文/熊少翀 耿俊偉

探訪全球最大工作面—激光燒結(jié)快速制造裝備

文/熊少翀 耿俊偉

兩米多高、一米見方的大鐵箱子里，細(xì)細(xì)的激光束在薄層粉末上游走，鋪粉輥一次次把原料粉末均勻地平鋪在工作面上，這一幕不斷上演，旁邊的顯示屏上，顯示著三維結(jié)構(gòu)的制件正一點(diǎn)點(diǎn)地“生長(zhǎng)”出來。

這是近日記者在華中科技大學(xué)材料學(xué)院的快速制造中心，探訪該院副院長(zhǎng)史玉升教授和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的激光燒結(jié)快速制造裝備時(shí)，實(shí)地見證該裝備工作時(shí)的神奇一幕。這臺(tái)裝備工作面達(dá)1.2米×1.2米，是目前世界上最大工作面的同類裝備。

專家表示，這一裝備與工藝的開發(fā)表明，我國(guó)快速制造技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位，這也是我國(guó)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新突破。

隨你所想 立體打印

激光燒結(jié)快速制造技術(shù)是一種集激光、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)控、材料于一體的新型先進(jìn)制造技術(shù)。與傳統(tǒng)成形裝備不同的是，該裝備可以自動(dòng)地通過軟件將任意復(fù)雜度的三維模型拆分成層層疊加的二維平面圖形，然后利用激光選擇性地將圖形區(qū)域的粉末材料燒結(jié)成形，最終層層疊加生長(zhǎng)成為所需要的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制件，相當(dāng)于一個(gè)“立體制造打印機(jī)”，只需要三維模型，無需刀具和模具，就可以整體成形任意復(fù)雜度的制件。

史玉升介紹到，快速制造技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性和特點(diǎn)。一是突破了傳統(tǒng)去除加工方法的限制，無需零件毛坯和大型鍛造、鑄造設(shè)備及模具，可實(shí)現(xiàn)材料設(shè)備與成形的一體化，顯著縮短零件制造周期、降低制造成本、提高材料利用率；二是在同一套生產(chǎn)系統(tǒng)上可進(jìn)行不同材料零件的制造，具有廣泛的材料及設(shè)計(jì)適應(yīng)性；三是整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化，可以方便地通過材料及工藝的調(diào)節(jié)與控制，實(shí)現(xiàn)多種材料在同一零件上的集成制造，滿足零件不同部位的不同性能需要；四是由于采用非接觸加工的方式，沒有工具更換和磨損之類的問題，無切割、噪音、振動(dòng)以及廢水、廢料等排放，符合現(xiàn)代綠色制造理念。

快速制造技術(shù)原理

選擇性激光快速成形制造技術(shù)原理

砂芯

史玉升認(rèn)為，快速制造技術(shù)是一種新型的數(shù)字化添加材料成形技術(shù)，對(duì)于產(chǎn)品的幾何形狀并沒有約束，可以說“只要你能想得到，我就可以做出來”。因此，設(shè)計(jì)零部件時(shí)可以采用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而無需顧慮加工問題。而這正是快速制造技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)所在—拓展設(shè)計(jì)人員的想象空間，尤其是在航空航天、武器裝備、汽車等動(dòng)力裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高端領(lǐng)域。

多年攻堅(jiān) 領(lǐng)先全球

華中科大從1991年就開始快速成形制造技術(shù)的研究，是國(guó)內(nèi)最早從事此技術(shù)研究的單位之一，目前已在國(guó)際處于領(lǐng)先水平。

由史玉升和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這臺(tái)裝備工作面達(dá)1.2米×1.2米，也是目前世界上最大工作面的同類裝備。國(guó)外該技術(shù)領(lǐng)域的主要裝備供應(yīng)商是美國(guó)的3D systems公司和德國(guó)的EOS公司，3D systems公司裝備的最大工作面為0.55米×0.55米。EOS公司裝備的最大工作面為0.73米×0.38米。

激光燒結(jié)快速制造裝備工作面從小到大的發(fā)展，其難度就像“從小飛機(jī)到大飛機(jī)”的過程一樣。當(dāng)工作面大到一定程度時(shí)，必須解決“大工作面溫度場(chǎng)均勻性”、“高效的掃描方法”及“高強(qiáng)度粉末材料的裝備與成形工藝”等業(yè)界公認(rèn)的技術(shù)難題。團(tuán)隊(duì)已先后申請(qǐng)發(fā)明專利20多項(xiàng)，獲發(fā)明專利10多項(xiàng)，軟件著作權(quán)多項(xiàng)，并在武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

經(jīng)濟(jì)快速 前景廣闊

在快速制造中心的產(chǎn)業(yè)化基地—武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司，記者被擺在二樓展廳的一件鑄造用大型砂芯所吸引。

“這是一家著名公司委托我們加工的一款大型發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯。你看，這個(gè)砂芯的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，里面有大量的管道，管道的細(xì)微調(diào)整都可能帶來發(fā)動(dòng)機(jī)性能的巨大變化。研制一款新型發(fā)動(dòng)機(jī)往往需要制造一系列具有細(xì)微差異的砂芯模具?！蔽錆h濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司副總吳澄指著砂芯告訴記者，該著名公司此前曾找到英國(guó)一家公司請(qǐng)其代為加工，但對(duì)方告知共需6個(gè)月時(shí)間、要價(jià)1000多萬元。

鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的高度復(fù)雜性，巨大的時(shí)間和金錢投入，且最終不一定能夠得到符合實(shí)際應(yīng)用的新型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，無奈之下，他們輾轉(zhuǎn)找到了華中科大快速成形制造中心，結(jié)果只用了1個(gè)月時(shí)間、花費(fèi)20余萬元就研制出了滿足性能要求的大型發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋鑄件。

目前，該裝備已成功應(yīng)用到了航空航天、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等多種高端領(lǐng)域，正在為我國(guó)企業(yè)高端技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)發(fā)揮著重要作用。由于快速制造技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于制件的幾何形狀幾乎沒有約束，有望對(duì)航空航天、武器裝備、汽車等動(dòng)力裝備等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高端制造領(lǐng)域帶來革命性的影響。

據(jù)了解，激光燒結(jié)快速制造技術(shù)及裝備屬于“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”的重要內(nèi)容之一，也是“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”和“大型飛機(jī)專項(xiàng)”等國(guó)家科技重大專項(xiàng)研發(fā)內(nèi)容的重要組成部分，還可以在“載人航天與探月工程專項(xiàng)”、“0901”和“0902”等國(guó)家科技重大專項(xiàng)中發(fā)揮作用。但目前國(guó)內(nèi)工業(yè)界對(duì)其了解不夠，其應(yīng)用前景還有待進(jìn)一步開發(fā)。

激光燒結(jié)快速制造設(shè)備

責(zé)編／王圣媛