金屬零部件制造的3D打印技術(shù)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(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、噴嘴或其它打印技術(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(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（Rapid Prototyping）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。激光立體光固化技術(shù)最早起源于美國，3D Systems公司始終保持這一技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢，我國西安交通大學(xué)等高校對光敏數(shù)值材料和技術(shù)機(jī)理的研究較為透徹，國內(nèi)蘇州中瑞機(jī)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(jià)比較高的工業(yè)應(yīng)用設(shè)備，適用于模型制造等行業(yè)領(lǐng)域。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[4]，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)；Air Bus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[5]。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[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(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、Concept Laser公司、SLM Solution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[8]；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。
