。

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