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金属零部件制作的3D打印技能现状及趋势

3D打印又称“增材制作”,美国资料与实验协会(ASTM)F42世界委员会将其清晰界说为“选用打印头、喷嘴或其他打印技能堆积资料来制作物体的技能”。因而,3D打印是一类制作技能的总称,从内在至外延包括了广泛的原资料运用和增材工艺办法。自1892年依据叠层制作原理的立体地形模型制作专利发布起,3D打印技能的原始立异活动蓬勃展开,近30年来国内外很多学者将增材工艺与数字化制作技能结合起来,并进一步深化了根底理论体系,真正将3D打印展开成为一种能够工业化运用的技能类别。金属零部件是工业体系中占比最大、运用最为广泛的产品类型,随“工业4.0”进程的加速,快速开发、定制化制作、轻量化等需求面临着急迫的压力。而3D打印技能具有成自在形度高、用材规模广、制件功能优异及制作环节少的特色,很好地符合了金属零部件产品的未来展开趋势,并已开端进入实用性阶段。

现阶段,3D打印技能并不是彻底以单一技能运用的办法服务于金属零部件制作范畴,依照其在金属零部件成形进程中的效果来分类,服务办法可大致划分为直接制作、直接制作和组合制作办法。多形式的运用办法有用统筹了金属零部件产品的制作本钱和运用价值,并扩展了3D打印技能在工业范畴的运用空间。

一、直接制作现状及其展开趋势

铸造成形是取得金属零部件的一种重要而又广泛的技能办法,在传统的铸造工业中大多包括模具制作的工序,而模具规划、开发和修正是一个绵长而贵重的进程,3D打印技能中的快速原型(RapidPrototyping)技能能够有用处理这一问题而取得很多运用。其间,代表性的技能包括选区激光烧结(SLS)、激光立体光固化(SLA)和树脂微滴喷发(3DP)技能。选用选择性激光烧结技能能够省去模具制作进程,直接用来制作酚醛树脂覆膜砂铸型、熔模芯壳等产品,用于浇注金属零部件产品;激光立体光固化技能是经过特定波长的激光光束来固化光敏树脂的成形办法,具有成形自在度高、制件粗糙度低、尺度精度好的特色,用来制作刚性高分子模具,强度可达50MPa,适用于呋喃树脂砂、水玻璃砂及潮模砂的砂型翻模制作,模具寿数和尺度精度水平可满意小批量铸造产品的出产,且制作时刻和本钱低于传统金属模具;树脂微滴喷发技能选用阵列喷头动态操控的办法,取得了较快的面层扫描速度,适用于呋喃树脂自硬砂型的高功率制作。

覆膜砂型的激光烧结机理和运用技能已根本完善,我国最早展开选取激光烧结覆膜砂研讨的安排有华中科技大学、西安交通大学等高校,国内此类设备的开发、出售企业主要有武汉滨湖机电技能工业有限公司、北京易加三维科技有限公司和北京隆源主动成型体系有限公司,上述3个公司的设备在铸造企业和科研院所装机量最大,运用也最为广泛。

激光立体光固化技能最早起源于美国,3D Systems公司始终保持这一技能的抢先优势,我国西安交通大学等高校正光敏数值资料和技能机理的研讨较为透彻,国内姑苏中瑞机电科技有限公司、北京易加三维科技有限公司、上海联泰科技有限公司均开发出了性价比较高的工业运用设备,适用于模型制作等职业范畴。

美国Exone公司和德国Voxeljet公司是树脂微滴喷发技能商业化运用的推动者和领导者;国内,广东峰华卓立科技股份有限公司推出了类似的技能配备,并完成了原资料的开源运用,具有较高的运用性价比体会,已完成在世界、国内铸造企业的出售;宁夏同享集团置办了多台套Exone设备用于智能铸造出产线的树立,并展开了原资料和配备国产化的作业,已完成大型化呋喃树脂微滴喷发3D打印机的安稳运转。

上述快速原型技能的成熟度水平已彻底满意铸型的快速开发需求,设备、原资料出售和技能服务正处于商场迸发期,如我国中车、广西玉柴机器集团有限公司、江淮轿车等大型的配备制作企业均已树立起了依据3D打印技能的砂型快速制作服务单元,职业内面向铸件快速开发服务的小型公司也在逐步增多。

值得注意的是,现在的快速原型技能是经过省去或节约模具开发时刻来加速铸造产品开发速度,仅适合于多种类、小批量铸件产品开发和铸造工艺快速定型,尚不能与传统铸造工业的大规模出产形式相竞赛。从现在的技能现状和运用事例来看,各种服务于铸型开发的3D打印技能各有利弊。选择性激光烧结覆膜砂技能的设备价格较合理,取得的覆膜砂铸型适用规模较广,可广泛运用于铸钢、铸铁及有色合金铸造范畴,但制作功率较低;激光立体光固化技能取得的铸造模具在强度和寿数方面还不能与传统金属原料模具相竞赛,且高温功能差的特性约束了其在覆膜砂型热成形工艺上的运用;树脂微滴喷发技能尽管功率相对较高,但中心器材阵列喷头的寿数较短,替换本钱高,且仅适用于呋喃树脂砂作为原资料,难以满意高品质铸件出产要求。

