走进金属3D打印

点击量:513 发布时间:2017-03-29 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
  一年一度的亚洲3D打印、增材制造展览会即TCT亚洲展于3月8日在上海新国际博览中心落下了帷幕,全球范围内的3D打印企业、学者齐聚一堂。3月的上海微风和煦,3D打印盛事与百花齐放,这也与“中国制造2025”这片肥沃土壤息息相关 。
 
  2016年12月,在国务院印发的对“十三五”期间我国战略性新兴产业发展进行明确部署与安排的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中,增材制造(3D打印)成为了推动制造业升级的重要技术之一。 早在2015年,李克强总理就加快发展先进制造与3D打印等问题主持了专题讲座,并称:“3D打印是制造业有代表性的颠覆性技术。它改变了传统制造的理念和模式,具有重大价值。” 他认为工业制造是国民经济的重要支柱,是实现发展升级的“国之重器”。而发展3D打印等前沿性制造技术,正是李克强总理关于打造制造强国、实现经济转型的重要一步。
 
  而3D打印的狂潮于2011年就已在国外掀起。2011年2月,英国《经济学人》杂志发表题为《3D打印如何改变世界》的封面文章,文章认为3D打印技术将使单品制造几乎和大规模生产一样便宜,影响堪与当年工厂的出现相提并论。
 
  2012年4月,《经济学人》杂志再登封面文章《第三次工业革命》,再次强调了3D打印技术的重要性。在此前后,《福布斯》、《纽约时报》、《连线》等诸多西方主流媒体都先后在头版鼓吹3D打印,就连担任《连线》杂志主编11年的克里斯·安德森也按捺不住,选择辞职,亲自投身到3D打印领域进行创业。
 
  目前3D打印已于汽车工业、医学、航空航天等领域有着重要应用与突飞猛进的发展。而一个国家的大型构件制造能力是工业重大装备制造的基础,体现了国家的工业综合实力、竞争力。本文就高性能金属结构件激光增材制造技术这一分枝进行详细的介绍,包括发展历史与技术特点、难点,国外领先企业产品与应用现状等。
 
激光增材制造技术
 
  增材制造技术是制造技术原理的一次革命性突破,它形成了最能代表信息化时代特征的制造技术,即以信息技术为支撑,以柔性化的产品制造方式最大限度地满足无限丰富的个性化需求。激光增材制造 (laser additive manufacturing,LAM) 技术是一种兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化制造技术。LAM技术包括以同步材料送进为主要技术特征的激光熔化沉积技术 (laser melting deposition,LMD),和以粉末床为主要技术特征的选区激光熔化技术 (selective laser melting,SLM)。
 
  其中, 选区激光熔化技术可以实现力学性能优于铸件的高复杂性构件的直接制造,但是通常成形尺寸较小,只能进行单种材料的直接成形,目前成熟的商用化装备的成形尺寸一般小于300 mm。另外,选区激光熔化技术的沉积效率要比激光熔化沉积技术低一个数量级,但成形件的复杂性基本不受限制。
 
  激光熔化沉积技术可以实现力学性能与锻件相当的复杂高性能构件的高效率制造,并且成形尺寸基本不受限制,同时激光熔化沉积技术所具有的同步材料送进特征,还可以实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造,便于进行新型合金设计,并可用于损伤构件的高性能成形修复。需要指出的是,以同步材料送进为主要技术特征的激光熔化沉积技术还可方便地同传统的加工技术,如锻造、铸造、机械加工或电化学加工等等材或减材加工技术相结合,充分发挥各种增材与等材及减材加工技术的优势,形成金属结构件的整体高性能、高效率、低成本成形和修复新技术。
 
  下面就两种技术进行详细的介绍。
 
选区激光熔化技术
 
  选区激光熔化技术是在德克萨斯大学奥斯汀分校 (Universityof Texas at Austin)的 Deckard所发明的基于粉末床的选区激光烧结 (selective laser sintering,SLS)技术上发展起来的。1995,德国 Fraunhofer 应用研究促进协会ILT激光技术研究所的Meiner等和日本大阪大学的 Abe 等为了解决选区激光烧结过程中粉末的连接强度不高的问题,提高材料致密度,提出了基于粉末激光熔凝的选区激光熔化技术构思。不过受限于粉末在成形过程中易出现的部分熔化现象,以及粉末在熔化后易发生的球化问题,选区激光熔化技术早期成形构件的致密度和强度并不太高,直到2010年前后,随着工艺的优化,金属材料致密度显著提高,选区激光熔化技术才在有限的几种典型钛合金、高温合金、钢、铝合金材料致密度方面取得重要突破,并随着选区激光熔化装备的快速商业化,开始应用于医学、汽车和航空领域。下图为选区激光熔化系统的组成示意图。
  
 
  由于选区激光熔化装备是在选区激光烧结装备的基础上进行的进一步开发,因此目前的装备成熟度较高。同时,选区激光熔化过程中激光的束斑尺寸较小,粉末床易于构造支撑结构,因此成形的构件复杂程度较高,而且表面粗糙度接近铸件。该技术的最大优点是可成形复杂形状结构零件,成形精度和表面光洁度较高。
 
