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Q20及其打印樣品

增材制造具有無模具快速自由成形,、全數(shù)字化,、高柔性等技術特征，可以制造近乎無限復雜的幾何結構,，可應用于絕大多數(shù)材料種類的制造,。新產(chǎn)品的快速開發(fā)、個性化制造,、傳統(tǒng)技術難以應對的極端復雜結構件,、最優(yōu)化設計顯著提升產(chǎn)品功能都是增材制造的重要應用方向

十九大報告指出，要加快建設制造強國,，加快發(fā)展先進制造業(yè),，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù),、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合,，在中高端消費、創(chuàng)新引領,、綠色低碳,、共享經(jīng)濟、現(xiàn)代供應鏈,、人力資本服務等領域培育新增長點,、形成新動能。這為我國科技企業(yè)的發(fā)展指明了方向,。

作為互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)深度結合的產(chǎn)物,，3D打印技術正在為傳統(tǒng)制造業(yè)轉型升級帶來無限新的可能。國際數(shù)據(jù)公司IDC預計,，未來5年,，全球3D打印市場將以22.3%的年復合增長率擴大,，2020年達到289億美元。


精確制造復雜零件

美國材料與試驗協(xié)會增材制造技術委員會將“采用打印頭,、噴嘴或其他打印技術,，通過材料沉積的方法制造物體”定義為3D打印。近年來,，3D打印技術得到了快速發(fā)展。

3D打印通常是指利用低成本,、功能簡單的桌面級設備進行的增材制造,，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股份有限公司北方區(qū)域經(jīng)理左全杉介紹道,，通過數(shù)字化增加材料的方式進行的制造即為增材制造,。對應地，傳統(tǒng)的機械加工方法是“減材制造”,，鍛造或鑄造方法是“等材制造”,。

▲Autodesk設計并3D打印的金屬座椅框架，重量減輕56%

“增材制造具有無模具快速自由成形,、全數(shù)字化,、高柔性等技術特征，可以制造近乎無限復雜的幾何結構,，可應用于絕大多數(shù)材料種類的制造,。”左全杉表示,，新產(chǎn)品的快速開發(fā),、個性化制造、傳統(tǒng)技術難以應對的極端復雜結構件,、最優(yōu)化設計顯著提升產(chǎn)品功能都是增材制造的重要應用方向,。

雖然增材制造技術有著廣闊的應用前景，但仍有人認為,，3D打印存在致命的缺點,，因為其所打印實物的結構中存在孔隙。對此,，清華大學天津高端裝備研究院增材制造技術研究所副所長郭超從技術和應用層面作出了解釋,。郭超表示，“這種現(xiàn)象確實存在,，但并不是所有的材料都會出現(xiàn)這種現(xiàn)象,。通過X射線斷層掃描進行檢測,，我們發(fā)現(xiàn)，電子束3D打印的致密度達到了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”的重要類型,。

“金屬3D打印可以分為熔覆類和粉床類兩種類型�,！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；后者最大的特點是精確,，可用于中小零件及形狀復雜零件的制作,。”從能量源的角度劃分,，粉床類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度大概為一米左右,�,！�


獲得更高力學性能

隨著金屬3D打印技術逐漸應用到產(chǎn)業(yè)，一些相應的力學性能問題也引發(fā)了學界和業(yè)內(nèi)人士的思考,。在技術構思期,，常見的質(zhì)疑如金屬增材制造技術能夠?qū)崿F(xiàn)極高力學性能嗎？有原型制造專家甚至斷言：已有的快速成形技術所獲零件性能都不高,，只能用于原型制造,。而技術發(fā)展期，人們又會問,，鑄態(tài)材料如何實現(xiàn)鍛件性能,？

事實上，伴隨著金屬3D打印技術應用轉化的深入推進,，這些問題的答案也逐漸清晰,。左全杉表示，金屬增材制造產(chǎn)品的力學性能主要表現(xiàn)為三個方面：成分均勻,，從粉末成形到小熔池凝固基本無宏觀偏析,；材質(zhì)致密,，固/液界面平滑，能夠?qū)崿F(xiàn)充分補縮,；組織細小,，可以達成快速凝固。由此看出,，“增材成形原理并不排除實現(xiàn)極高力學性能的可能性,，只要成形點的材料性能高，而且點與點,、道與道,、層與層之間良好結合，金屬增材制造技術完全可以實現(xiàn)極高力學性能”,。

