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學(xué)習(xí)德國(guó)工業(yè)4.0、中國(guó)智能制造講座(連載五)

王至堯

(中國(guó)空間技術(shù)研究院)

5.63D打印裝備

5.6.1國(guó)外3D打印研發(fā)情況

1)GE公司使用3D打印技術(shù)批量生產(chǎn)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件。在計(jì)算機(jī)控制下，激光精確地射向鈷-鉻粉末床，融化對(duì)應(yīng)區(qū)域的金屬合金，以20 μm的厚度一層一層地制造零件。這些3D打印的噴嘴將用在CFM國(guó)際公司制造的LEAP噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)將使用10～20個(gè)噴嘴，而這些發(fā)動(dòng)機(jī)將在2015年末或2016年初安裝在飛機(jī)上，所以GE公司需要在3年內(nèi)每年制造25 000個(gè)噴嘴。3D打印技術(shù)可以幫助GE公司更快且更便宜地制造復(fù)雜零件。按照傳統(tǒng)方式，GE公司必須通過(guò)焊接20個(gè)小塊材料的方式來(lái)制造復(fù)雜零件，這是一種勞動(dòng)密集型過(guò)程，大量材料將被浪費(fèi)。3D打印技術(shù)能解決上述問(wèn)題，可在少量浪費(fèi)情況下制造任何復(fù)雜零件。此外，通過(guò)3D打印技術(shù)生產(chǎn)輕型零件可節(jié)省大量燃料。

2)美國(guó)3D系統(tǒng)公司獲得金屬和陶瓷制造工藝。2013年7月，美國(guó)3D系統(tǒng)公司最終完成對(duì)鳳凰系統(tǒng)公司的收購(gòu)。鳳凰系統(tǒng)公司是法國(guó)一家采用金屬和陶瓷材料進(jìn)行直接激光燒結(jié)的設(shè)備制造商。鳳凰系統(tǒng)公司的PX設(shè)備具有多項(xiàng)應(yīng)用，包括汽車(chē)、飛機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。該設(shè)備與鳳凰系統(tǒng)公司專(zhuān)有的CAD/CAM軟件和控制軟件協(xié)同工作。在選區(qū)激光燒結(jié)工藝中，PX系統(tǒng)使用極細(xì)粉末(6～9 μm)生產(chǎn)全致密和化學(xué)純度的零件。它們可使用貴重金屬如黃金和銀，不銹鋼，磨具鋼，超級(jí)合金，由鈦、鋁和鎳組成的有色合金，以及陶瓷材料如金屬陶瓷和氧化鋁。作為第一大系統(tǒng)，PXL擁有250 mm×250 mm×300 mm的制造容量，具有自動(dòng)加載和卸載，以及自動(dòng)回收未用粉末的功能；PXM是第二大系統(tǒng)，建造容量為140 mm×140 mm×100 mm，具有半自動(dòng)加載和卸載功能；第三大系統(tǒng)是PXS，其建造容量為100 mm×100 mm×80 mm，具有手動(dòng)加載和卸載功能。

3)美國(guó)福特公司的新型自由成形制造技術(shù)可將原型交付時(shí)間縮短至3 d。該公司正在開(kāi)發(fā)一項(xiàng)高度靈活的新型制造技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)有可能降低小批量生產(chǎn)的金屬板零件制造成本，縮短交付時(shí)間。

傳統(tǒng)上，定制零件需要6～8 w時(shí)間來(lái)生產(chǎn)模具，但福特公司已開(kāi)發(fā)出一種已獲專(zhuān)利的獨(dú)特制造工藝，能在僅僅幾個(gè)小時(shí)內(nèi)使金屬零件3D成形。采用此項(xiàng)名為“福特自由成形制造技術(shù)”的(F3T)制造工藝，一塊金屬板可圍繞其邊緣固定，通過(guò)金屬板兩側(cè)的手寫(xiě)筆工具形成3D形狀。這種新的成型機(jī)器功能與數(shù)字打印機(jī)類(lèi)似，在某個(gè)零件的CAD數(shù)據(jù)被接收后，由計(jì)算機(jī)生成工具路線控制F3T機(jī)器，成形金屬板零件，最終形成所需尺寸公差和表面光潔度的金屬零件。一旦全面開(kāi)發(fā)，F(xiàn)3T技術(shù)將實(shí)現(xiàn)金屬零件原型較低成本和超快的交付——與采用傳統(tǒng)方法耗費(fèi)2～6個(gè)月相比，該技術(shù)可在3個(gè)工作日內(nèi)交付原型。

