金屬零部件制造的3D打印技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
2020-01-12 05:34:08
3D打印又稱“增材制造”，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）F42國際委員會將其明確定義為“采用打印頭、噴嘴或其它打印技術沉積材料來制造物體的技術”。因此，3D打印是一類制造技術的總稱，從內涵至外延包含了廣泛的原材料應用和增材工藝方法。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打印技術的原始創(chuàng)新活動蓬勃發(fā)展，近30年來國內外大量學者將增材工藝與數(shù)字化制造技術結合起來，并進一步深化了基礎理論體系，真正將3D打印發(fā)展成為一種可以工業(yè)化應用的技術門類。
金屬零部件是工業(yè)體系中占比最大、應用最為廣泛的產品類型，隨“工業(yè)4.0”進程的加快，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打印技術具備成形度自由高、用材范圍廣、制件性能優(yōu)異及制造環(huán)節(jié)少的特點，很好地契合了金屬零部件產品的未來發(fā)展趨勢，并已開始進入實用性階段。
現(xiàn)階段，3D打印技術并不是完全以單一技術應用的方式服務于金屬零部件制造領域，按照其在金屬零部件成形過程中的作用來分類，服務方式可大致劃分為間接制造、直接制造和組合制造方式。多模式的應用方式有效兼顧了金屬零部件產品的制造成本和使用價值，并擴大了3D打印技術在工業(yè)領域的應用空間。
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，而模具設計、開發(fā)和修正是一個漫長而昂貴的過程，3D打印技術中的快速原型（Rapid Prototyping）技術可以有效解決這一問題而獲得大量應用。其中，代表性的技術包括選區(qū)激光燒結（SLS）、激光立體光固化（SLA）和樹脂微滴噴射（3DP）技術。采用選擇性激光燒結技術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、熔模芯殼等產品，用于澆注金屬零部件產品；激光立體光固化技術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，用來制作剛性高分子模具，強度可達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品的生產，且制造時間和成本低于傳統(tǒng)金屬模具；樹脂微滴噴射技術采用陣列噴頭動態(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機理和應用技術已基本完善，我國最早開展選取激光燒結覆膜砂研究的機構有華中科技大學、西安交通大學等高校，國內此類設備的開發(fā)、銷售企業(yè)主要有武漢濱湖機電技術產業(yè)有限公司、北京易加三維科技有限公司和北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司，上述3個公司的設備在鑄造企業(yè)和科研院所裝機量最大，應用也最為廣泛。激光立體光固化技術最早起源于美國，3D Systems公司始終保持這一技術的領先優(yōu)勢，我國西安交通大學等高校對光敏數(shù)值材料和技術機理的研究較為透徹，國內蘇州中瑞機電科技有限公司、北京易加三維科技有限公司、上海聯(lián)泰科技有限公司均開發(fā)出了性價比較高的工業(yè)應用設備，適用于模型制造等行業(yè)領域。美國Exone公司和德國Voxeljet公司是樹脂微滴噴射技術商業(yè)化應用的推動者和領導者；國內，廣東峰華卓立科技股份有限公司推出了相似的技術裝備，并實現(xiàn)了原材料的開源使用，具有較高的使用性價比體驗，已實現(xiàn)在國際、國內鑄造企業(yè)的銷售；寧夏共享集團購置了多臺套Exone設備用于智能鑄造生產線的搭建，并開展了原材料和裝備國產化的工作，已實現(xiàn)大型化呋喃樹脂微滴噴射3D打印機的穩(wěn)定運行。上述快速原型技術的成熟度水平已完全滿足鑄型的快速開發(fā)需求，設備、原材料銷售和技術服務正處于市場爆發(fā)期，如中國中車、廣西玉柴機器集團有限公司、江淮汽車等大型的裝備制造企業(yè)均已建立起了基于3D打印技術的砂型快速制造服務單元，行業(yè)內面向鑄件快速開發(fā)服務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是通過省去或節(jié)省模具開發(fā)時間來加快鑄造產品開發(fā)速度，僅適合于多品種、小批量鑄件產品開發(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)模生產模式相競爭。從目前的技術現(xiàn)狀和應用案例來看，各種服務于鑄型開發(fā)的3D打印技術各有利弊。選擇性激光燒結覆膜砂技術的設備價格較合理，獲得的覆膜砂鑄型適用范圍較廣，可廣泛應用于鑄鋼、鑄鐵及有色合金鑄造領域，但制造效率較低；激光立體光固化技術獲得的鑄造模具在強度和壽命方面還不能與傳統(tǒng)金屬材質模具相競爭，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用；樹脂微滴噴射技術雖然效率相對較高，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，難以滿足高品質鑄件生產要求。