机械-金属3D打印变革传统制造方式

109大报告指出，要加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融会，在中消费、创新、绿色低碳、共享经济、现代供应链、人力资本服务等领域培养新增长点、构成新动能。这为我国科技企业的发展指明了方向。作为互联网和制造业深度结合的产物，3D打印技术正在为传统制造业转型升级带来无穷新的可能。数据公司IDC预计，未来5年，3D打印市场将以22.3%的年复合增长率扩大，2020年到达289亿美元。制造复杂零件美国材料与实验协会增材制造技术委员会将采取打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料沉积的方法制造物体定义为3D打印。最近几年来，3D打印技术得到了快速发展。3D打印通常是指利用低本钱、功能简单的桌面级设备进行的增材制造，即面向大众的、普及版的增材制造。那么，什么是增材制造？西安铂力特增材技术股份有限公司北方区域经理左全杉介绍道，通过数字化增加材料的方式进行的制造即为增材制造。对应地，传统的机械加工方法是减材制造，铸造或铸造方法是等材制造拆迁门面房需要公摊面积吗。增材制造具有无模具快速自由成形、全数字化、高柔性等技术特点，可以制造近乎无穷复杂的几何结构，可利用于绝大多数材料种类的制造。左全杉表示，新产品的快速开发、个性化制造、传统技术难以应对的复杂结构件、优化设计显著提升产品功能都是增材制造的重要利用方向。虽然增材制造技术有着广阔的利用前景，但仍有人认为，3D打印存在致命的缺点，由于其所打印实物的结构中存在孔隙。对此，清华大学天津装备研究院增材制造技术研究所副所长郭超从技术和利用层面作出了解释。郭超表示，这类现象确切存在，但其实不是所有的材料都会出现这类现象。通过X射线断层扫描进行检测，我们发现，电子束3D打印的致密度到达了99.96%遇到强拆可以防卫吗，已非常高了，接近于全致密度。郭超所言的电子束3D打印实际上是金属3D打印的1种方式。郭超表示，3D打印是1种变革式的生产方式，而金属3D打印就是这类变革式生产方式的重要类型。金属3D打印可以分为熔覆类和粉床类两种类型。郭超介绍道，前者具有较高的生产效率，通常适用于大型零件的打印，但是它的精度不够高，可以看出非常明显的分层现象；后者大的特点是，可用于中小零件及形状复杂零件的制作。从能量源的角度划分，粉床类打印又可以分为激光和电子束。目前使用激光打印的零件长度大概为1米左右。金属3D打印变革传统制造方式获得更高力学性能随着金属3D打印技术逐渐利用到产业，1些相应的力学性能问题也引发了学界和业内人士的思考。在技术构思期，常见的质疑如金属增材制造技术能够实现极高力学性能吗？有原型制造专家乃至断言：已有的快速成形技术所获零件性能都不高，只能用于原型制造。而技术发展期，人们又会问，铸态材料如何实现锻件性能？事实上，伴随着金属3D打印技术利用转化的深入推动，这些问题的答案也逐渐清晰。左全杉表示，金属增材制造产品的力学性能主要表现为3个方面：成分均匀，从粉末成形到小熔池凝固基本无宏观偏析；材质致密，固/液界面平滑，能够实现充分补缩；组织细小，可以达成快速凝固。由此看出，增材成形原理其实不排除实现极高力学性能的可能性，只要成形点的材料性能高，而且点与点、道与道、层与层之间良好结合，金属增材制造技术完全可以实现极高力学性能。针对铸态材料与锻件性能的优劣问题，左全杉说，为什么1般情况下锻件性能优于铸件性能？从材料学角度讲，造成铸件性能低的缘由主要是缩松、组织粗大、杂质集中散布等方面的因素，而金属3D打印的激光立体成形件具有明显的成分均匀、材质致密、组织细小、杂质均匀散布的特点，补足了铸态材料的缺点。另外，也有质量专家对金属3D打印构件在工程利用期的使用性能表示忧愁，指出逐点制造如何保持整体性能的1致性？铸件和锻件的成形条件真的是处处1致吗？对此房子强拆归哪个部门管，左全杉表示，由于金属增材制造的逐点成形提供了逐点控制的条件，反而更有机会实现全部零件成形条件的高度1致性。固然，这类高度1致性的条件是对构件的成形进程和装备的高控制精度有着全面深入的科学认识。左全杉补充道，获得更高力学性能的前景实际上是发展增材制造的专用合金体系。3D打印的力学问题也是郭超在研究进程中遇到的重要问题。了解3D打印，特别是金属3D打印的人，都知道3D打印1个特别重要的考量就是要降落应力，避免打印进程中的变形。郭超表示，温度相差越大，应力越大。而目前的金属电子束技术具有更高的能量密度和粉床温度，可以实现制造、热处理1体化，在打印进程中已特别不容易变形或开裂，不需要传统制造方式中后续进行的金属材料的热处理工艺。解决传统工艺困难目前，金属3D打印技术主要利用于航空航天、医疗植入体等领域。郭超表示，在航空航天领域，激光3D打印有很多利用，由于它可以制造1些轻量化的、复杂的结构，而电子束的1个‘杀手锏级’的利用，也是目前工业上非常经典的利用，就是航空发动机的低压涡轮叶片。航空钛铝合金叶片的制造本钱与精密铸造接近，而重量轻30%，可以预见的是，未来10年，铸造行业传统工艺被3D打印替换是不可阻挡的潮流。左全杉介绍道，金属增材制造技术在航空航天领域的利用体现为高性能修复、复杂的结构件制造、功能强化、减重4个方面。以美国AeroMet公司为例，该公司采取金属增材制造中的激光立体成形技术使F15战役机中机翼梁的检验周期缩短为1周，F15飞机腐蚀损伤零件的更换周期大幅度缩短。而瑞士洛桑联邦理工学院采取激光立体成形技术修复单晶涡轮叶片，单晶涡轮叶片修复中损伤叶片的激光修复时间仅为1~3分钟/片。最近几年来，医疗植入体沿着从标准化到个性化的轨迹快速发展。郭超说，目前来讲，国内外市场上普遍使用的都还是标准化的植入体，下1步的趋势是个性化，即每一个骨骼植入体不但尺寸相异，形状和外观也不同。通过与CT扫描技术紧密结合，3D电子束打印可以根据患者的具体情况定做骨头。扫描出来的结果通过数字化方法很快构成需要的修复体，把图纸发过去即可直接制作实体构件，72小时之内，这个植入体就能够到达医生手上，为患者进行手术。3D打印的骨骼构件有1个非常明显的特点就是其表面特殊的2级网格状结构，是1种仿生结构，模拟人体的骨骼。这类结构植入到人体以后，骨头可以直接生长到电子束打印的构件中，构成非常好的生物固定。这也是电子束3D打印目前在医疗行业利用非常火爆的缘由。郭超认为，只需5到6年，3D打印在骨科方面的利用会快速覆盖到全部医疗行业。未来，郭超希望金属3D打印技术更加重视核心零部件的自主化，包括电子枪、配套电源、聚焦扫描线圈、高度线圈驱动。3D打印是系统化的工程，是1套完全的解决方案，要重视核心材料工艺自主化，从粉末材料到工艺参数包再到粗糙度、致密度、化学成分和强度、疲劳等性能，构成‘材料参数性能’数据库。另外，郭超表示，希望‘3D打印+’重视更加民用化的方向，这也是3D打印未来发展的1个重要趋势。