F3T有潛力實(shí)現(xiàn)更多的個(gè)性化設(shè)置。該技術(shù)目前仍處于早期研發(fā)階段，采用該技術(shù)的設(shè)備還不能實(shí)現(xiàn)批量快速生產(chǎn)，更多地是小批量應(yīng)用?？梢灶A(yù)計(jì)，F(xiàn)3T技術(shù)除了在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用之外，在航空航天、國(guó)防、交通和家電行業(yè)也有廣泛應(yīng)用前景。

4)美國(guó)西格瑪實(shí)驗(yàn)室和互動(dòng)機(jī)器公司計(jì)劃研制下一代3D金屬打印設(shè)備。西格瑪實(shí)驗(yàn)室與位于馬薩諸塞州索思威克的互動(dòng)機(jī)器公司簽署一項(xiàng)諒解備忘錄，有意成立一家合資公司，開(kāi)發(fā)下一代3D金屬打印設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化。西格瑪實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)，3D打印金屬零件比塑料零件要難的多。原因在于，打印金屬零件要滿(mǎn)足非?？量痰墓こ桃?guī)范。西格瑪實(shí)驗(yàn)室在2012年推出PrintRite3D套件，它是一種質(zhì)量保障工具，可使3D打印制造商達(dá)到用于關(guān)鍵領(lǐng)域金屬零件的嚴(yán)格要求。PrintRite3D套件的軟件和傳感器可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的零件質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并報(bào)告任何異常活動(dòng)，可以進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)。

根據(jù)最新報(bào)道，與目前可用的3D打印設(shè)備相比，采用新的3D金屬打印設(shè)備，可將產(chǎn)量提高10倍以上。這一3D打印設(shè)備在確保制造零件達(dá)到質(zhì)量要求的同時(shí)，在沉積速率方面則明顯優(yōu)于現(xiàn)有的3D金屬打印設(shè)備。

5)NASA資助研究3D打印技術(shù)用于異質(zhì)金屬零件成形。在美國(guó)航空航天局(NASA)的資助下，密蘇里科技大學(xué)正在研究通過(guò)3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合的混合制造工藝來(lái)提高金屬零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過(guò)混合制造工藝，先用3D打印技術(shù)將不同材質(zhì)的金屬材料結(jié)合在一起，然后再用數(shù)控加工設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行精加工，可以用于制造更高強(qiáng)度、更耐用的航天金屬零件，以及修復(fù)價(jià)格昂貴的零部件，從而減少零部件的更換頻率，節(jié)約維護(hù)成本。經(jīng)驗(yàn)證，與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印技術(shù)制造的鋼材零件強(qiáng)度要高10%。

6)電子束熔融技術(shù)讓金屬對(duì)象更加致密。通過(guò)激光燒結(jié)或粘結(jié)劑噴射技術(shù)生產(chǎn)的金屬對(duì)象強(qiáng)度很高，但這些對(duì)象不是100%致密的。電子束熔融(EBM)通過(guò)使用電子束而不是激光選擇性地熔煉粉末金屬層，解決了這個(gè)潛在的問(wèn)題。

瑞典Arcam公司開(kāi)創(chuàng)了EBM 3D打印，通過(guò)真空中一層接一層地建立完全致密的金屬物體實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的結(jié)果。電子束使每一個(gè)對(duì)象層有多個(gè)通道，(首先打印對(duì)象層輪廓，然后填滿(mǎn))，通過(guò)電磁偏轉(zhuǎn)來(lái)回移動(dòng)。后者使EBM較激光燒結(jié)更為精確，因?yàn)楹笳咝枰揽繖C(jī)械加工不斷復(fù)位引導(dǎo)激光束的鏡子。除了Arcam，NASA也嘗試使用電子束進(jìn)行增材金屬制造，工程師稱(chēng)這項(xiàng)技術(shù)為電子束自由或形制造(EBF3)。

