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金屬零部件制造的3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

魔猴君  行業(yè)資訊   1977天前

人氣 5756

3D打印又稱“增材制造”,美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)F42國際委員會(huì)將其明確定義為“采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)沉積材料來制造物體的技術(shù)”。因此,3D打印是一類制造技術(shù)的總稱,從內(nèi)涵至外延包含了廣泛的原材料應(yīng)用和增材工藝方法。自1892年基于疊層制造原理的立體地形模型制造專利發(fā)布起,3D打印技術(shù)的原始創(chuàng)新活動(dòng)蓬勃發(fā)展,近30年來國內(nèi)外大量學(xué)者將增材工藝與數(shù)字化制造技術(shù)結(jié)合起來,并進(jìn)一步深化了基礎(chǔ)理論體系,真正將3D打印發(fā)展成為一種可以工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)門類。金屬零部件是工業(yè)體系中占比最大、應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品類型,隨“工業(yè)4.0”進(jìn)程的加快,快速開發(fā)、定制化制造、輕量化等需求面臨著緊迫的壓力。而3D打印技術(shù)具備成自由形度高、用材范圍廣、制件性能優(yōu)異及制造環(huán)節(jié)少的特點(diǎn),很好地契合了金屬零部件產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢,并已開始進(jìn)入實(shí)用性階段。

現(xiàn)階段,3D打印技術(shù)并不是完全以單一技術(shù)應(yīng)用的方式服務(wù)于金屬零部件制造領(lǐng)域,按照其在金屬零部件成形過程中的作用來分類,服務(wù)方式可大致劃分為間接制造、直接制造和組合制造方式。多模式的應(yīng)用方式有效兼顧了金屬零部件產(chǎn)品的制造成本和使用價(jià)值,并擴(kuò)大了3D打印技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用空間。

一、間接制造現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

鑄造成形是獲得金屬零部件的一種重要而又廣泛的技術(shù)方式,在傳統(tǒng)的鑄造工業(yè)中大多包含模具制造的工序,而模具設(shè)計(jì)、開發(fā)和修正是一個(gè)漫長而昂貴的過程,3D打印技術(shù)中的快速原型(RapidPrototyping)技術(shù)可以有效解決這一問題而獲得大量應(yīng)用。其中,代表性的技術(shù)包括選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)、激光立體光固化(SLA)和樹脂微滴噴射(3DP)技術(shù)。采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可以省去模具制造過程,直接用來制作酚醛樹脂覆膜砂鑄型、熔模芯殼等產(chǎn)品,用于澆注金屬零部件產(chǎn)品;激光立體光固化技術(shù)是通過特定波長的激光光束來固化光敏樹脂的成形方式,具備成形自由度高、制件粗糙度低、尺寸精度好的特點(diǎn),用來制作剛性高分子模具,強(qiáng)度可達(dá)50MPa,適用于呋喃樹脂砂、水玻璃砂及潮模砂的砂型翻模制造,模具壽命和尺寸精度水平可滿足小批量鑄造產(chǎn)品的生產(chǎn),且制造時(shí)間和成本低于傳統(tǒng)金屬模具;樹脂微滴噴射技術(shù)采用陣列噴頭動(dòng)態(tài)控制的方式,獲得了較快的面層掃描速度,適用于呋喃樹脂自硬砂型的高效率制造。

覆膜砂型的激光燒結(jié)機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)已基本完善,我國最早開展選取激光燒結(jié)覆膜砂研究的機(jī)構(gòu)有華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校,國內(nèi)此類設(shè)備的開發(fā)、銷售企業(yè)主要有武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司、北京易加三維科技有限公司和北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司,上述3個(gè)公司的設(shè)備在鑄造企業(yè)和科研院所裝機(jī)量最大,應(yīng)用也最為廣泛。

美國Exone公司和德國Voxeljet公司是樹脂微滴噴射技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的推動(dòng)者和領(lǐng)導(dǎo)者;國內(nèi),廣東峰華卓立科技股份有限公司推出了相似的技術(shù)裝備,并實(shí)現(xiàn)了原材料的開源使用,具有較高的使用性價(jià)比體驗(yàn),已實(shí)現(xiàn)在國際、國內(nèi)鑄造企業(yè)的銷售;寧夏共享集團(tuán)購置了多臺(tái)套Exone設(shè)備用于智能鑄造生產(chǎn)線的搭建,并開展了原材料和裝備國產(chǎn)化的工作,已實(shí)現(xiàn)大型化呋喃樹脂微滴噴射3D打印機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

上述快速原型技術(shù)的成熟度水平已完全滿足鑄型的快速開發(fā)需求,設(shè)備、原材料銷售和技術(shù)服務(wù)正處于市場爆發(fā)期,如中國中車、廣西玉柴機(jī)器集團(tuán)有限公司、江淮汽車等大型的裝備制造企業(yè)均已建立起了基于3D打印技術(shù)的砂型快速制造服務(wù)單元,行業(yè)內(nèi)面向鑄件快速開發(fā)服務(wù)的小型公司也在逐漸增多。

