与3D打印共成长

孙海盟

我们的奋斗目标是：建成飞机产品设计、制造一体化的3D打印应用平台，专注技术、追求极致、博采众长、迭代成长。

20世纪90年代，3D打印刚一出现，人们就发现其“巧夺天工”的神奇：以数模文件为基础，用粉末状、可粘合的塑料或金属材料，就能“打印”出真实的3D物件，比如一个机器人、一辆玩具车、各种模型、产品零件，甚至食品、药品、血管等——几乎任何静态的形状它都能打印;即使是运动物体，只要突破了机器的限制，未来也能打印。因此，有人把3D打印称作“第四次工业革命”。

航空工业西飞模具锻铸厂，就有一群不断学习、紧密跟踪、适时应用3D打印技术的人，他们在2009年起步，创下了航空工业的行业之先;他们最先把3D打印运用到飞机零部件生产，开了飞机制造主机场生产应用的先河。让我们聚焦团队成员之一的何坤，讲一讲何坤与3D打印共同成长的故事——

一

从3D打印机里取出这件刚刚打印好的方框支架，何坤欣喜异常。

他没有想到，这件400mm×350mm×300mm尺寸、壁厚很薄、内部结构又很复杂的零件，经过了这样一番曲折：公司设计部门起初考虑用数控加工的方法生产，但是数控铣刀无法铣出那么复杂的内部构造;后来把活交给型架夹具厂，想尝试用拼焊的方法生产，但是型架夹具厂几次试验，都因为变形量无法控制而难以满足使用要求;最后，有点“无计可施”了，才有人建议把活交给模具锻铸厂;结果，模具锻铸厂“3D极客空间”的工作团队愉快应战，并很快交出圆满答卷。不但打印件的精准度与工艺要求丝毫不差，而且所用塑料的材质也有着足够的强度，能够像金属试验件一样，拿来直接使用。

“这种直接完成零件产品的打印，是3D打印很了不起的应用之一。”何坤自豪地说，“咱们眼前就是一台桌面级融熔沉积成形（简称FDM）3D打印机。在电脑上，把产品的CAD数模导入切片软件，设置好关键参数;再按下打印机上的‘加工按钮，3D打印机就开始工作了。透过那个小小的视窗，你会看到一盘塑料丝被源源不断地送进一根长管，经过加热熔化，从喷嘴一点点吐出。这些熔化的丝材在各个片层堆积、粘接，就‘打印出设计零件的实体了。”

看出得，经过四年的历练，何坤已经成了3D打印的行家里手。

二

可是，四年前，他却什么都不懂。

2014年8月6日，何坤——这位山东理工大学热处理专业的研究生一一被分配到技装总厂精铸车间工艺室。令何坤终生难忘的是，当时的技术副厂长王奋刚介绍车间情况时，传授给他。3D打印+精密铸造”的理念，把他带进“3D打印”之门。

王奋刚说：“飞机生产中，有很多金属零件，由于不规则的复杂外形或较复杂的内腔结构，而不能用锻造或机器加工的方法生产，只能采用铸造的方法，这使得精密铸造具有很多优势。但是，铸造的生产过程复杂且冗长：压制蜡模的金属模具制作，一般要花几周、甚至几个月的时间;然后再制壳、熔铸、切割、修形，最后才得到铸件成品。除了耗时，铸造还很费工，50%-80%的制造费用出自人工。如果把模具费用分摊，小批量生产明显没有成本优势;单件生产的话，其成本更是接近“天价”！

“但是，3D打印的发展，使得单件试制、小批量、个性化的定制加工成为可能。利用3D打印直接制作熔模，无需开模，就可以大大节省模具制作的周期和费用。”王奋刚一边说，一边带他来到一个方方正正的箱体跟前，“这是公司2011年买来的一台选区激光烧结（简称SLS）3D打印机，能够一次成形700mm×700mm×500mm尺寸的零件。咱们车间从2009年开始3D打印的学习和摸索，起步较早，同时也是国内首家将3D打印用到飞机零件部生产的单位。2013年8月，林宗棠、耿汝光、唐长红等航空工业领导、专家，带着好几拔人，直奔咱们车间，调研3D打印的应用状况。可以预见，在不久的将来，飞机精密铸件的无模具快速制造，一定会越用越多、越用越广。”

王奋刚的话，一下点燃了何坤“干大事”的激情。他没想到，传统的铸造有这么多学问，不仅不是低端和落后，竟然还“直通”到最前沿的3D打印技術！这个领域大有可为！

他仔细阅读设备说明书，没过多久，就学懂弄通了这台3D打印机的所有操作。

三

但是，何坤很快发现，这种SLS 3D打印机，打印的产品只有5Mpa强度，拿取时稍不小心就可能捏碎。一位同事告诉他：在产品表面刷上树脂能够增加强度。果然，刷上树脂的打印件，强度提高到了lOMpa，拿在手上进行外观检查或三维感知时，再不那么容易破碎了。

