金屬3D打印變革傳統(tǒng)制造方式

▲瑞典Arcam公司的電子束金屬3D打印機(jī)Q20及其打印樣品

增材制造具有無(wú)模具快速自由成形,、全數(shù)字化、高柔性等技術(shù)特征,，可以制造近乎無(wú)限復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu),，可應(yīng)用于絕大多數(shù)材料種類(lèi)的制造。新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā),、個(gè)性化制造,、傳統(tǒng)技術(shù)難以應(yīng)對(duì)的極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)件,、最優(yōu)化設(shè)計(jì)顯著提升產(chǎn)品功能都是增材制造的重要應(yīng)用方向

十九大報(bào)告指出，要加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó),，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè),，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù),、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合,，在中高端消費(fèi)、創(chuàng)新引領(lǐng),、綠色低碳,、共享經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)代供應(yīng)鏈,、人力資本服務(wù)等領(lǐng)域培育新增長(zhǎng)點(diǎn)、形成新動(dòng)能,。這為我國(guó)科技企業(yè)的發(fā)展指明了方向,。

作為互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)深度結(jié)合的產(chǎn)物，3D打印技術(shù)正在為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來(lái)無(wú)限新的可能,。國(guó)際數(shù)據(jù)公司IDC預(yù)計(jì),，未來(lái)5年，全球3D打印市場(chǎng)將以22.3%的年復(fù)合增長(zhǎng)率擴(kuò)大,，2020年達(dá)到289億美元,。


精確制造復(fù)雜零件

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)增材制造技術(shù)委員會(huì)將“采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù),，通過(guò)材料沉積的方法制造物體”定義為3D打印,。近年來(lái)，3D打印技術(shù)得到了快速發(fā)展,。

3D打印通常是指利用低成本,、功能簡(jiǎn)單的桌面級(jí)設(shè)備進(jìn)行的增材制造，即面向大眾的,、普及版的增材制造,。那么，什么是增材制造,？西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司北方區(qū)域經(jīng)理左全杉介紹道,，通過(guò)數(shù)字化增加材料的方式進(jìn)行的制造即為增材制造。對(duì)應(yīng)地,，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法是“減材制造”,，鍛造或鑄造方法是“等材制造”。

▲Autodesk設(shè)計(jì)并3D打印的金屬座椅框架,，重量減輕56%

“增材制造具有無(wú)模具快速自由成形,、全數(shù)字化,、高柔性等技術(shù)特征，可以制造近乎無(wú)限復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu),，可應(yīng)用于絕大多數(shù)材料種類(lèi)的制造,。”左全杉表示,，新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā),、個(gè)性化制造、傳統(tǒng)技術(shù)難以應(yīng)對(duì)的極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)件,、最優(yōu)化設(shè)計(jì)顯著提升產(chǎn)品功能都是增材制造的重要應(yīng)用方向,。

雖然增材制造技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，但仍有人認(rèn)為,，3D打印存在致命的缺點(diǎn),，因?yàn)槠渌�打印�?shí)物的結(jié)構(gòu)中存在孔隙。對(duì)此,，清華大學(xué)天津高端裝備研究院增材制造技術(shù)研究所副所長(zhǎng)郭超從技術(shù)和應(yīng)用層面作出了解釋,。郭超表示，“這種現(xiàn)象確實(shí)存在,，但并不是所有的材料都會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象,。通過(guò)X射線斷層掃描進(jìn)行檢測(cè)，我們發(fā)現(xiàn),，電子束3D打印的致密度達(dá)到了99.96%,，已經(jīng)非常高了，接近于全致密度,�,！�

郭超所言的電子束3D打印其實(shí)是金屬3D打印的一種方式。郭超表示,，3D打印是一種變革式的生產(chǎn)方式,，而金屬3D打印就是這種“變革式生產(chǎn)方式”的重要類(lèi)型。

