3D打印技術(shù),是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力。2024中關(guān)村國際技術(shù)交易大會(huì)上,清華大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)清研智束發(fā)布了一款電子束3D打印新產(chǎn)品,其技術(shù)與這一領(lǐng)域當(dāng)前主流技術(shù)路線截然不同。 2024中關(guān)村國際技術(shù)交易大會(huì)上。 電子束與激光 3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù),是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,逐點(diǎn)逐層累積疊加形成三維實(shí)體的新技術(shù)。由于它對傳統(tǒng)的工業(yè)流程、生產(chǎn)線、生產(chǎn)模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生深刻影響,已成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力之一。 3D打印又分為金屬3D打印與非金屬打印。其中,金屬3D打印多以鐵、鈦、鎳、鋼等金屬粉末為原材料,具備定制化、低損耗、精密制造等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、醫(yī)療器械等對產(chǎn)品性能要求苛刻的制造領(lǐng)域。相比非金屬3D打印,金屬3D打印的價(jià)值量更大、技術(shù)壁壘更高、未來應(yīng)用空間更大。 有研報(bào)稱,金屬3D打印的幾種技術(shù)路線中,激光選區(qū)熔化(SLM)是當(dāng)前的主流方案。其產(chǎn)品性價(jià)比相對占優(yōu),技術(shù)難度也相對適中。 清華大學(xué)機(jī)械工程系長聘教授林峰說,在航空航天領(lǐng)域,隨著飛行參數(shù)不斷提高,對高溫金屬的增材制造需求越來越高。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯、高超飛行器端頭等零部件的工作溫度都超過1000℃。高溫金屬材料難以精確成形,使用激光打印極易開裂,但如果使用電子束選區(qū)熔化(EBSM)技術(shù),開裂問題能夠解決。 這項(xiàng)技術(shù)是以高能電子束為熱源,基于粉末床、CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))直接驅(qū)動(dòng)的近凈成形金屬增材制造工藝。由于其能量轉(zhuǎn)換率和吸收率更高、內(nèi)應(yīng)力小,成型效果更好。他說,“原來會(huì)開裂的材料,現(xiàn)在可以不開裂;原來需要設(shè)計(jì)很強(qiáng)支撐的結(jié)構(gòu),現(xiàn)在可以不支撐?!?/p> 多槍陣列技術(shù)突破 相比激光,金屬3D打印的電子束路線整體性能更優(yōu)越。但由于電子束需要真空環(huán)境,這一技術(shù)路線研發(fā)難度更大,一段時(shí)間以來發(fā)展也相對滯后。 在這條路線上,清華大學(xué)和清研智束團(tuán)隊(duì)已潛心摸索、艱苦攻關(guān)20年。2004年,團(tuán)隊(duì)成員在清華大學(xué)成功研發(fā)電子束選區(qū)熔化技術(shù);2015年,清研智束注冊成立;2017年,自主開發(fā)第一代商業(yè)化設(shè)備;2021,推出Qbeam系列產(chǎn)品;2023年,發(fā)布多槍陣列設(shè)備。 多槍陣列設(shè)備。 清華大學(xué)博士、北京清研智束科技有限公司研發(fā)總監(jiān)趙德陳說,技術(shù)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),市場現(xiàn)存電子束增材設(shè)備,成形尺寸有限,是限制其在航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵。“當(dāng)前國內(nèi)外主流的商業(yè)化電子束增材制造設(shè)備,成形尺寸都不超過400毫米;而現(xiàn)實(shí)情況是,很多航空航天鈦合金零部件尺寸超過500毫米?!?/p> 為實(shí)現(xiàn)大尺寸鈦合金零部件批產(chǎn)解決方案,技術(shù)團(tuán)隊(duì)選擇多槍陣列技術(shù)。自2018年起,積累了解決多槍干擾、多電子束拼接校準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)20余項(xiàng),成功研發(fā)Qbeam S600新產(chǎn)品。產(chǎn)品滿足航天航空對大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件的高效率、低成本批量化制造需求。打印尺寸擴(kuò)大到600×600×700毫米,鈦合金極限沉積效率提高至每小時(shí)400立方厘米以上。 相比激光設(shè)備,這款電子束設(shè)備具有顯著批產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型。以某醫(yī)療應(yīng)用典型零件為例,其單件成本降低47%,設(shè)備產(chǎn)出提高至200%。 技術(shù)領(lǐng)先。 “據(jù)我所知,清研智束是全球唯一一家開展多槍陣列研究并產(chǎn)業(yè)化的設(shè)備制造商。”趙德陳說。 他表示,清研智束已經(jīng)掌握電子束3D打印多槍陣列全套核心技術(shù),多款更大尺寸設(shè)備處于在研和已完成項(xiàng)目驗(yàn)收階段。多槍陣列技術(shù),或?qū)㈤_啟電子束增材制造的新篇章。 欄目主編:樊江洪 文字編輯:樊江洪 本文作者:肖彤 題圖來源:上觀題圖
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