2015年初，随着3D打印的应用范围不断扩大，公司设计部门对3D打印获得的试验样件提出更高要求：不仅用于外观检查，最好还能打孔和连接，满足一定的装配需求。这样一来，打印件的强度最好达到50Mpa！

怎样进一步提高打印件强度呢？何坤带着问题进行了一番探寻，好不容易找到答案：原来，过去使用PSB（聚苯乙烯塑料）粉末的打印材料，就只能打印出低强度的塑料件;想进一步提高强度，通常的办法是，购置可打印高强度材料的新型3D打印机，而一台这种性能的工业级设备，至少需要几百万元！

太贵了！何坤知道，公司短期内不太可能立即采购;即使采购，光是论证、审批的手续办下来，恐怕也得一年多时间。可是，生产需求那么紧迫，该怎么办呢？

就在他一筹莫展之际，朋友推荐了一款民用级、低成本的FDM 3D打印机，每台售价仅一万多元。

他怀疑，这么便宜的3D打印机，能用、好用、管用吗？他全程注视着厂商演示打印出一朵玫瑰花。结果，打印质量好得令他难以置信：那包裹式的曲面花瓣，是多么复杂的外形，那零点几毫米的花瓣间隙，是多么精巧的细节，竟然都被这台打印机“毫发无损”地呈现出来，外观漂亮，强度又高，真是质优、价廉！——几乎没有太多犹豫，他就建议公司把这台桌面级FDM 3D打印机买了回来。

四

可是，拿到打印出的试验样件进行装配时，何坤发现，这台新买的3D打印机生产的零件，尺寸偏小！

经销商说，他们这种民用级的3D打印机，主要用于新品研发和模型制作，大点小点都很正常，用户一般也没有过高精度要求;没想到，你们是买回去生产精密零件的！“至于尺寸偏小的问题，”经销商说，“应该是打印机的系统性误差，就看你们能不能摸索出内在规律。”

受到这个启发，何坤马上开始了对3D打印机系统性误差的摸索：他打印了大量标准长度的样件，通过理论尺寸与实际尺寸的比对，找到变化规律，并计算出尺寸补偿参数。在以后的零件生产中，增加了尺寸补偿，他能够把产品的尺寸误差控制在每米0.3mm-0.5mm的范围，几乎做到了“无缺损”打印。

这个成绩，也是何坤非常自豪的：他没有想到，这种以补偿参数来解决系统性误差的方法，竟然让这台万元售价的民用级3D打印机，实现了几百万元工业级3D打印机的功能！花了小钱，办成大事！

五

扫除“障碍”后，这台FDM 3D打印机“用处”越来越大：不仅能打印常规的试验件、模具、模型，而且还能打印生产现场的部分工具;类似本文开头提到的那个方框支架一样、结构复杂得连数控设备都难以加工的零件，它也能生产。这让同事和用户单位赞不绝口！

同时，它在环保方面的“好处”也顯而易见：以前的SLS 3D打印机，打印材料为PSB粉末，在熔模生产过程中会产生大量的粉尘，在制壳过程中会产生大量的烟气;但是，FDM 3D打印机，使用了PLA（聚乳酸）环保塑料后，成形过程不产生粉尘，操作工人再不用天天捂上厚厚的防护服，他们的工作环境和职业健康都得到了改善！

于是，何坤大胆设想：能不能开展“PLA材料FDM快速铸造”工艺研究，在更大程度、更大范围、更多应用的飞机零件生产中，推广使用PLA材料的3D打印？2017年12月，他试着用PLA材料制作了4件熔模，经过精铸加工，生产出的铸件完全满足使用需求——这正是他预期的目标！就像一缕灿烂的晨光，让他看到：只要工艺技术成熟，3D打印的广阔应用就会迅速铺展，前景一片光明！

六

2017年10月，模具锻铸厂“3D极客空间”团队参加了陕西省模具协会3D打印创意大赛，荣获一等奖;后来参评2018年陕西省职业技能大赛，荣获团队金奖。

在模具锻铸厂“3D极客空间”工作室里，新任厂长郝巨深有感触地说：“得益于原技装总厂那些老领导的智慧和远见，我们的3D打印业务发展强劲。但是，国内外3D打印的技术研发却是突飞猛进、一日千里的;我们唯有时刻保持猎鹰般敏锐的觉察和高远的视野，密切关注行业动态、密切跟踪前沿技术，并适时、动态地把3D打印最新成果用于公司科研生产，学以致用，我们才能在3D打印的‘快车道上，努力‘跟紧而不‘掉队！我们就是要弘扬这种敢为人先、守正出新、不断超越的创业精神，依靠技术进步，推动企业发展！”

看着墙上的发展理念，郝巨信心满满地说“我们的奋斗目标是：建成飞机产品设计、制造一体化的3D打印应用平台，专注技术、追求极致、博采众长、迭代成长，让3D打印成为模具锻铸厂在公司内、航空工业西飞在行业内一张靓丽的名片！”

回顾自己与3D打印共同成长的经历，何坤说：“实在太幸运了，我要不断刻苦、不断进步，在钟爱的3D打印业务上有所成、有大成！”