攻克“卡脖子”難題，500公斤全等軸晶液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備下線

2020年10月28日,，南極熊注意到,，本月24日上海交通大學(xué)全等軸晶3D打印裝備首臺套在昆山周市鎮(zhèn)下線。相關(guān)新聞中表示：“這意味著我國在國際上首次制備出全等軸晶組織的鑄錠,，打破了高端鋁合金材料鑄錠制造技術(shù)的國際壟斷,，也破解了我國大飛機(jī)制造關(guān)鍵材料“卡脖子”難題�,！�

△報道視頻

那么“全等軸晶3D打印裝備”究竟是什么樣的一種技術(shù),，這個項目又是怎樣的呢？南極熊為您逐步解析：

項目發(fā)展歷程

2019年04月10日,，昆山晶微新材料研究院成立,，上海交大材料學(xué)院院長孫寶德、上海交通大學(xué)材料學(xué)院研究員張佼作為核心成員,。

2019年7月16日,，昆山市與上海交通大學(xué)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,，面向大飛機(jī)的全等軸晶材料3D打印智能裝備項目落戶蘇州周市鎮(zhèn)。上海交大材料學(xué)院技術(shù)團(tuán)隊,，將開展面向大飛機(jī)的全等軸晶材料3D打印智能裝備項目研究和產(chǎn)業(yè)化,，實(shí)現(xiàn)重要航空鋁材生產(chǎn)技術(shù)的自主可控，破解我國大飛機(jī)制造關(guān)鍵材料的“卡脖子”問題,，解決我國核心技術(shù)領(lǐng)域國產(chǎn)化問題,。

△2019年生產(chǎn)出20kg級全等軸晶鑄錠

2020年10月24日，全等軸晶3D打印裝備首臺套在昆山周市鎮(zhèn)下線,。項目由上海交大材料學(xué)院孫寶德院長團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo),，得到國家科技部重大科研項目支持，經(jīng)過近兩年的攻關(guān),，已經(jīng)成功地走出了從科研成果向創(chuàng)新產(chǎn)品邁進(jìn)的第一步,。

昆山晶微新材料研究院研制的首臺500公斤液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)液態(tài)金屬3D打印的增材成型方法,，而且產(chǎn)品為全等軸晶組織,，鋁的強(qiáng)度、均勻性,、一致性等性能指標(biāo),，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造工藝，技術(shù)已成功申請了海內(nèi)外30多項發(fā)明專利,。

項目總投資約8億元,，預(yù)計五年內(nèi)完成科研產(chǎn)業(yè)化項目3項，全等軸晶高性能航空鋁鑄錠裝備試制超過10噸級,，目前,，已完成首臺500公斤液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備組裝 ，占地面積40畝的3D打印智能裝備生產(chǎn)項目一期工程也將在年內(nèi)交付,�,；顒蝇F(xiàn)場還進(jìn)行了上交大全等軸晶3D打印裝備訂購合同簽約儀式。

核心技術(shù)

1,、增材法快速凝固全等軸晶鋁合金鑄錠的制備方法及裝置（專利申請?zhí)?01710421415.X）

項目團(tuán)隊針對現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備和工藝較為復(fù)雜能耗較高且局部偏析難以避免，難以制備完全的從宏觀到微觀的無偏析鑄錠的缺陷,，提出一種增材法快速凝固全等軸晶鋁合金鑄錠的制備方法及裝置,，通過將霧化噴射改為液態(tài)注射的工藝手段提高合金錠的致密度，減輕其氧化,，同時提高了鑄錠的生產(chǎn)效率,，可以快速制備具有更為細(xì)小均勻的全等軸晶組織且完全消除宏觀偏析的鋁及其合金鑄錠。

