3D金属打印应用的发展趋势浅析
美国是3D打印技术发源地,几乎早期的3D打印发明专利和原创技术均来自美国。美国对3D打印科学和技术的发展做出了极其巨大的贡献。2012年,美国时任总统奥巴马呼吁要建立一个新兴制造技术研究院。当年,美国国家增材制造创新研究院(National Additive Manufacturing Innovation Institute ——NAMII)成立。2013年10月9日,由美国国家国防制造和加工中心(National Center for Defense Manufacturing and Machining,NCDMM)领导的美国国家增材制造创新研究院宣布更名为America Makes。America Makes的目的是缩小商业化需求与大学和国家实验室的基础研究之间的差距。美国劳伦斯-利弗摩尔国家实验室——LLNL,这是硕果累累的世界级增材制造科研机构。LLNL除了研发金属3D打印技术,还挖掘其他新金属3D打印技术的商业价值,例如,对NIF发明的大面积光刻技术进行应用研究。使用多路复用器,激光二极管和Q开关激光脉冲来选择性地熔化每层金属粉末。近红外光的图案化是通过将光成像到光寻址阀(QALV)上实现的。
欧盟委员会于2011年11月30日公布了“地平线2020”科研规划提案,规划为期7年,预计耗资约800亿欧元。欧洲的一大特点是科研院所与企业的交互十分紧密,例如德国费劳恩霍夫应用研究促进协会(Fraunhofer)、DMRC研究中心以及英国的谢菲尔大学。英国地平线增材制造计划专注于飞机金属轻质部件生产所需的增材制造技术。英国地平线增材制造计划的目标是通过建立3D打印飞行零部件的可行方法,利用3D打印技术所实现的高度几何复杂性和多种材料的能力,为下一代飞机制造先进的零部件,从而使英国处在航空航天设计和制造的前沿。2014年成立了由吉凯恩航空领导,雷尼绍、Autodesk、谢菲尔德大学、华威大学、达尔康(Del-cam)等参加的3D打印联盟。
德国的弗劳恩霍夫(Fraunhofer)是欧洲增材制造技术研发与应用研究的中流砥柱,世界上很多著名的增材制造领域的专利都是来自于这个研究所。Fraunhofer研究所拥有80多家机构,其中在德国有66家研究所,是欧洲大的从事应用研究方向科研的机构。年度研究总经费达20亿欧元。3D金属打印的成就德国各公司和研究机构做出了巨大的贡献。
Fraunhofer与企业合作的一个典型的案例是协助西门子将3D打印导向叶片推进到产业化领域。经Fraunhofer改进后的工艺链完成了带复杂冷却结构的叶片制造任务,并且提高了表面质量。西门子公司在导向叶片完成3D打印之后进行了精密测量、精加工以及高温焊接工作。
2017年,亚琛应用技术大学还与Fraunhofer ILT联合建立亚琛3D打印中心,这项由亚琛应用科技大学和Fraunhofer合作的项目有着宏伟的目标。该项目旨在加速和优化大型金属部件的整个制造过程。受到航空、航天和航空、航天发动机对3D金属打印需求的推动,世界各国3D金属打印巨头,均将大型和超大型SLM系统作为主力系统来发展。世界著名的3家3D金属打印公司:EOS公司、C0NCEPT LASER和SLM SOLUTION 均来自德国。其中 C0NCEPT LASER推出了当前世界大的《X LINE 2000R》的大型SLM,成形腔面积为800mm×400mm,高度为500mm的3D打印系
统,见下图。
自2005年开始,增材制造零件开始在波音及空客飞机上使用,主要用于冷却系统、导管、内饰和娱乐系统。波音公司共有包括777、787民用飞机等10个不同的飞机项目,大约有300种类型的零部件采用增材制造生产。空客公司的A350飞机上也有上千种增材制造的零件,这些增材制造零部件被用于空客2014年底交付的新机型A350 XWB宽体飞机上,极大节约了生产周期和成本。2013年底,GE公司宣布,将采用金属选区熔化技术为其下一代GE leap发动机生产喷油嘴,每年的产量将达到40000个,生产周期可缩短2/3,生产成本降低50%,同时可靠性大大提高。目前,增材制造技术在国外发展相对超前,波音、空客等国际一流航空飞机制造商均有对外公开报道增材制造钛合金、镍基合金零件在航空飞机上的应用,而国内的增材制造技术在航空航天领域的发展相对落后。
据Wohlers 2017年报告显示,美国、德国及日本20余年来增材制造总装机量占世界总量的54.4%。美国以36.8%的份额遥遥领先,在应用领域方面,航空业应用较多,成果显著。比例均占到18%以上;目前增材制造主要应用于功能部件生产、原型机的组装装配等等。未来,增材制造技术将继续向工业产品制造、航空航天发动机产品零部件制造、功能零件制造、医疗领域人工定制化假体制造等方面不断发展,使该技术与产品创新相结合。