EBM加工受限于高價(jià)的構(gòu)建材料(包括幾種品質(zhì)的鈦和鈷鉻合金)，目前這些金屬已用于生產(chǎn)航空航天和其他工業(yè)專(zhuān)業(yè)部門(mén)的最終零件，尤其在2006 Adler Ortho Group，意大利的整形外科植入物制造商推出了一個(gè)Arcam的3D打印機(jī)，其可以制造出獲得醫(yī)學(xué)驗(yàn)證的人造髖關(guān)節(jié)。目前使用的Arcam A2X打印機(jī)，用EBM能夠構(gòu)建的最大尺寸為200 mm×200 mm×380 mm。

7)NASA將利用選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)建造下一代火箭。NASA將利用選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)——一種類(lèi)似于3D打印的技術(shù)為建造下一代火箭提供幫助。NASA馬歇爾航天飛行中心的科學(xué)家和工程師們將采用這種先進(jìn)技術(shù)制造復(fù)雜的金屬零部件，用于太空發(fā)射系統(tǒng)重型運(yùn)載火箭的建造。

選擇性激光熔融技術(shù)的工作原理為：利用1臺(tái)高能激光器，按照設(shè)計(jì)樣式熔凝容器中的金屬粉末，使金屬粉末一層層地生長(zhǎng)，以融凝成需要的零部件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)。這種工藝過(guò)程能生產(chǎn)出由3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)出來(lái)的擁有復(fù)雜幾何形狀和精密機(jī)械性能的零部件。使用該先進(jìn)技術(shù)將有益于安全，同時(shí)可降低制造成本。這項(xiàng)技術(shù)極大地降低了制造零件所需的時(shí)間，甚至可將制造時(shí)間從數(shù)月降低至數(shù)周，提高了經(jīng)濟(jì)效益。由于不再需要把零部件焊接到一起，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提高，使火箭整體更加安全可靠。

NASA目前暫定在2017年第1次太空發(fā)射系統(tǒng)飛行試驗(yàn)中，使用由選擇性激光熔融技術(shù)制造的零部件。

8)歐洲空間局提出將引領(lǐng)3D打印進(jìn)入金屬時(shí)代。增材制造是最好的綠色技術(shù)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)零廢料生產(chǎn)，1 kg鈦就將形成1 kg的最終產(chǎn)品，這帶來(lái)的將是巨大的成本節(jié)約和能源效率。歐空局正在為利用3D打印技術(shù)制造的金屬制品鋪平道路，在節(jié)省大量成本的情況下制造高質(zhì)量的復(fù)雜形狀零件。

為了掌控未來(lái)，歐空局正在審視5種金屬增材制造工藝。他們重點(diǎn)關(guān)注利用高科技合金制成的工程零部件，試圖利用激光、電子束甚至是等離子來(lái)熔化這些高科技合金。歐空局和歐盟委員會(huì)已經(jīng)開(kāi)始著手一項(xiàng)名為“邁向零廢棄物的增材制造和高科技金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)”的項(xiàng)目(AMAZE項(xiàng)目)，涉及整個(gè)歐洲地區(qū)28個(gè)工業(yè)合作伙伴，旨在完善金屬零部件的空間打印質(zhì)量。AMAZE項(xiàng)目旨在將第1臺(tái)3D金屬打印機(jī)運(yùn)至國(guó)際空間站，使宇航員生產(chǎn)所需工具和新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。AMAZE項(xiàng)目關(guān)注的一些材料在3 500 ℃下才能熔化，新型材料也具有很大的可塑性。通過(guò)結(jié)合鎢、鈮和鉑金等其他昂貴成分，使得高強(qiáng)度和輕型零部件的建造成為可能，且不形成廢料。