筆者認為，鑄型的適用范圍和設備制造效率能否有效兼顧，是影響3D打印技術在鑄造批量化生產模式中獲得應用的關鍵因素。目前，可動態(tài)關閉的大功率半導體激光器技術已實現(xiàn)實質性突破，未來各研究機構和制造企業(yè)會開發(fā)出陣列掃描燒結酚醛覆膜砂材料的設備，并實現(xiàn)低維護成本下寬幅應用砂型的高速制造，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(fā)并生產。得益于精密數(shù)控加工技術、激光器技術和高速振鏡技術的協(xié)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[4]，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(yè)大學黃衛(wèi)東教授團隊基于自主知識產權的技術和設備開發(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；Air Bus公司與西北工業(yè)大學簽署合作協(xié)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(tǒng)論證工作；目前GE公司正在依托西北工業(yè)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(yōu)化和驗證工作[5]。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[6，7]。
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，實現(xiàn)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、Concept Laser公司、SLM Solution公司在技術應用和設備開發(fā)方面處于世界領先地位[8]；在國內，華中科技大學曾曉雁團隊通過自主開發(fā)的技術和裝備首先開創(chuàng)了航天金屬零部件應用選區(qū)激光熔化技術的先例，西北工業(yè)大學相繼開展了選區(qū)激光燒結設備和核心技術開發(fā)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(fā)展成為國內最大的金屬增材制造綜合性服務企業(yè)，各型設備的綜合性能指標接近德國EOS設備水平，并實現(xiàn)了向歐洲航空制造企業(yè)的多臺套銷售，產品服務范圍涉及航空、航天、教育、醫(yī)療等多個領域。在選區(qū)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(fā)揮了金屬熔體在遠離平衡態(tài)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(xiàn)出良好的力學性能；此外，現(xiàn)代結構設計理念中的點陣結構、拓撲優(yōu)化技術可以通過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(guī)格的不斷擴展和設備核心器件的價格持續(xù)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(qū)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。
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合起來，就延伸出了組合制造方式，目前已見報道的方式主要有：鑄造與激光立體成形技術的組合，鍛造與激光立體成形技術的組合和激光立體成形技術與切削加工的組合。國內，西北工業(yè)大學于2005年在我國首臺推重比10航空發(fā)動機后機匣制造中采用了鑄造+激光立體成形組合技術，該產品下部規(guī)則形狀區(qū)域采用了In961合金鑄造成形，上部復雜結構區(qū)域采用GH4169鎳基高溫合金激光立體成形完成，并通過裝機考核；2009年，美國的Optomec Design公司采用激光立體成形技術對軍用飛機T700鍛造葉盤進行了修復，并通過了軍方的振動疲勞驗證試驗；20世紀90年代后期，一項日本的大學和工業(yè)界的聯(lián)合研究項目將激光立體成形與數(shù)控機床結合，并推出了最早的商業(yè)化設備，即Matsuura公司的LUMEX Avance-25，如今Mazak、DMG、Trumpf等世界領先的精密機床制造企業(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，有望在民用領域獲得廣泛的應用。
四、結語
相對于鑄造、鍛壓、焊接及機械切削等傳統(tǒng)的金屬零部件成形技術，3D打印技術應用于工業(yè)領域的時間尚短，最早圍繞需求開展的研究和應用活動也大多集中于航空、航天等高價值產品領域，高昂的制造成本使普通民用領域望而卻步，但其具備的自由成形、近凈成形和制件高性能的特點卻是傳統(tǒng)成形工藝所無法比擬的，這也是在經濟結構調整、工業(yè)結構升級的歷史發(fā)展趨勢下，3D打印技術被世界各工業(yè)強國競相逐力、重點發(fā)展的根本原因所在。3D打印技術自身也是一個廣泛的技術門類，相對成熟的分項技術正在通過改型和轉化方式向現(xiàn)有工業(yè)體系融合，各種新型的高性價比、高效率3D打印技術模式也在持續(xù)開發(fā)之中，未來，通過科學技術領域學者和工程應用領域從業(yè)者的深入協(xié)作，3D打印技術一定可以在新工業(yè)體系下形成多層面、多維度的應用格局。