值得注意的是,目前的快速原型技術(shù)是通過省去或節(jié)省模具開發(fā)時(shí)間來加快鑄造產(chǎn)品開發(fā)速度,僅適合于多品種、小批量鑄件產(chǎn)品開發(fā)和鑄造工藝快速定型,尚不能與傳統(tǒng)鑄造工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)模式相競爭。從目前的技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用案例來看,各種服務(wù)于鑄型開發(fā)的3D打印技術(shù)各有利弊。選擇性激光燒結(jié)覆膜砂技術(shù)的設(shè)備價(jià)格較合理,獲得的覆膜砂鑄型適用范圍較廣,可廣泛應(yīng)用于鑄鋼、鑄鐵及有色合金鑄造領(lǐng)域,但制造效率較低;激光立體光固化技術(shù)獲得的鑄造模具在強(qiáng)度和壽命方面還不能與傳統(tǒng)金屬材質(zhì)模具相競爭,且高溫性能差的特性限制了其在覆膜砂型熱成形工藝上的應(yīng)用;樹脂微滴噴射技術(shù)雖然效率相對較高,但核心器件陣列噴頭的壽命較短,更換成本高,且僅適用于呋喃樹脂砂作為原材料,難以滿足高品質(zhì)鑄件生產(chǎn)要求。


筆者認(rèn)為,鑄型的適用范圍和設(shè)備制造效率能否有效兼顧,是影響3D打印技術(shù)在鑄造批量化生產(chǎn)模式中獲得應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前,可動(dòng)態(tài)關(guān)閉的大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)已實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破,未來各研究機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)會(huì)開發(fā)出陣列掃描燒結(jié)酚醛覆膜砂材料的設(shè)備,并實(shí)現(xiàn)低維護(hù)成本下寬幅應(yīng)用砂型的高速制造,能真正使 3D 打印成為傳統(tǒng)鑄造的必備工序。

二、直接制造現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

對于一些采用傳統(tǒng)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(chǎn)品,通常也具備較高的技術(shù)成本價(jià)值,目前已開始采用3D打印直接制造的方式開發(fā)并生產(chǎn)。得益于精密數(shù)控加工技術(shù)、激光器技術(shù)和高速振鏡技術(shù)的協(xié)同進(jìn)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(chǎn)品的設(shè)計(jì)三維圖紙生產(chǎn)出兼顧復(fù)雜形狀和高性能的金屬零件產(chǎn)品。

目前已獲得實(shí)際應(yīng)用的直接制造金屬零部件3D打印技術(shù)包括激光立體成形技術(shù)(LDM)、選擇性激光熔化技術(shù)(SLM)、選擇性電子束熔化技術(shù)(SEBM)等,產(chǎn)品材質(zhì)范圍涵蓋鈦合金、高溫合金、有色合金、高強(qiáng)鋼等系列牌號(hào)。其中,激光立體成形技術(shù)采用了光束同步送粉的方式,逐點(diǎn)快速熔化堆積金屬粉材,可制作大型的金屬零部件產(chǎn)品,國內(nèi)對此項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用等同、甚至部分超越國外技術(shù)水平。西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和設(shè)備開發(fā)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(yīng)用于C919客機(jī)樣機(jī)測試階段,綜合評價(jià)達(dá)到了鍛件的力學(xué)性能、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性等要求,且力學(xué)性能一致性水平遠(yuǎn)高于美國波音公司制造施工標(biāo)準(zhǔn);AirBus公司與西北工業(yè)大學(xué)簽署合作協(xié)議,以期望開展對激光立體成形技術(shù)制造大型鈦合金構(gòu)件的系統(tǒng)論證工作;目前GE公司正在依托西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片鈦合金和高溫合金進(jìn)氣邊激光立體成形工藝方案的優(yōu)化和驗(yàn)證工作。北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了飛機(jī)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光立體成形技術(shù),2013年展出的鈦合金主承力加強(qiáng)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(hào)產(chǎn)品已在多個(gè)國產(chǎn)軍用機(jī)型中獲得應(yīng)用。

選區(qū)激光熔化和選區(qū)電子束熔化是通過能量束來熔化粉床的層面區(qū)域,實(shí)現(xiàn)金屬粉末的逐層熔化—凝固成形的技術(shù),適用于小型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零部件產(chǎn)品的直接制造。在選取激光熔化技術(shù)方面,德國EOS公司、ConceptLaser公司、SLMSolution公司在技術(shù)應(yīng)用和設(shè)備開發(fā)方面處于世界領(lǐng)先地位;在國內(nèi),華中科技大學(xué)曾曉雁團(tuán)隊(duì)通過自主開發(fā)的技術(shù)和裝備首先開創(chuàng)了航天金屬零部件應(yīng)用選區(qū)激光熔化技術(shù)的先例,西北工業(yè)大學(xué)相繼開展了選區(qū)激光燒結(jié)設(shè)備和核心技術(shù)開發(fā)工作,并孵化成立了西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司,目前已發(fā)展成為國內(nèi)最大的金屬增材制造綜合性服務(wù)企業(yè),各型設(shè)備的綜合性能指標(biāo)接近德國EOS設(shè)備水平,并實(shí)現(xiàn)了向歐洲航空制造企業(yè)的多臺(tái)套銷售,產(chǎn)品服務(wù)范圍涉及航空、航天、教育、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。在選區(qū)電子束熔化方面,瑞典Arcam公司是技術(shù)裝備領(lǐng)先者,國內(nèi)西北有色金屬研究院已購置其設(shè)備并開展了相關(guān)成形技術(shù)研究工作。

