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金屬鈑金新聞

金屬3D打印變革傳統(tǒng)制造方式 加速制造業(yè)升級

星之球科技 來源:太平洋網(wǎng)絡2017-11-14 我要評論(0 )   

十九大報告指出,要加快建設制造強國,加快發(fā)展先進制造業(yè),推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合,在中高端消費、創(chuàng)新引領、綠色低碳、共享經(jīng)濟、現(xiàn)代供應...

 十九大報告指出,要加快建設制造強國,加快發(fā)展先進制造業(yè),推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合,在中高端消費、創(chuàng)新引領、綠色低碳、共享經(jīng)濟、現(xiàn)代供應鏈、人力資本服務等領域培育新增長點、形成新動能。這為我國科技企業(yè)的發(fā)展指明了方向。
 
作為互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)深度結(jié)合的產(chǎn)物, 3D打印技術(shù)正在為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級帶來無限新的可能。國際數(shù)據(jù)公司IDC預計,未來5年,全球3D打印市場將以22.3%的年復合增長率擴大,2020年達到289億美元。
 
精確制造復雜零件
 
美國材料與試驗協(xié)會 增材制造 技術(shù)委員會將“采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù),通過材料沉積的方法制造物體”定義為3D打印。近年來,3D打印技術(shù)得到了快速發(fā)展。
 
3D打印通常是指利用低成本、功能簡單的桌面級設備進行的增材制造,即面向大眾的、普及版的增材制造。那么,什么是增材制造?西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司北方區(qū)域經(jīng)理左全杉介紹道,通過數(shù)字化增加材料的方式進行的制造即為增材制造。對應地,傳統(tǒng)的機械加工方法是“減材制造”,鍛造或鑄造方法是“等材制造”。
 
“增材制造具有無模具快速自由成形、全數(shù)字化、高柔性等技術(shù)特征,可以制造近乎無限復雜的幾何結(jié)構(gòu),可應用于絕大多數(shù)材料種類的制造。”左全杉表示,新產(chǎn)品的快速開發(fā)、個性化制造、傳統(tǒng)技術(shù)難以應對的極端復雜結(jié)構(gòu)件、最優(yōu)化設計顯著提升產(chǎn)品功能都是增材制造的重要應用方向。
 
盡管增材制造技術(shù)有著廣闊的應用前景,但仍有人認為,3D打印存在致命的缺點,因為其所打印實物的結(jié)構(gòu)中存在孔隙。對此,清華大學天津高端裝備研究院增材制造技術(shù)研究所副所長郭超從技術(shù)和應用層面作出了解釋。郭超表示,“這種現(xiàn)象確實存在,但并不是所有的材料都會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。通過X射線斷層掃描進行檢測,我們發(fā)現(xiàn),電子束3D打印的致密度達到了99.96%,已經(jīng)非常高了,接近于全致密度。”
 
郭超所言的電子束3D打印其實是金屬3D打印的一種方式。郭超表示,3D打印是一種變革式的生產(chǎn)方式,而金屬3D打印就是這種“變革式生產(chǎn)方式”的重要類型。
 
“金屬 3D打印 可以分為熔覆類和粉床類兩種類型。”郭超介紹道,“前者具有較高的生產(chǎn)效率,通常適用于大型零件的打印,但是它的精度不夠高,可以看出非常明顯的分層現(xiàn)象;后者最大的特點是精確,可用于中小零件及形狀復雜零件的制作。”從能量源的角度劃分,粉床類打印又可以分為激光和電子束。“目前使用激光打印的零件長度大概為一米左右。”
 
獲得更高力學性能
 
隨著金屬 3D打印技術(shù) 逐漸應用到產(chǎn)業(yè),一些相應的力學性能問題也引發(fā)了學界和業(yè)內(nèi)人士的思考。在技術(shù)構(gòu)思期,常見的質(zhì)疑如金屬 增材制造 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)極高力學性能嗎?有原型制造專家甚至斷言:已有的快速成形技術(shù)所獲零件性能都不高,只能用于原型制造。而技術(shù)發(fā)展期,人們又會問,鑄態(tài)材料如何實現(xiàn)鍛件性能?
 
事實上,伴隨著金屬3D打印技術(shù)應用轉(zhuǎn)化的深入推進,這些問題的答案也逐漸清晰。左全杉表示,金屬增材制造產(chǎn)品的力學性能主要表現(xiàn)為三個方面:成分均勻,從粉末成形到小熔池凝固基本無宏觀偏析;材質(zhì)致密,固/液界面平滑,能夠?qū)崿F(xiàn)充分補縮;組織細小,可以達成快速凝固。由此看出,“增材成形原理并不排除實現(xiàn)極高力學性能的可能性,只要成形點的材料性能高,而且點與點、道與道、層與層之間良好結(jié)合,金屬增材制造技術(shù)完全可以實現(xiàn)極高力學性能”。
 
