直接制造现状及其发展趋势

浪起激光3年前68155

对于一些采用传统工艺难以成形、性能要求高及使用工况特殊的金属零部件产品,通常也具备较高的技术成本价值,目前已开始采用3D打印直接制造的方式开发并生产。得益于精密数控加工技术、激光器技术和高速振镜技术的协同进步,采用激光、电子束、电弧等高能束熔化金属粉材、线材的方式,可直接按照产品的设计三维图纸生产出兼顾复杂形状和高性能的金属零件产品。

目前已获得实际应用的直接制造金属零部件3D打印技术包括激光立体成形技术(LDM)、选择性激光熔化技术(SLM)、选择性电子束熔化技术(SEBM)等,产品材质范围涵盖钛合金、高温合金、有色合金、高强钢等系列牌号。其中,激光立体成形技术采用了光束同步送粉的方式,逐点快速熔化堆积金属粉材,可制作大型的金属零部件产品,国内对此项技术的研究和应用等同、甚至部分超越国外技术水平。西北工业大学黄卫东教授团队基于自主知识产权的技术和设备开发出了钛合金中央翼缘条制件,最大尺寸3.07m,最大变形量小于0.8mm,已成功应用于C919客机样机测试阶段,综合评价达到了锻件的力学性能、疲劳强度和断裂韧性等要求,且力学性能一致性水平远高于美国波音公司制造施工标准;AirBus公司与西北工业大学签署合作协议,以期望开展对激光立体成形技术制造大型钛合金构件的系统论证工作;目前GE公司正在依托西北工业大学进行复合材料宽弦风扇叶片钛合金和高温合金进气边激光立体成形工艺方案的优化和验证工作。北京航空航天大学王华明院士团队重点研究了飞机大型钛合金结构件激光立体成形技术,2013年展出的钛合金主承力加强框相比锻造成形的材料利用率提高5倍,制造周期缩短2/3,制造成本降低1/2,多种型号产品已在多个国产军用机型中获得应用。

选区激光熔化和选区电子束熔化是通过能量束来熔化粉床的层面区域,实现金属粉末的逐层熔化—凝固成形的技术,适用于小型、复杂结构金属零部件产品的直接制造。在选取激光熔化技术方面,德国EOS公司、ConceptLaser公司、SLMSolution公司在技术应用和设备开发方面处于世界领先地位;在国内,华中科技大学曾晓雁团队通过自主开发的技术和装备首先开创了航天金属零部件应用选区激光熔化技术的先例,西北工业大学相继开展了选区激光烧结设备和核心技术开发工作,并孵化成立了西安铂力特增材技术股份有限公司,目前已发展成为国内最大的金属增材制造综合性服务企业,各型设备的综合性能指标接近德国EOS设备水平,并实现了向欧洲航空制造企业的多台套销售,产品服务范围涉及航空、航天、教育、医疗等多个领域。在选区电子束熔化方面,瑞典Arcam公司是技术装备领先者,国内西北有色金属研究院已购置其设备并开展了相关成形技术研究工作。

直接制造金属零部件的3D打印技术,充分发挥了金属熔体在远离平衡态凝固过程中晶粒细化、溶质偏析倾向小的作用,可获得细密均匀的基体组织,并使金属零部件呈现出良好的力学性能;此外,现代结构设计理念中的点阵结构、拓扑优化技术可以通过3D打印的自由成形能力得到充分发挥,极大提高金属制件的轻量化水平。这些优势的协同作用为3D打印的应用奠定了基础,已在航空、航天等高端装备的极致轻量化和高可靠性部件上获得了大量应用,此外,随金属粉材牌号、规格的不断扩展和设备核心器件的价格持续降低,直接制造金属零部件3D打印技术的应用成本正在趋近于合理的区间。轨道交通、船舶等民用高端装备产品具备与航空、航天产品相似的批量特点,并包含自身特有的结构特点和轻量化、安全性指标需求,将会为选择性激光熔化技术、激光立体成形技术提供新的应用空间。


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