2,、陣列噴射式大尺寸全等軸晶鋁合金錠增材制造裝備及方法（專利申請?zhí)?01811363977.4）

該方法生產(chǎn)效率高,，可以制備超大尺寸鋁合金鑄錠,，凝固組織為全等軸晶，且無宏觀偏析,。與現(xiàn)有技術(shù)相比,，本技術(shù)通過產(chǎn)生負(fù)壓使大體積熔體經(jīng)噴射形成穩(wěn)定連續(xù)金屬液柱，通過對多個噴嘴進(jìn)行陣列式的排布設(shè)計,，使大體積鋁液均勻分散形成數(shù)十乃至數(shù)百股連續(xù)液流,，結(jié)合下方快速冷凝臺的三維運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)薄層鋁液的大面積鋪展并通過連續(xù)凝固形成鑄錠,。

3,、等軸晶鋁合金的高動量快速成型制備裝置及方法（專利申請?zhí)枺篊N201910513418.5）

什么是“等軸晶”

晶粒在各方向上尺寸相差較小的晶粒叫等軸晶，南極熊在一本書的配圖中找到了等軸晶,、柱狀晶,、單晶的對比圖。

傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的金屬鑄錠由中心等軸晶+柱狀晶區(qū)+表面細(xì)晶區(qū)組成,，而上海交大材料學(xué)院孫寶德團(tuán)隊制造出的鑄錠為全等軸晶,。

500公斤全等軸晶液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備制造出的鑄錠。跟我們常規(guī)所見到的3D打印技術(shù)不同,，這個液態(tài)金屬3D打印應(yīng)該是用層層累加的理念,，來制造鑄錠。

應(yīng)用領(lǐng)域

全等軸晶鑄造技術(shù)與裝備可廣泛應(yīng)用于鋁合金及其它合金大型零部件制造,，推動核電,、航空、航天,、電子等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新,。

1、航天航空及國防領(lǐng)域

“輕量化”,、“高強(qiáng)度”,、“高性能”及“復(fù)雜零件集成化”一直是航空航天零部件制造和研發(fā)的主要目標(biāo)。3D打印技術(shù)所制造出來的零件能夠很好地迎合這些要求,。其應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）縮短新型航空航天裝備及零部件的研發(fā)周期,；2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計得以實(shí)現(xiàn)；3）滿足輕量化需求,；4）提升航空航天裝備的零部件強(qiáng)度和耐用性,；5）提高材料的利用率，降低制造成本,。

2,、汽車工業(yè)

3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用貫穿汽車整個生命周期，包括研發(fā),、生產(chǎn)以及使用環(huán)節(jié),。隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展,、車企對3D打印認(rèn)知度提高以及汽車行業(yè)自身發(fā)展需求，3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用將向市場空間更大的生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)擴(kuò)展,，在最終零部件生產(chǎn),、汽車維修、汽車改裝等方面的應(yīng)用將逐漸提高,。

3,、模具行業(yè)

CNC加工(Computerized Numerical Control 計算機(jī)數(shù)字控制加工中心)是在制造模具時最常用的技術(shù)。雖然它能夠提供高度可靠的結(jié)果,，但同時也非常昂貴和費(fèi)時,。所以很多模具制造企業(yè)也開始尋找更加有效的替代方式，3D打印技術(shù)就是一個很好的替代方式,。

3D打印模具涵蓋了多個優(yōu)點(diǎn),，包括：①模具生產(chǎn)周期縮短；②制造成本降低,；③模具設(shè)計的改進(jìn)為終端產(chǎn)品增加了更多的功能性如隨型水冷等,；④優(yōu)化工具更符合人體工學(xué)和提升最低性能；⑤定制模具幫助實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的定制化,，提升注塑模具的生產(chǎn)效率以及模具壽命,。

4、消費(fèi)和電子產(chǎn)品行業(yè)

借助3D打印的優(yōu)勢,，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,，大幅削減設(shè)計成本，現(xiàn)有的3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜設(shè)計的模型制作,，賦予設(shè)計師更多的自由,，產(chǎn)品設(shè)計水平大幅提升，這對于消費(fèi)品行業(yè)意義重大,。

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