與3D打印共成長

孫海盟

我們的奮斗目標是：建成飛機產品設計、制造一體化的3D打印應用平臺，專注技術、追求極致、博采眾長、迭代成長。

20世紀90年代，3D打印剛一出現，人們就發現其“巧奪天工”的神奇：以數模文件為基礎，用粉末狀、可粘合的塑料或金屬材料，就能“打印”出真實的3D物件，比如一個機器人、一輛玩具車、各種模型、產品零件，甚至食品、藥品、血管等——幾乎任何靜態的形狀它都能打印;即使是運動物體，只要突破了機器的限制，未來也能打印。因此，有人把3D打印稱作“第四次工業革命”。

航空工業西飛模具鍛鑄廠，就有一群不斷學習、緊密跟蹤、適時應用3D打印技術的人，他們在2009年起步，創下了航空工業的行業之先;他們最先把3D打印運用到飛機零部件生產，開了飛機制造主機場生產應用的先河。讓我們聚焦團隊成員之一的何坤，講一講何坤與3D打印共同成長的故事——

一

從3D打印機里取出這件剛剛打印好的方框支架，何坤欣喜異常。

他沒有想到，這件400mm×350mm×300mm尺寸、壁厚很薄、內部結構又很復雜的零件，經過了這樣一番曲折：公司設計部門起初考慮用數控加工的方法生產，但是數控銑刀無法銑出那么復雜的內部構造;后來把活交給型架夾具廠，想嘗試用拼焊的方法生產，但是型架夾具廠幾次試驗，都因為變形量無法控制而難以滿足使用要求;最后，有點“無計可施”了，才有人建議把活交給模具鍛鑄廠;結果，模具鍛鑄廠“3D極客空間”的工作團隊愉快應戰，并很快交出圓滿答卷。不但打印件的精準度與工藝要求絲毫不差，而且所用塑料的材質也有著足夠的強度，能夠像金屬試驗件一樣，拿來直接使用。

“這種直接完成零件產品的打印，是3D打印很了不起的應用之一。”何坤自豪地說，“咱們眼前就是一臺桌面級融熔沉積成形（簡稱FDM）3D打印機。在電腦上，把產品的CAD數模導入切片軟件，設置好關鍵參數;再按下打印機上的‘加工按鈕，3D打印機就開始工作了。透過那個小小的視窗，你會看到一盤塑料絲被源源不斷地送進一根長管，經過加熱熔化，從噴嘴一點點吐出。這些熔化的絲材在各個片層堆積、粘接，就‘打印出設計零件的實體了。”

看出得，經過四年的歷練，何坤已經成了3D打印的行家里手。

二

可是，四年前，他卻什么都不懂。

2014年8月6日，何坤——這位山東理工大學熱處理專業的研究生一一被分配到技裝總廠精鑄車間工藝室。令何坤終生難忘的是，當時的技術副廠長王奮剛介紹車間情況時，傳授給他。3D打印+精密鑄造”的理念，把他帶進“3D打印”之門。

王奮剛說：“飛機生產中，有很多金屬零件，由于不規則的復雜外形或較復雜的內腔結構，而不能用鍛造或機器加工的方法生產，只能采用鑄造的方法，這使得精密鑄造具有很多優勢。但是，鑄造的生產過程復雜且冗長：壓制蠟模的金屬模具制作，一般要花幾周、甚至幾個月的時間;然后再制殼、熔鑄、切割、修形，最后才得到鑄件成品。除了耗時，鑄造還很費工，50%-80%的制造費用出自人工。如果把模具費用分攤，小批量生產明顯沒有成本優勢;單件生產的話，其成本更是接近“天價”！

“但是，3D打印的發展，使得單件試制、小批量、個性化的定制加工成為可能。利用3D打印直接制作熔模，無需開模，就可以大大節省模具制作的周期和費用。”王奮剛一邊說，一邊帶他來到一個方方正正的箱體跟前，“這是公司2011年買來的一臺選區激光燒結（簡稱SLS）3D打印機，能夠一次成形700mm×700mm×500mm尺寸的零件。咱們車間從2009年開始3D打印的學習和摸索，起步較早，同時也是國內首家將3D打印用到飛機零件部生產的單位。2013年8月，林宗棠、耿汝光、唐長紅等航空工業領導、專家，帶著好幾拔人，直奔咱們車間，調研3D打印的應用狀況。可以預見，在不久的將來，飛機精密鑄件的無模具快速制造，一定會越用越多、越用越廣。”

王奮剛的話，一下點燃了何坤“干大事”的激情。他沒想到，傳統的鑄造有這么多學問，不僅不是低端和落后，竟然還“直通”到最前沿的3D打印技術！這個領域大有可為！

他仔細閱讀設備說明書，沒過多久，就學懂弄通了這臺3D打印機的所有操作。

三

但是，何坤很快發現，這種SLS 3D打印機，打印的產品只有5Mpa強度，拿取時稍不小心就可能捏碎。一位同事告訴他：在產品表面刷上樹脂能夠增加強度。果然，刷上樹脂的打印件，強度提高到了lOMpa，拿在手上進行外觀檢查或三維感知時，再不那么容易破碎了。