該項(xiàng)目1/4的試點(diǎn)工廠建在德國(guó)、意大利、挪威和英國(guó)，每個(gè)工廠使用不同的金屬3D打印方法。與此同時(shí)，歐洲正在為金屬3D打印建立一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，包括原料合金、打印設(shè)備、打印后加工技術(shù)、計(jì)量和控制軟件等。

AMAZE項(xiàng)目的目標(biāo)之一是能夠在24 h內(nèi)生產(chǎn)出大型金屬部件，未來(lái)將適合空間和地球上最苛刻的應(yīng)用。這一項(xiàng)目還設(shè)想打印整個(gè)衛(wèi)星，以及利用這一技術(shù)完成月球和火星任務(wù)。由于沒(méi)有發(fā)射重型有效載荷的需求，空間制造可以節(jié)省大量的時(shí)間和金錢(qián)。

9)Sciaky公司展示尖端直接制造解決方案。2012年，Sciaky公司與美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室合作，在美國(guó)防部預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)的資助下研發(fā)先進(jìn)直接數(shù)字化制造(DDM)技術(shù)。根據(jù)該合同，賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室將建立1個(gè)占地557 m2的“創(chuàng)新金屬加工-直接數(shù)字化沉積(CIMP-3D)”中心，作為世界領(lǐng)先的制造演示工廠為DARPA開(kāi)放制造計(jì)劃提供服務(wù)。該中心旨在推進(jìn)和部署DDM技術(shù)成為美國(guó)國(guó)防部和行業(yè)制造高度工程化的關(guān)鍵金屬系統(tǒng)，重點(diǎn)包括3個(gè)主要領(lǐng)域：1)DDM加工設(shè)計(jì)和優(yōu)化期間所需的先進(jìn)一體化技術(shù)，保障生產(chǎn)合格部件和結(jié)構(gòu)；2)與行業(yè)合作完成DDM技術(shù)的開(kāi)發(fā)和過(guò)渡，包括工藝選擇、演示和驗(yàn)證；3)DDM技術(shù)的推廣，包括培訓(xùn)、教育和信息宣傳。

Sciaky公司將利用其獨(dú)有的直接制造(DM)工藝支持開(kāi)放制造計(jì)劃。該加工工藝結(jié)合了添加劑制造原理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和電子束焊接技術(shù)。2013年，Sciaky公司在美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)(PSU)展示了其突破性的直接制造(DM)解決方案。基于添加劑的制造原理，Sciaky公司的DM解決方案是PSU應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)采用的關(guān)鍵技術(shù)之一，其目的是生產(chǎn)高品質(zhì)的金屬零部件。Sciaky公司的DM解決方案是唯一的大規(guī)模完全可編程的解決方案，可制造近凈形零件，材料主要包括鈦、鉭、鉻鎳鐵合金及其他高價(jià)值金屬。該解決方案結(jié)合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、Sciaky最先進(jìn)的電子束焊接技術(shù)和添加劑分層處理，所制造的零件尺寸可以達(dá)到5.8 m×1.2 m×1.2 m，而沉積速率一般達(dá)到3～9 kg/h。

圖5-38　NASA測(cè)試使用增材制造　技術(shù)生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴

10) NASA馬歇爾航天飛行中心3D制造下一代重型火箭復(fù)雜金屬零部件。NASA馬歇爾航天飛行中心采用該技術(shù)制造下一代重型火箭復(fù)雜金屬零部件(見(jiàn)圖5-38)，將制造周期從數(shù)月縮短至數(shù)天。由于減少了焊縫數(shù)量，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性更高，整個(gè)火箭更加安全。歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)也在追趕美國(guó)，采用增材制造的第一個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件已于2011 年進(jìn)入太空。2012 年，增材制造技術(shù)的研究、應(yīng)用取得若干重大進(jìn)展。如NASA使用選擇性激光熔融技術(shù)制造金屬零件，并計(jì)劃將該技術(shù)用于制造J-2X 發(fā)動(dòng)機(jī)零件等。

