|
|
|
| 您目前的位置:網(wǎng)站首頁(yè) => |
 |
| |
| 金屬3D打印變革傳統制造方式 |
| 發(fā)布時(shí)間：2017/11/14 15:49:46 來(lái)源：鑫泰科技 發(fā)布者：manni123 |
|
十九大報告指出，要加快建設制造強國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟深度融合，在中高端消費、創(chuàng )新引領(lǐng)、綠色低碳、共享經(jīng)濟、現代供應鏈、人力資本服務(wù)等領(lǐng)域培育新增長(cháng)點(diǎn)、形成新動(dòng)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)深度結合的產(chǎn)物，3D打印技術(shù)正在為傳統制造業(yè)轉型升級帶來(lái)無(wú)限新的可能。國際數據公司IDC預計，未來(lái)5年，全球3D打印市場(chǎng)將以22.3%的年復合增長(cháng)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(huì )增材制造技術(shù)委員會(huì )將“采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)，通過(guò)材料沉積的方法制造物體”定義為3D打印。近年來(lái)，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(jiǎn)單的桌面級設備進(jìn)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域經(jīng)理左全杉介紹道，通過(guò)數字化增加材料的方式進(jìn)行的制造即為增材制造。對應地，傳統的機械加工方法是“減材制造”，鍛造或鑄造方法是“等材制造”。
“增材制造具有無(wú)模具快速自由成形、全數字化、高柔性等技術(shù)特征，可以制造近乎無(wú)限復雜的幾何結構，可應用于絕大多數材料種類(lèi)的制造。”左全杉表示，新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)、個(gè)性化制造、傳統技術(shù)難以應對的極端復雜結構件、最優(yōu)化設計顯著(zhù)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(zhù)廣闊的應用前景，但仍有人認為，3D打印存在致命的缺點(diǎn)，因為其所打印實(shí)物的結構中存在孔隙。對此，清華大學(xué)天津高端裝備研究院增材制造技術(shù)研究所副所長(cháng)郭超從技術(shù)和應用層面作出了解釋。郭超表示，“這種現象確實(shí)存在，但并不是所有的材料都會(huì )出現這種現象。通過(guò)X射線(xiàn)斷層掃描進(jìn)行檢測，我們發(fā)現，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(shí)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(lèi)型。
“金屬3D打印可以分為熔覆類(lèi)和粉床類(lèi)兩種類(lèi)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象；后者最大的特點(diǎn)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(lèi)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(cháng)度大概為一米左右。”
獲得更高力學(xué)性能
隨著(zhù)金屬3D打印技術(shù)逐漸應用到產(chǎn)業(yè)，一些相應的力學(xué)性能問(wèn)題也引發(fā)了學(xué)界和業(yè)內人士的思考。在技術(shù)構思期，常見(jiàn)的質(zhì)疑如金屬增材制造技術(shù)能夠實(shí)現極高力學(xué)性能嗎？有原型制造專(zhuān)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(huì )問(wèn)，鑄態(tài)材料如何實(shí)現鍛件性能？
事實(shí)上，伴隨著(zhù)金屬3D打印技術(shù)應用轉化的深入推進(jìn)，這些問(wèn)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(xué)性能主要表現為三個(gè)方面：成分均勻，從粉末成形到小熔池凝固基本無(wú)宏觀(guān)偏析；材質(zhì)致密，固/液界面平滑，能夠實(shí)現充分補縮；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(shí)現極高力學(xué)性能的可能性，只要成形點(diǎn)的材料性能高，而且點(diǎn)與點(diǎn)、道與道、層與層之間良好結合，金屬增材制造技術(shù)完全可以實(shí)現極高力學(xué)性能”。
針對鑄態(tài)材料與鍛件性能的優(yōu)劣問(wèn)題，左全杉說(shuō)，“為什么一般情況下鍛件性能優(yōu)于鑄件性能？從材料學(xué)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(diǎn)，補足了鑄態(tài)材料的缺陷。”
此外，也有質(zhì)量專(zhuān)家對金屬3D打印構件在工程應用期的使用性能表示憂(yōu)慮，指出逐點(diǎn)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(diǎn)成形提供了逐點(diǎn)控制的條件，反而更有機會(huì )實(shí)現整個(gè)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件的成形過(guò)程以及裝備的高控制精度有著(zhù)全面深刻的科學(xué)認識。”左全杉補充道，“獲得更高力學(xué)性能的前景其實(shí)是發(fā)展增材制造的專(zhuān)用合金體系。”
3D打印的力學(xué)問(wèn)題也是郭超在研究過(guò)程中遇到的重要問(wèn)題。“了解3D打印，特別是金屬3D打印的人，都知道3D打印一個(gè)特別重要的考量就是要降低應力，避免打印過(guò)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(shí)現制造、熱處理一體化，在打印過(guò)程中已經(jīng)特別不容易變形或開(kāi)裂，不需要傳統制造方式中后續進(jìn)行的金屬材料的熱處理工藝。”
解決傳統工藝難題
目前，金屬3D打印技術(shù)主要應用于航空航天、醫療植入體等領(lǐng)域。郭超表示，在航空航天領(lǐng)域，激光3D打印有很多應用，“因為它可以制造一些輕量化的、復雜的結構，而電子束的一個(gè)‘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(dòng)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(jiàn)的是，未來(lái)十年，鑄造行業(yè)傳統工藝被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(lǐng)域的應用體現為高性能修復、極端復雜的結構件制造、功能強化、減重四個(gè)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戰斗機中機翼梁的檢修周期縮短為1周，F15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(xué)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(shí)間僅為1~3分鐘/片。
近年來(lái)，醫療植入體沿著(zhù)從標準化到個(gè)性化的軌跡快速發(fā)展。郭超說(shuō)，“目前來(lái)講，國內外市場(chǎng)上普遍使用的都還是標準化的植入體，下一步的趨勢是個(gè)性化，即每一個(gè)骨骼植入體不僅尺寸相異，形狀和外觀(guān)也不同。”通過(guò)與CT掃描技術(shù)緊密結合，3D電子束打印可以根據患者的具體情況定做骨頭。“掃描出來(lái)的結果通過(guò)數字化方法很快形成需要的修復體，把圖紙發(fā)過(guò)去即可直接制作實(shí)體構件，72小時(shí)之內，這個(gè)植入體就能到達醫生手上，為患者進(jìn)行手術(shù)。”
“3D打印的骨骼構件有一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)就是其表面特殊的二級網(wǎng)格狀結構，是一種仿生結構，模擬人體的骨骼。這種結構植入到人體之后，骨頭可以直接生長(cháng)到電子束打印的構件中，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(huì )快速覆蓋到整個(gè)醫療行業(yè)。”鑫泰數控加工中心機器人龍門(mén)
未來(lái)，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(xiàn)圈、高度線(xiàn)圈驅動(dòng)。“3D打印是系統化的工程，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包再到粗糙度、致密度、化學(xué)成分以及強度、疲勞等性能，形成‘材料—參數—性能’數據庫。”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(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。” |
|