2015年初，隨著3D打印的應用范圍不斷擴大，公司設計部門對3D打印獲得的試驗樣件提出更高要求：不僅用于外觀檢查，最好還能打孔和連接，滿足一定的裝配需求。這樣一來，打印件的強度最好達到50Mpa！

怎樣進一步提高打印件強度呢？何坤帶著問題進行了一番探尋，好不容易找到答案：原來，過去使用PSB（聚苯乙烯塑料）粉末的打印材料，就只能打印出低強度的塑料件;想進一步提高強度，通常的辦法是，購置可打印高強度材料的新型3D打印機，而一臺這種性能的工業級設備，至少需要幾百萬元！

太貴了！何坤知道，公司短期內不太可能立即采購;即使采購，光是論證、審批的手續辦下來，恐怕也得一年多時間。可是，生產需求那么緊迫，該怎么辦呢？

就在他一籌莫展之際，朋友推薦了一款民用級、低成本的FDM 3D打印機，每臺售價僅一萬多元。

他懷疑，這么便宜的3D打印機，能用、好用、管用嗎？他全程注視著廠商演示打印出一朵玫瑰花。結果，打印質量好得令他難以置信：那包裹式的曲面花瓣，是多么復雜的外形，那零點幾毫米的花瓣間隙，是多么精巧的細節，竟然都被這臺打印機“毫發無損”地呈現出來，外觀漂亮，強度又高，真是質優、價廉！——幾乎沒有太多猶豫，他就建議公司把這臺桌面級FDM 3D打印機買了回來。

四

可是，拿到打印出的試驗樣件進行裝配時，何坤發現，這臺新買的3D打印機生產的零件，尺寸偏小！

經銷商說，他們這種民用級的3D打印機，主要用于新品研發和模型制作，大點小點都很正常，用戶一般也沒有過高精度要求;沒想到，你們是買回去生產精密零件的！“至于尺寸偏小的問題，”經銷商說，“應該是打印機的系統性誤差，就看你們能不能摸索出內在規律。”

受到這個啟發，何坤馬上開始了對3D打印機系統性誤差的摸索：他打印了大量標準長度的樣件，通過理論尺寸與實際尺寸的比對，找到變化規律，并計算出尺寸補償參數。在以后的零件生產中，增加了尺寸補償，他能夠把產品的尺寸誤差控制在每米0.3mm-0.5mm的范圍，幾乎做到了“無缺損”打印。

這個成績，也是何坤非常自豪的：他沒有想到，這種以補償參數來解決系統性誤差的方法，竟然讓這臺萬元售價的民用級3D打印機，實現了幾百萬元工業級3D打印機的功能！花了小錢，辦成大事！

五

掃除“障礙”后，這臺FDM 3D打印機“用處”越來越大：不僅能打印常規的試驗件、模具、模型，而且還能打印生產現場的部分工具;類似本文開頭提到的那個方框支架一樣、結構復雜得連數控設備都難以加工的零件，它也能生產。這讓同事和用戶單位贊不絕口！

同時，它在環保方面的“好處”也顯而易見：以前的SLS 3D打印機，打印材料為PSB粉末，在熔模生產過程中會產生大量的粉塵，在制殼過程中會產生大量的煙氣;但是，FDM 3D打印機，使用了PLA（聚乳酸）環保塑料后，成形過程不產生粉塵，操作工人再不用天天捂上厚厚的防護服，他們的工作環境和職業健康都得到了改善！

于是，何坤大膽設想：能不能開展“PLA材料FDM快速鑄造”工藝研究，在更大程度、更大范圍、更多應用的飛機零件生產中，推廣使用PLA材料的3D打印？2017年12月，他試著用PLA材料制作了4件熔模，經過精鑄加工，生產出的鑄件完全滿足使用需求——這正是他預期的目標！就像一縷燦爛的晨光，讓他看到：只要工藝技術成熟，3D打印的廣闊應用就會迅速鋪展，前景一片光明！

六

2017年10月，模具鍛鑄廠“3D極客空間”團隊參加了陜西省模具協會3D打印創意大賽，榮獲一等獎;后來參評2018年陜西省職業技能大賽，榮獲團隊金獎。

在模具鍛鑄廠“3D極客空間”工作室里，新任廠長郝巨深有感觸地說：“得益于原技裝總廠那些老領導的智慧和遠見，我們的3D打印業務發展強勁。但是，國內外3D打印的技術研發卻是突飛猛進、一日千里的;我們唯有時刻保持獵鷹般敏銳的覺察和高遠的視野，密切關注行業動態、密切跟蹤前沿技術，并適時、動態地把3D打印最新成果用于公司科研生產，學以致用，我們才能在3D打印的‘快車道上，努力‘跟緊而不‘掉隊！我們就是要弘揚這種敢為人先、守正出新、不斷超越的創業精神，依靠技術進步，推動企業發展！”

看著墻上的發展理念，郝巨信心滿滿地說“我們的奮斗目標是：建成飛機產品設計、制造一體化的3D打印應用平臺，專注技術、追求極致、博采眾長、迭代成長，讓3D打印成為模具鍛鑄廠在公司內、航空工業西飛在行業內一張靚麗的名片！”

回顧自己與3D打印共同成長的經歷，何坤說：“實在太幸運了，我要不斷刻苦、不斷進步，在鐘愛的3D打印業務上有所成、有大成！”