直接制造金屬零部件的3D打印技術(shù),充分發(fā)揮了金屬熔體在遠(yuǎn)離平衡態(tài)凝固過程中晶粒細(xì)化、溶質(zhì)偏析傾向小的作用,可獲得細(xì)密均勻的基體組織,并使金屬零部件呈現(xiàn)出良好的力學(xué)性能;此外,現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念中的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以通過3D打印的自由成形能力得到充分發(fā)揮,極大提高金屬制件的輕量化水平。這些優(yōu)勢的協(xié)同作用為3D打印的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),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(yīng)用,此外,隨金屬粉材牌號(hào)、規(guī)格的不斷擴(kuò)展和設(shè)備核心器件的價(jià)格持續(xù)降低,直接制造金屬零部件3D打印技術(shù)的應(yīng)用成本正在趨近于合理的區(qū)間。軌道交通、船舶等民用高端裝備產(chǎn)品具備與航空、航天產(chǎn)品相似的批量特點(diǎn),并包含自身特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和輕量化、安全性指標(biāo)需求,將會(huì)為選擇性激光熔化技術(shù)、激光立體成形技術(shù)提供新的應(yīng)用空間。

三、組合制造現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

將金屬零部件的傳統(tǒng)成形方式與3D打印直接制造方式結(jié)合起來,就延伸出了組合制造方式,目前已見報(bào)道的方式主要有:鑄造與激光立體成形技術(shù)的組合、鍛造與激光立體成形技術(shù)的組合和激光立體成形技術(shù)與切削加工的組合。國內(nèi),西北工業(yè)大學(xué)于2005年在我國首臺(tái)推重比10航空發(fā)動(dòng)機(jī)后機(jī)匣制造中采用了鑄造+激光立體成形組合技術(shù),該產(chǎn)品下部規(guī)則形狀區(qū)域采用了In961合金鑄造成形,上部復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域采用GH4169鎳基高溫合金激光立體成形完成,并通過裝機(jī)考核;2009年,美國的Optomec Design公司采用激光立體成形技術(shù)對軍用飛機(jī)T700鍛造葉盤進(jìn)行了修復(fù),并通過了軍方的振動(dòng)疲勞驗(yàn)證試驗(yàn);20世紀(jì)90年代后期,一項(xiàng)日本的大學(xué)和工業(yè)界的聯(lián)合研究項(xiàng)目將激光立體成形與數(shù)控機(jī)床結(jié)合,并推出了最早的商業(yè)化設(shè)備,即Matsuura公司的LUMEX Avance-25,如今Mazak、DMG、Trumpf等世界領(lǐng)先的精密機(jī)床制造企業(yè)已判斷出未來市場的巨大需求,分別推出了自己的激光立體成形+數(shù)控切削商業(yè)設(shè)備并開始銷售。組合制造方式在一定程度上降低了3D打印直接制造金屬零部件的成本區(qū)間,并克服了難成形材料的傳統(tǒng)制造局限,為金屬零部件的增材制造開辟了一條新的途徑,有望在民用領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

四、結(jié)語

相對于鑄造、鍛壓、焊接及機(jī)械切削等傳統(tǒng)的金屬零部件成形技術(shù),3D打印技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的時(shí)間尚短,最早圍繞需求開展的研究和應(yīng)用活動(dòng)也大多集中于航空、航天等高價(jià)值產(chǎn)品領(lǐng)域,高昂的制造成本使普通民用領(lǐng)域望而卻步,但其具備的自由成形、近凈成形和制件高性能的特點(diǎn)卻是傳統(tǒng)成形工藝所無法比擬的,這也是在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、工業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的歷史發(fā)展趨勢下,3D打印技術(shù)被世界各工業(yè)強(qiáng)國競相逐力、重點(diǎn)發(fā)展的根本原因所在。3D打印技術(shù)自身也是一個(gè)廣泛的技術(shù)門類,相對成熟的分項(xiàng)技術(shù)正在通過改型和轉(zhuǎn)化方式向現(xiàn)有工業(yè)體系融合,各種新型的高性價(jià)比、高效率3D打印技術(shù)模式也在持續(xù)開發(fā)之中,未來,通過科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)W者和工程應(yīng)用領(lǐng)域從業(yè)者的深入?yún)f(xié)作,3D打印技術(shù)一定可以在新工業(yè)體系下形成多層面、多維度的應(yīng)用格局。

 

來源:中國3D打印網(wǎng)

   
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