一个值得重视的趋势,美国和德国研究所和公司,正在持续不断地加大3D打印技术在所谓“内结构”(即本报告作者对具有复杂内部结构的构件的总称)成形制造的应用研发力度。“内结构”是以航空发动机、燃气轮机、各种具有大量热交换(如燃料电池)和医疗器件为代表的结构件之拓扑特征。传统的数控加工(NC加工)的优势是在于对零件的外部结构精密高效加工;而内结构——具有内部复杂结构的结构件:如具有内部直及弯曲管道的结构件,具有内部:变截面的杆件、窄缝和薄壁结构,栅格状结构的结构件、仿生结构、多层网状结构、形成紊流的内部点阵结构,则是无能为力的。而正是这些NC加工无能为力的结构,组成了航空发动机、燃气轮机、燃料电池和医疗器件的许多核心和关键零部件。NC加工是多维加工,工具(刀具)与加工件的几何干涉,是无法消除的。3D打印本质上是2维加工的叠加,每次2维加工(熔化、熔覆、光固化、喷射、切割等等)是不存在刀具干涉的,因而成为内结构加工制造的无可比拟的不可替代的利器。世界3D打印增材制造界,经过了30多年的曲折发展,学术和工程界才逐渐认识到上述《内结构领域》才是3D金属打印主要应用领域。人们在认知上的进步,是3D打印发展的又一次飞跃,《内结构》应用,具有划时代的意义。美国GE(通用电气)公司、德国SIEMENS(西门子)公司和美国GKN(吉凯恩)是首先实现这一飞跃的巨无霸。
与工业化国家相比,我国3D金属打印技术的研究和应用尚存在一定的差距。增材制造技术相对传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。中国增材制造技术目前主要应用于产品研发过程,较少进入生产过程,还存在装备工作不稳定,使用成本高、制造效率低、制造精度尚不令人满意等问题。目前多数增材制造技术还较多停留在高校及科研机构的实验室内,我国著名实验室与3D打印公司结合不紧密。实验室逐利搞生产开公司,公司无力深度开发,同行之间主要是竞争关系,无法协同合作,而这些方面,西方比我们做得好。数据统计表明,2016 年,中国智能制造产业产值规模达12000亿元,增材制造产业规模为80亿元,虽然增材制造产业规模逐年实现较快增长,但增材制造仅占智能制造产业的6‰,与传统制造业相比相差甚远。目前增材制造企业规模普遍较小,产业应用只是传统大批量制造技术的一个补充。
2017年5月,中国首架具有完全自主知识产权的大型客机C919在上海首飞成功,其中C919上装载了23个3D打印零部件,主要用于C919前机身和中后机身的登机门、服务门以及前后货仓门。从增材制造替代传统铸造、到拓扑优化工艺,C919舱门件的打印成功并装机试飞成功,标志着增材制造技术将真正的进入到国内航空航天制造领域。
根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中的研制大型飞机重大科技专项,发展大型商用飞机和飞机发动机成为产业发展的战略重点。
几种合金的3D打印技术值得重视:
钛合金,由于其卓越的力学和耐腐蚀性能,抗疲劳性能良好,及热导率和线膨胀系数小等优点,可以在350℃~450℃以下长期使用,在航空航天关键部件,如航空发动机压气机叶片、机匣、发动机舱和隔热板等的应用已成为国际航空航天领域共识。在C919国产大飞机上就装载了23件3D打印钛合金舱门件,2件风扇进气口构件,这是国内民航界次实现3D打印件的装机应用。
铝合金,具有比模量、比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低廉等突出优点,尤其是通过在铝合金中添加不同的微量元素,可获得更理想的性能,被认为是十分理想的航空金属材料,在飞机蒙皮、航空发动机舱、舱体结构、承载壁板、仪器安装框架、燃料储箱等应用广泛。
高温合金,其工作温度高达几百度甚至上千度,具有良好的力学性能、较高的抗氧化、抗腐蚀性能,是航空发动机的首选材料。
高温合金材料用量占发动机总量的40%~60%,主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片、涡轮盘、机匣、尾喷嘴等。
针对航空发动机追求卓越的性能而面临大量内结构和形状复杂的零部件制造,增材制造技术优势和不可替代性,就不言而喻了。增材制造技术在我国的快速发展及产业化将为我国航空航天事业的跨越式发展插上起飞之翼。
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