針對鑄態(tài)材料與鍛件性能的優(yōu)劣問題,左全杉說,“為什么一般情況下鍛件性能優(yōu)于鑄件性能?從材料學角度講,造成鑄件性能低的原因主要是縮松、組織粗大、雜質(zhì)集中分布等方面的因素,而金屬3D打印的激光立體成形件具有明顯的成分均勻、材質(zhì)致密、組織細小、雜質(zhì)均勻分布的特點,補足了鑄態(tài)材料的缺陷。”
 
此外,也有質(zhì)量專家對金屬3D打印構(gòu)件在工程應用期的使用性能表示憂慮,指出逐點制造如何保持整體性能的一致性?鑄件和鍛件的成形條件真的是處處一致嗎?對此,左全杉表示,由于金屬增材制造的逐點成形提供了逐點控制的條件,反而更有機會實現(xiàn)整個零件成形條件的高度一致性。“當然,這種高度一致性的前提是對構(gòu)件的成形過程以及裝備的高控制精度有著全面深刻的科學認識。”左全杉補充道,“獲得更高力學性能的前景其實是發(fā)展增材制造的專用合金體系。”
 
3D打印的力學問題也是郭超在研究過程中遇到的重要問題。“了解3D打印,特別是金屬3D打印的人,都知道3D打印一個特別重要的考量就是要降低應力,避免打印過程中的變形。”郭超表示,“溫度相差越大,應力越大。而目前的金屬電子束技術(shù)具有更高的能量密度和粉床溫度,可以實現(xiàn)制造、熱處理一體化,在打印過程中已經(jīng)特別不容易變形或開裂,不需要傳統(tǒng)制造方式中后續(xù)進行的金屬材料的熱處理工藝。”
 
解決傳統(tǒng)工藝難題
 
目前,金屬 3D打印技術(shù) 主要應用于航空航天、醫(yī)療植入體等領域。郭超表示,在航空航天領域,激光 3D打印 有很多應用,“因為它可以制造一些輕量化的、復雜的結(jié)構(gòu),而電子束的一個‘殺手锏級’的應用,也是目前工業(yè)上非常經(jīng)典的應用,就是航空發(fā)動機的低壓渦輪葉片。”航空鈦鋁合金葉片的制造成本與精密鑄造接近,而重量輕30%,“可以預見的是,未來十年,鑄造行業(yè)傳統(tǒng)工藝被3D打印替代是不可阻擋的潮流”。
 
左全杉介紹道,金屬 增材制造 技術(shù)在航空航天領域的應用體現(xiàn)為高性能修復、極端復雜的結(jié)構(gòu)件制造、功能強化、減重四個方面。以美國AeroMet公司為例,該公司采用金屬增材制造中的激光立體成形技術(shù)使F15戰(zhàn)斗機中機翼梁的檢修周期縮短為1周,F(xiàn)15飛機腐蝕損傷零件的更換周期大幅度縮短。而瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院采用激光立體成形技術(shù)修復單晶渦輪葉片,單晶渦輪葉片修復中損傷葉片的激光修復時間僅為1~3分鐘/片。
 
近年來,醫(yī)療植入體沿著從標準化到個性化的軌跡快速發(fā)展。郭超說,“目前來講,國內(nèi)外市場上普遍使用的都還是標準化的植入體,下一步的趨勢是個性化,即每一個骨骼植入體不僅尺寸相異,形狀和外觀也不同。”通過與CT掃描技術(shù)緊密結(jié)合,3D電子束打印可以根據(jù)患者的具體情況定做骨頭。“掃描出來的結(jié)果通過數(shù)字化方法很快形成需要的修復體,把圖紙發(fā)過去即可直接制作實體構(gòu)件,72小時之內(nèi),這個植入體就能到達醫(yī)生手上,為患者進行手術(shù)。”
 
“3D打印的骨骼構(gòu)件有一個非常明顯的特點就是其表面特殊的二級網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu),是一種仿生結(jié)構(gòu),模擬人體的骨骼。這種結(jié)構(gòu)植入到人體之后,骨頭可以直接生長到電子束打印的構(gòu)件中,形成非常好的生物固定。這也是電子束3D打印目前在醫(yī)療行業(yè)應用非常火爆的原因。”郭超認為,“只需五到六年,3D打印在骨科方面的應用會快速覆蓋到整個醫(yī)療行業(yè)。”
 
未來,郭超希望金屬3D打印技術(shù)更加注重核心零部件的自主化,包括電子槍、配套電源、聚焦掃描線圈、高度線圈驅(qū)動。“3D打印是系統(tǒng)化的工程,是一套完整的解決方案,要注重核心材料工藝自主化,從粉末材料到工藝參數(shù)包再到粗糙度、致密度、化學成分以及強度、疲勞等性能,形成‘材料—參數(shù)—性能’數(shù)據(jù)庫。”此外,郭超表示,“希望‘3D打印+’注重更加民用化的方向,這也是3D打印未來發(fā)展的一個重要趨勢。”

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