“金屬3D打印可以分為熔覆類(lèi)和粉床類(lèi)兩種類(lèi)型,�,！惫�超介紹道，“前者具有較高的生產(chǎn)效率,，通常適用于大型零件的打印,，但是它的精度不夠高，可以看出非常明顯的分層現(xiàn)象,；后者最大的特點(diǎn)是精確,，可用于中小零件及形狀復(fù)雜零件的制作�,！睆哪芰吭吹慕嵌葎澐�,，粉床類(lèi)打印又可以分為激光和電子束,。“目前使用激光打印的零件長(zhǎng)度大概為一米左右,�,！�


獲得更高力學(xué)性能

隨著金屬3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)，一些相應(yīng)的力學(xué)性能問(wèn)題也引發(fā)了學(xué)界和業(yè)內(nèi)人士的思考,。在技術(shù)構(gòu)思期,，常見(jiàn)的質(zhì)疑如金屬增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)極高力學(xué)性能嗎？有原型制造專(zhuān)家甚至斷言：已有的快速成形技術(shù)所獲零件性能都不高,，只能用于原型制造,。而技術(shù)發(fā)展期，人們又會(huì)問(wèn),，鑄態(tài)材料如何實(shí)現(xiàn)鍛件性能,？

事實(shí)上，伴隨著金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的深入推進(jìn),，這些問(wèn)題的答案也逐漸清晰,。左全杉表示，金屬增材制造產(chǎn)品的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：成分均勻,，從粉末成形到小熔池凝固基本無(wú)宏觀偏析,；材質(zhì)致密,，固/液界面平滑,，能夠?qū)崿F(xiàn)充分補(bǔ)縮；組織細(xì)小,，可以達(dá)成快速凝固,。由此看出，“增材成形原理并不排除實(shí)現(xiàn)極高力學(xué)性能的可能性,，只要成形點(diǎn)的材料性能高,，而且點(diǎn)與點(diǎn)、道與道,、層與層之間良好結(jié)合,，金屬增材制造技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)極高力學(xué)性能”。

▲法國(guó)Prodways公司用其快速增材鍛造技術(shù)（RAF）3D打印的金屬件

針對(duì)鑄態(tài)材料與鍛件性能的優(yōu)劣問(wèn)題,，左全杉說(shuō),，“為什么一般情況下鍛件性能優(yōu)于鑄件性能？從材料學(xué)角度講,，造成鑄件性能低的原因主要是縮松,、組織粗大、雜質(zhì)集中分布等方面的因素,，而金屬3D打印的激光立體成形件具有明顯的成分均勻,、材質(zhì)致密,、組織細(xì)小、雜質(zhì)均勻分布的特點(diǎn),，補(bǔ)足了鑄態(tài)材料的缺陷,。”

此外,，也有質(zhì)量專(zhuān)家對(duì)金屬3D打印構(gòu)件在工程應(yīng)用期的使用性能表示憂慮,，指出逐點(diǎn)制造如何保持整體性能的一致性？鑄件和鍛件的成形條件真的是處處一致嗎,？對(duì)此,，左全杉表示，由于金屬增材制造的逐點(diǎn)成形提供了逐點(diǎn)控制的條件,，反而更有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件成形條件的高度一致性,。“當(dāng)然,，這種高度一致性的前提是對(duì)構(gòu)件的成形過(guò)程以及裝備的高控制精度有著全面深刻的科學(xué)認(rèn)識(shí),。”左全杉補(bǔ)充道,，“獲得更高力學(xué)性能的前景其實(shí)是發(fā)展增材制造的專(zhuān)用合金體系,。”

3D打印的力學(xué)問(wèn)題也是郭超在研究過(guò)程中遇到的重要問(wèn)題,�,！傲私�3D打印，特別是金屬3D打印的人,，都知道3D打印一個(gè)特別重要的考量就是要降低應(yīng)力,，避免打印過(guò)程中的變形�,！惫�超表��,，“溫度相差越大，應(yīng)力越大,。而目前的金屬電子束技術(shù)具有更高的能量密度和粉床溫度,，可以實(shí)現(xiàn)制造、熱處理一體化,，在打印過(guò)程中已經(jīng)特別不容易變形或開(kāi)裂,，不需要傳統(tǒng)制造方式中后續(xù)進(jìn)行的金屬材料的熱處理工藝�,！�


解決傳統(tǒng)工藝難題

目前,，金屬3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療植入體等領(lǐng)域,。郭超表示,，在航空航天領(lǐng)域,，激光3D打印有很多應(yīng)用，“因?yàn)樗�可以制造一些輕量化的,、復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，而電子束的一個(gè)‘殺手锏級(jí)’的應(yīng)用，也是目前工業(yè)上非常經(jīng)典的應(yīng)用,，就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪葉片,。”航空鈦鋁合金葉片的制造成本與精密鑄造接近,，而重量輕30%,，“可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)十年,，鑄造行業(yè)傳統(tǒng)工藝被3D打印替代是不可阻擋的潮流”,。

左全杉介紹道，金屬增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)為高性能修復(fù),、極端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件制造,、功能強(qiáng)化、減重四個(gè)方面,。以美國(guó)AeroMet公司為例,，該公司采用金屬增材制造中的激光立體成形技術(shù)使F15戰(zhàn)斗機(jī)中機(jī)翼梁的檢修周期縮短為1周，F(xiàn)15飛機(jī)腐蝕損傷零件的更換周期大幅度縮短,。而瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院采用激光立體成形技術(shù)修復(fù)單晶渦輪葉片,，單晶渦輪葉片修復(fù)中損傷葉片的激光修復(fù)時(shí)間僅為1~3分鐘/片。

▲西門(mén)子的3D打印燃?xì)廨啓C(jī)葉片,，已通過(guò)1250℃下1.3萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘的測(cè)試

近年來(lái),，醫(yī)療植入體沿著從標(biāo)準(zhǔn)化到個(gè)性化的軌跡快速發(fā)展,。郭超說(shuō),，“目前來(lái)講，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上普遍使用的都還是標(biāo)準(zhǔn)化的植入體,，下一步的趨勢(shì)是個(gè)性化,，即每一個(gè)骨骼植入體不僅尺寸相異，形狀和外觀也不同,�,！蓖ㄟ^(guò)與CT掃描技術(shù)緊密結(jié)合，3D電子束打印可以根據(jù)患者的具體情況定做骨頭,�,！皰呙璩鰜�(lái)的結(jié)果通過(guò)數(shù)字化方法很快形成需要的修復(fù)體，把圖紙發(fā)過(guò)去即可直接制作實(shí)體構(gòu)件,，72小時(shí)之內(nèi),，這個(gè)植入體就能到達(dá)醫(yī)生手上,，為患者進(jìn)行手術(shù)�,！�

“3D打印的骨骼構(gòu)件有一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)就是其表面特殊的二級(jí)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu),，是一種仿生結(jié)構(gòu)，模擬人體的骨骼,。這種結(jié)構(gòu)植入到人體之后,，骨頭可以直接生長(zhǎng)到電子束打印的構(gòu)件中，形成非常好的生物固定,。這也是電子束3D打印目前在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用非�,；鸨�的原因�,！惫�超認(rèn)為,，“只需五到六年，3D打印在骨科方面的應(yīng)用會(huì)快速覆蓋到整個(gè)醫(yī)療行業(yè),�,！�

未來(lái)，郭超希望金屬3D打印技術(shù)更加注重核心零部件的自主化,，包括電子槍,、配套電源、聚焦掃描線圈,、高度線圈驅(qū)動(dòng),。“3D打印是系統(tǒng)化的工程,，是一套完整的解決方案,，要注重核心材料工藝自主化，從粉末材料到工藝參數(shù)包再到粗糙度,、致密度,、化學(xué)成分以及強(qiáng)度、疲勞等性能,，形成‘材料—參數(shù)—性能’數(shù)據(jù)庫(kù),。”此外,，郭超表示,，“希望‘3D打印+’注重更加民用化的方向，這也是3D打印未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì),�,！�

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