笔者以为,铸型的适用规模和设备制作功率能否有用统筹,是影响3D打印技能在铸造批量化出产形式中取得运用的关键因素。现在,可动态封闭的大功率半导体激光器技能已完成实质性打破,未来各研讨安排和制作企业会开发出阵列扫描烧结酚醛覆膜砂资料的设备,并完成低保护本钱下宽幅运用砂型的高速制作,能真正使 3D 打印成为传统铸造的必备工序。

二、直接制作现状及其展开趋势

关于一些选用传统工艺难以成形、功能要求高及运用工况特别的金属零部件产品,一般也具有较高的技能本钱价值,现在已开端选用3D打印直接制作的办法开发并出产。得益于精细数控加工技能、激光器技能和高速振镜技能的协同前进,选用激光、电子束、电弧等高能束熔化金属粉材、线材的办法,可直接依照产品的规划三维图纸出产出统筹杂乱形状和高功能的金属零件产品。

现在已取得实践运用的直接制作金属零部件3D打印技能包括激光立体成形技能(LDM)、选择性激光熔化技能(SLM)、选择性电子束熔化技能(SEBM)等,产品原料规模包括钛合金、高温合金、有色合金、高强钢等系列商标。其间,激光立体成形技能选用了光束同步送粉的办法,逐点快速熔化堆积金属粉材,可制作大型的金属零部件产品,国内对此项技能的研讨和运用同等、乃至部分逾越国外技能水平。西北工业大学黄卫东教授团队依据自主知识产权的技能和设备开发出了钛合金中心翼缘条制件,最大尺度3.07m,最大变形量小于0.8mm,已成功运用于C919客机样机测验阶段,归纳点评达到了锻件的力学功能、疲劳强度和断裂韧性等要求,且力学功能一致性水平远高于美国波音公司制作施工规范;AirBus公司与西北工业大学签署协作协议,以期望展开对激光立体成形技能制作大型钛合金构件的体系证明作业;现在GE公司正在依托西北工业大学进行复合资料宽弦电扇叶片钛合金和高温合金进气边激光立体成形工艺方案的优化和验证作业。北京航空航天大学王华明院士团队要点研讨了飞机大型钛合金结构件激光立体成形技能,2013年展出的钛合金主承力加强框比较铸造成形的资料利用率进步5倍,制作周期缩短2/3,制作本钱下降1/2,多种类型产品已在多个国产军用机型中取得运用。

选区激光熔化和选区电子束熔化是经过能量束来熔化粉床的层面区域,完成金属粉末的逐层熔化—凝结成形的技能,适用于小型、杂乱结构金属零部件产品的直接制作。在选取激光熔化技能方面,德国EOS公司、ConceptLaser公司、SLMSolution公司在技能运用和设备开发方面处于世界抢先地位;在国内,华中科技大学曾晓雁团队经过自主开发的技能和配备首要创始了航天金属零部件运用选区激光熔化技能的先例,西北工业大学相继展开了选区激光烧结设备和中心技能开发作业,并孵化成立了西安铂力特增材技能股份有限公司,现在已展开成为国内最大的金属增材制作归纳性服务企业,各型设备的归纳功能目标挨近德国EOS设备水平,并完成了向欧洲航空制作企业的多台套出售,产品服务规模触及航空、航天、教育、医疗等多个范畴。在选区电子束熔化方面,瑞典Arcam公司是技能配备抢先者,国内西北有色金属研讨院已置办其设备并展开了相关成形技能研讨作业。

直接制作金属零部件的3D打印技能,充分发挥了金属熔体在远离平衡态凝结进程中晶粒细化、溶质偏析倾向小的效果,可取得细密均匀的基体安排,并使金属零部件呈现出杰出的力学功能;此外,现代结构规划理念中的点阵结构、拓扑优化技能能够经过3D打印的自在成形才能得到充分发挥,极大进步金属制件的轻量化水平。这些优势的协同效果为3D打印的运用奠定了根底,已在航空、航天等高端配备的极致轻量化和高可靠性部件上取得了很多运用,此外,随金属粉材商标、标准的不断扩展和设备中心器材的价格持续下降,直接制作金属零部件3D打印技能的运用本钱正在趋近于合理的区间。轨道交通、船只等民用高端配备产品具有与航空、航天产品类似的批量特色,并包括本身特有的结构特色和轻量化、安全性目标需求,将会为选择性激光熔化技能、激光立体成形技能供给新的运用空间。

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