NASA格倫研究中心成功為航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司(Aerojet Rocketdyne)進(jìn)行了3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴點(diǎn)火試驗(yàn)。通過(guò)液氧和氫氣火箭噴嘴一系列點(diǎn)火試驗(yàn)，驗(yàn)證了使用選擇性激光熔融制造技術(shù)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)關(guān)鍵火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件的能力。航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司使用高能激光束熔融優(yōu)質(zhì)金屬粉末注入三維結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)并制造了噴嘴。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴是火箭生產(chǎn)中最昂貴的組件之一。通過(guò)使用金屬3D打印技術(shù)的工藝，成本能夠減少70%以上，并且極大壓縮了開(kāi)發(fā)時(shí)間。NASA有計(jì)劃繼續(xù)推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展并擴(kuò)大應(yīng)用范圍，但上述3D打印組件在2017年前不會(huì)被充分應(yīng)用到飛機(jī)測(cè)試當(dāng)中。

11)美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用新的3D打印設(shè)備推動(dòng)增材制造發(fā)展。歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)創(chuàng)新工廠和EOS是一家在直接金屬激光燒結(jié)領(lǐng)域的領(lǐng)先者，其已在空客A320飛機(jī)上用增材制造的鈦零件取代了鑄鋼的機(jī)艙鉸鏈支架，將金屬優(yōu)化放置在承重的地方，削減了75%的原材料消耗量，使每個(gè)坐墊片節(jié)省了10 kg原材料，從而減少了生產(chǎn)、運(yùn)行和壽命周期中的能源使用和廢氣排放量。

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在與增材制造設(shè)備供應(yīng)商如Arcam公司合作，將增材制造技術(shù)擴(kuò)大至新的金屬，以實(shí)現(xiàn)更大零件的制造。新的金屬主要包括鉻鎳鐵合金718，該材料是一種用于渦輪葉片中的耐高溫合金，但一些最令人興奮的工作涉及到增強(qiáng)型塑料的打印。目前，3D打印聚合物零件強(qiáng)度較低，可用于管道的非承力部件。該實(shí)驗(yàn)室目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方式，將增強(qiáng)型碳纖維注入原材料中，以實(shí)現(xiàn)打印可承力零件。

12) BAE系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)增材制造支撐技術(shù),提高大型金屬構(gòu)件性能。英國(guó)BAE系統(tǒng)公司近日對(duì)外公布，已開(kāi)發(fā)出可與增材制造系統(tǒng)集成應(yīng)用的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型超聲波沖擊處理(UIT)技術(shù)和反饋系統(tǒng)。采用新的技術(shù)和系統(tǒng)，能夠減少零件變形，提高飛機(jī)機(jī)翼等大型增材制造結(jié)構(gòu)件的性能。其中，超聲波沖擊處理系統(tǒng)可以對(duì)增材制造過(guò)程中的每一層沉積材料進(jìn)行快速、反復(fù)沖擊，以降低材料的內(nèi)應(yīng)力，改善微觀結(jié)構(gòu)，從而減少零部件的扭曲變形；反饋系統(tǒng)通過(guò)安裝在基板內(nèi)的壓力傳感器，對(duì)逐層沉積過(guò)程中的應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)反饋給UIT系統(tǒng)，以調(diào)整沖擊力。目前，UIT技術(shù)和反饋系統(tǒng)已經(jīng)在1 m長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)件的增材制造中得到驗(yàn)證，并將進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

