直接制造現狀及其發展趨勢

對于一些采用傳統工藝難以成形、性能要求高及使用工況特殊的金屬零部件產品,通常也具備較高的技術成本價值,目前已開始采用3D打印直接制造的方式開發并生產。得益于精密數控加工技術、激光器技術和高速振鏡技術的協同進步,采用激光、電子束、電弧等高能束熔化金屬粉材、線材的方式,可直接按照產品的設計三維圖紙生產出兼顧復雜形狀和高性能的金屬零件產品。

目前已獲得實際應用的直接制造金屬零部件3D打印技術包括激光立體成形技術(LDM)、選擇性激光熔化技術(SLM)、選擇性電子束熔化技術(SEBM)等,產品材質范圍涵蓋鈦合金、高溫合金、有色合金、高強鋼等系列牌號。其中,激光立體成形技術采用了光束同步送粉的方式,逐點快速熔化堆積金屬粉材,可制作大型的金屬零部件產品,國內對此項技術的研究和應用等同、甚至部分超越國外技術水平。西北工業大學黃衛東教授團隊基于自主知識產權的技術和設備開發出了鈦合金中央翼緣條制件,最大尺寸3.07m,最大變形量小于0.8mm,已成功應用于C919客機樣機測試階段,綜合評價達到了鍛件的力學性能、疲勞強度和斷裂韌性等要求,且力學性能一致性水平遠高于美國波音公司制造施工標準;AirBus公司與西北工業大學簽署合作協議,以期望開展對激光立體成形技術制造大型鈦合金構件的系統論證工作;目前GE公司正在依托西北工業大學進行復合材料寬弦風扇葉片鈦合金和高溫合金進氣邊激光立體成形工藝方案的優化和驗證工作。北京航空航天大學王華明院士團隊重點研究了飛機大型鈦合金結構件激光立體成形技術,2013年展出的鈦合金主承力加強框相比鍛造成形的材料利用率提高5倍,制造周期縮短2/3,制造成本降低1/2,多種型號產品已在多個國產軍用機型中獲得應用。

選區激光熔化和選區電子束熔化是通過能量束來熔化粉床的層面區域,實現金屬粉末的逐層熔化—凝固成形的技術,適用于小型、復雜結構金屬零部件產品的直接制造。在選取激光熔化技術方面,德國EOS公司、ConceptLaser公司、SLMSolution公司在技術應用和設備開發方面處于世界領先地位;在國內,華中科技大學曾曉雁團隊通過自主開發的技術和裝備首先開創了航天金屬零部件應用選區激光熔化技術的先例,西北工業大學相繼開展了選區激光燒結設備和核心技術開發工作,并孵化成立了西安鉑力特增材技術股份有限公司,目前已發展成為國內最大的金屬增材制造綜合性服務企業,各型設備的綜合性能指標接近德國EOS設備水平,并實現了向歐洲航空制造企業的多臺套銷售,產品服務范圍涉及航空、航天、教育、醫療等多個領域。在選區電子束熔化方面,瑞典Arcam公司是技術裝備領先者,國內西北有色金屬研究院已購置其設備并開展了相關成形技術研究工作。

直接制造金屬零部件的3D打印技術,充分發揮了金屬熔體在遠離平衡態凝固過程中晶粒細化、溶質偏析傾向小的作用,可獲得細密均勻的基體組織,并使金屬零部件呈現出良好的力學性能;此外,現代結構設計理念中的點陣結構、拓撲優化技術可以通過3D打印的自由成形能力得到充分發揮,極大提高金屬制件的輕量化水平。這些優勢的協同作用為3D打印的應用奠定了基礎,已在航空、航天等高端裝備的極致輕量化和高可靠性部件上獲得了大量應用,此外,隨金屬粉材牌號、規格的不斷擴展和設備核心器件的價格持續降低,直接制造金屬零部件3D打印技術的應用成本正在趨近于合理的區間。軌道交通、船舶等民用高端裝備產品具備與航空、航天產品相似的批量特點,并包含自身特有的結構特點和輕量化、安全性指標需求,將會為選擇性激光熔化技術、激光立體成形技術提供新的應用空間。



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