▲法國Prodways公司用其快速增材鍛造技術（RAF）3D打印的金屬件

針對鑄態(tài)材料與鍛件性能的優(yōu)劣問題，左全杉說,，“為什么一般情況下鍛件性能優(yōu)于鑄件性能,？從材料學角度講，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,、組織細小、雜質(zhì)均勻分布的特點,，補足了鑄態(tài)材料的缺陷,。”

此外,，也有質(zhì)量專家對金屬3D打印構件在工程應用期的使用性能表示憂慮,，指出逐點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,？對此,，左全杉表示，由于金屬增材制造的逐點成形提供了逐點控制的條件,，反而更有機會實現(xiàn)整個零件成形條件的高度一致性,。“當然,，這種高度一致性的前提是對構件的成形過程以及裝備的高控制精度有著全面深刻的科學認識,。”左全杉補充道,，“獲得更高力學性能的前景其實是發(fā)展增材制造的專用合金體系,�,！�

3D打印的力學問題也是郭超在研究過程中遇到的重要問題�,！傲私�3D打印,，特別是金屬3D打印的人，都知道3D打印一個特別重要的考量就是要降低應力,，避免打印過程中的變形,。”郭超表示,，“溫度相差越大,，應力越大。而目前的金屬電子束技術具有更高的能量密度和粉床溫度,，可以實現(xiàn)制造,、熱處理一體化，在打印過程中已經(jīng)特別不容易變形或開裂,，不需要傳統(tǒng)制造方式中后續(xù)進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打印技術主要應用于航空航天,、醫(yī)療植入體等領域。郭超表示,，在航空航天領域,，激光3D打印有很多應用，“因為它可以制造一些輕量化的,、復雜的結構,，而電子束的一個‘殺手锏級’的應用，也是目前工業(yè)上非常經(jīng)典的應用,，就是航空發(fā)動機的低壓渦輪葉片,。”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%,，“可以預見的是，未來十年,，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，金屬增材制造技術在航空航天領域的應用體現(xiàn)為高性能修復,、極端復雜的結構件制造,、功能強化、減重四個方面,。以美國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使F15戰(zhàn)斗機中機翼梁的檢修周期縮短為1周,，F(xiàn)15飛機腐蝕損傷零件的更換周期大幅度縮短。而瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院采用激光立體成形技術修復單晶渦輪葉片,，單晶渦輪葉片修復中損傷葉片的激光修復時間僅為1~3分鐘/片,。

▲西門子的3D打印燃氣輪機葉片，已通過1250℃下1.3萬轉/分鐘的測試

近年來,，醫(yī)療植入體沿著從標準化到個性化的軌跡快速發(fā)展,。郭超說，“目前來講,，國內(nèi)外市場上普遍使用的都還是標準化的植入體,，下一步的趨勢是個性化，即每一個骨骼植入體不僅尺寸相異,，形狀和外觀也不同,。”通過與CT掃描技術緊密結合,，3D電子束打印可以根據(jù)患者的具體情況定做骨頭,。“掃描出來的結果通過數(shù)字化方法很快形成需要的修復體,，把圖紙發(fā)過去即可直接制作實體構件，72小時之內(nèi),，這個植入體就能到達醫(yī)生手上,，為患者進行手術�,！�

“3D打印的骨骼構件有一個非常明顯的特點就是其表面特殊的二級網(wǎng)格狀結構,，是一種仿生結構，模擬人體的骨骼,。這種結構植入到人體之后,，骨頭可以直接生長到電子束打印的構件中，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)應用非�,；鸨�的原因�,！惫�超認為,，“只需五到六年，3D打印在骨科方面的應用會快速覆蓋到整個醫(yī)療行業(yè),�,！�

未來，郭超希望金屬3D打印技術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,�,！�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,、化學成分以及強度,、疲勞等性能，形成‘材料—參數(shù)—性能’數(shù)據(jù)庫,�,！贝送猓�郭超表��,，“希望‘3D打印+’注重更加民用化的方向,，這也是3D打印未來發(fā)展的一個重要趨勢�,！�

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來源：科學網(wǎng)