5.6.2國(guó)內(nèi)3D打印研發(fā)情況

北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中航工業(yè)625所和北京有色金屬研究總院等單位，在上世紀(jì)90年代中期開(kāi)始了金屬零件激光熔化沉積增材制造工藝、裝備及應(yīng)用技術(shù)研究，并取得國(guó)際先進(jìn)的研究成果。近年來(lái)，西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、中航工業(yè)625所、華南理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、西北有色金屬研究院和清華大學(xué)等單位，先后開(kāi)展了金屬零件激光及電子束選區(qū)熔化精密成形工藝、裝備及應(yīng)用研究并取得突破性進(jìn)展?？傃b預(yù)研計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家“863”計(jì)劃和國(guó)家及國(guó)防“973”計(jì)劃等相關(guān)科研計(jì)劃制造及材料領(lǐng)域，均將金屬零件高能束增材制造成形技術(shù)作為重點(diǎn)領(lǐng)域予以持續(xù)資助。西工大、625所和北航等單位在大型金屬零件激光及電子束熔化沉積增材制造工藝、裝備及應(yīng)用技術(shù)等研究方面，都做出了國(guó)際先進(jìn)的研究工作。北京航空航天大學(xué)、沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司和西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司等單位產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等大型關(guān)鍵構(gòu)件激光熔化沉積增材制造工藝、裝備、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，研制生產(chǎn)出30余種鈦合金及超高強(qiáng)度鋼大型整體關(guān)鍵主承力構(gòu)件，在 C919 大型客機(jī)等多型飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到工程應(yīng)用，解決了多型飛機(jī)研制的瓶頸難題，并使我國(guó)成為目前世界上唯一實(shí)現(xiàn)激光成形鈦合金大型整體主承力構(gòu)件成功裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。

1)激光成形鈦合金大型整體主承力構(gòu)件。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)打印件如圖5-39所示，大型客機(jī)C919零件如圖5-40所示。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(2 500個(gè)零部件)原制造時(shí)間為1 a,現(xiàn)采用3D打印技術(shù)，僅用6 w就完成了加工制造。

圖5-39　噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)打印件

圖5-40　大型客機(jī)C919零件

2)定制化骨替代物制造如圖5-41～圖5-43所示。

圖5-41　頜骨溶　圖5-42　脛骨半關(guān)節(jié)　圖5-43　軟骨　解修復(fù)　大段骨重建　支架

圖5-44　流道變截面零部

3)航天科技集團(tuán)6院7103廠與華中科技大學(xué)制造3D金屬零部件如圖5-44～圖5-46所示。3D用SLM成形零部件的力學(xué)性能見(jiàn)表5-3。

圖5-45　多層復(fù)合　　　圖5-46　內(nèi)外空心螺紋　整體葉輪　流道零部件

材料成形工藝及狀態(tài)屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa伸長(zhǎng)率A/%彈性模量E/GPa304SLM成形態(tài)519~569651~71331.2~43.6198鍛造≥205≥520≥40197316LSLM成形態(tài)638~661707~72320.4~29.2194鍛造≥241≥586≥540196Incone1718(銦鈷氖)SLM成形態(tài)889~9071137~114819.2~25.9204SLM成形熱處理態(tài)(常溫)1102~11611280~135810.8~22208鍛造(AMS標(biāo)準(zhǔn))1030~11671275~140012~21208GH3600SLM成形態(tài)607~658681~76012~16205SLM成形熱處理態(tài)(常溫)431~456642~69026~31204鍛造(ASME標(biāo)準(zhǔn))≥240≥550≥30205

3種SLM成形零部件的金相形貌如圖5-47、圖5-48所示。

圖5-47　3種材料試樣的斷口掃描電鏡形貌

圖5-48　制造金屬零部件的金相形貌

5.6.3增材制造(3D)的應(yīng)用領(lǐng)域

第1類(lèi)為非金屬模型樣件：粘結(jié)、燒結(jié)。1984年提出，用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、文化藝術(shù)創(chuàng)意。

第2類(lèi)為非金屬生物醫(yī)學(xué)支架：粘結(jié)、燒結(jié)。1996年提出，用于硬組織/軟組織、人體器官的體外或體內(nèi)培養(yǎng)。

第3類(lèi)為高性能金屬構(gòu)件：激光(電子、等離子)熔化堆積。1992年提出，用于國(guó)防及工業(yè)重大裝備制造、高性能難加工大型金屬構(gòu)件。

5.6.4增材制造技術(shù)中的成形工藝

增材制造技術(shù)中的成形工藝見(jiàn)表5-4。

表5-4　增材制造技術(shù)中的成形工藝

5.6.5增材制造關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸

增材制造技術(shù)的發(fā)展必定會(huì)經(jīng)歷從原型件到結(jié)構(gòu)功能件，再到智能零部件制造的過(guò)程，無(wú)論處于哪一個(gè)階段，其中的一些關(guān)鍵技術(shù)是共通的，需要不斷去突破。

1)原材料制備技術(shù)。除了SLA工藝所用原材料為液態(tài)的光敏樹(shù)脂，其余工藝大都采用絲材和粉末材料，尤以粉末材料居多。常用的光敏樹(shù)脂主要成分為丙烯酸樹(shù)脂，光敏樹(shù)脂的黏度略高，一次固化程度不足，還有一定的毒害性，這些都是需要改進(jìn)的地方。在粉末材料方面，顆粒形狀和粒度分布都有嚴(yán)格要求，金屬粉末成分中的含氧量和含碳量也會(huì)對(duì)成形件性能產(chǎn)生很大影響。霧化法制備金屬粉末可以獲得粒度分布較均勻的量產(chǎn)球形粉，市場(chǎng)上已普遍使用，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還常用機(jī)械粉碎法和旋轉(zhuǎn)電極法來(lái)制造金屬粉末。

2)材料成形控制技術(shù)。制造的實(shí)質(zhì)是控性控型。增材制造實(shí)質(zhì)上是一個(gè)積少成多、化零為整的制造過(guò)程，在此過(guò)程中，原材料之間的結(jié)合是關(guān)鍵，在此過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化。所以，如何控制成形過(guò)程中溫度的分布是金屬材料增材制造的一大關(guān)鍵技術(shù)。

3) 高效制造分層技術(shù)。成形件的大尺寸和高精度問(wèn)題一直是增材制造業(yè)內(nèi)2個(gè)重要的技術(shù)突破方向，要做到兩者兼得是目前的技術(shù)瓶頸。如何提升光學(xué)部件的精度或?qū)崿F(xiàn)多光束同步控制是一個(gè)發(fā)展方向。此外，增材制造與一般的涂層技術(shù)有所區(qū)別，它是在涂層上面再添加涂層，可稱(chēng)之為“再涂層技術(shù)"。每一層的厚度、平整度以及層與層間的接合程度都直接影響成形件的穩(wěn)定性和精度，這些都需要通過(guò)調(diào)整設(shè)備和工藝參數(shù)來(lái)完善。

4) 制造過(guò)程中的支撐技術(shù)。因?yàn)橹亓?chǎng)的存在，一些形狀復(fù)雜的成形件需要支撐結(jié)構(gòu)，支撐部分在后期處理中需要去除，所以如何設(shè)計(jì)是一門(mén)學(xué)問(wèn)。通常是在保證成形件制造過(guò)程中不失效的前提下，采用的支撐材料越少越好，例如設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)。在金屬材料增材制造技術(shù)中，支撐部分還會(huì)影響到整個(gè)部件的內(nèi)應(yīng)力分布，設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)發(fā)生成形件翹曲變形的現(xiàn)象。

5) 軟件編程技術(shù)。個(gè)性化定制是增材制造技術(shù)的一大特點(diǎn)，但要用到工業(yè)生產(chǎn)，仍然需要考慮如何控制每個(gè)零件的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，即生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。在前面已述及的硬件條件外，另一核心技術(shù)就是軟件編程。國(guó)外的一些設(shè)備都會(huì)附有部分材料的工藝參數(shù)包，基本不需要任何編程，可以保證成形過(guò)程的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)設(shè)備在這方面還有待提高。其它的研究工作主要是如何依靠軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)任意結(jié)構(gòu)、任意材料的預(yù)成形模擬，從而提升關(guān)鍵零部件的制造成功率。

增材制造經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，取得了一定進(jìn)步，但是大部分設(shè)計(jì)是借用傳統(tǒng)制造圖樣來(lái)制造，創(chuàng)新設(shè)計(jì)滯后。只有將過(guò)去傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零部件集成優(yōu)化，即在滿(mǎn)足產(chǎn)品性能和功能的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的幾十個(gè)甚至上百個(gè)零件設(shè)計(jì)成為一個(gè)部件，這樣才能克服材料昂貴和價(jià)格高的弱勢(shì)，提高市場(chǎng)占有率。

(完)