  目前美国材料与试验协会 (American Society for Testing andMaterials,ASTM)发布相关的增材制造标准大部分是针对选区激光熔化成形的。不过,目前选区激光熔化成形制造构件的尺寸较小,而且粉末熔化易发生球化,使得目前选区激光熔化成形的构件内部难以避免有一些微小孔洞,对其疲劳性能有一定损伤。由于选区激光熔化成形对工艺控制相对要求较为苛刻,目前适用于选区激光熔化成形的材料种类还较少。并且该技术的成形速率为2-30mm3/s,成形效率过低,这是该技术不适用于成形大型金属构件的原因之一。另外,对于大型构件的选区激光熔化成形,由于难以在粉末床中获得均匀的温度场,如何有效地控制应力分布和构件变形同样是一个关键问题。成形尺寸的增大还将导致未熔残留粉末数量的急剧增加,因此,如何提高粉末的有效利用率及再利用率也是一个必须解决的重要问题。
 
  德国EOS公司在激光选区熔化成形技术研发方面处于世界领先地位,该公司最新EOS-M400设备可加工零件尺寸为 0.4m?0.4m?0.4m,且开发出的TC4合金的细粉末非常适用于飞机发动机等组件制造。另外两家在该领域领先的公司分别是欧洲的MTT公司和 Concept Laser公司。采用激光选区熔化成形技术生产的钛合金零部件,可以应用于飞机关键零部件的制造,零部件机械性能要优于锻造材料。激光选区熔化成形技术整个过程包括工程设计、CAD、选区成形加工过程和后续的热处理。
 
  美国航天局采用精密激光选区熔化成形技术制造了 15.62cm 的火箭发动机微型喷射器,此前测试的同类喷射器由 115 个零件组成,而该喷射器仅由两个零件组成,成本减少了70% 以上,并且极大缩短了开发时间,测试表明该喷射器工作正常。通用电气公司在其 Leap 发动机中使用精密激光选区熔化成形技术制造了燃油喷嘴,以取代传统的由20个单独部分通过焊接或组装而成的燃油喷嘴,新零件的重量减轻25%,GE公司在2015~2016年将精密激光选区熔化成形技术应用于Leap 发动机的全部喷嘴生产中,希望到 2020 年能够具备每年生产40000个喷嘴的能力。美国霍尼韦尔公司的航空航天部采用精密激光选区熔化成形技术制造了热交换器和金属支架。美国联合技术公司使用该技术制造了喷射发动机内压缩机叶片,如下图所示,并在康涅狄格大学成立了选区熔化成形研究中心。
 
  在国外由于政府、国防机构、学术界、企业界等的高度重视,精密激光选区熔化成形技术获得了快速发展,已初步形成了集装备-材料-工艺-服务为一体的完整产业链条。
  
 
激光熔化沉积技术
 
  需要指出的是,相比于选区激光熔化技术,激光熔化沉积技术于20 世纪90年代在国际多个研究机构相对独立地发展起来,并且被赋予了不同的名称,如直接金属沉积 (direct metal deposition,DMD)、激光固化 (laser consolidation,LC)、激光金属成形 (laser metal forming,LMF)、激光工程化净成形 (laser engineered net shaping,LENSTM)、受控光制造 (directed light fabrication,DLF)、激光成形 (laser forming,LF)、激光增材制造 (laser additive manufacturing,LAM)、基于激光的自由实体制造 (laser babsed free-form fabrication,LBFFF)、直接激光制造 (direct laser fabrication,DLF)、形状沉积制造 (shape deposition manufacturing,SDM)和激光快速成形 (laser rapid forming,LRF)等。这些技术名称虽然不同,但基本的技术原理却是完全相同的,都可以称之为激光3D打印。技术借鉴了快速原型技术“离散+堆积”的原理,在零件CAD三维实体模型切片数据的指导下,通过高功率激光熔化同步输送的金属粉末并且在基材表面熔化部分材料,两者混合形成熔池,激光束扫过后熔池发生快速凝固,从而沉积在已凝固的基材上,以此逐层堆积,最终得到三维零件。该技术能实现大型致密复杂结构金属零件的快速、无模具的近净成形。激光熔化沉积技术示意图如下图所示。
  
 
  美国联合技术公司(United TechnologiesCorporation)的Snow等针对高温合金涡轮盘的制造难题,发展了同步送粉激光熔覆方法,采用激光熔化沉积方法制造了径向对称镍基高温合金零件,并取得了相关专利。不过受限于当时的计算机技术水平,当时的激光增材制造技术还只能制造一些板型件或回转件。尽管如此,其初步的研究结果已经显示出了激光增材制造技术的光明前景。不过直到2000年,美国波音公司首先宣布采用激光熔化沉积技术制造的3个 Ti-6Al-4V 合金零件在F-22和F/A-l8E/F飞机上获得应用,才在全球掀起了金属零件的直接增材制造的第一次热潮。针对LSF技术的应用,美国汽车工程师协会 (Society of Automotive Engineers,SAE)在 2002 年制定了激光熔化沉积成形Ti-6Al-4V合金零件的美国航空材料规范。该技术制备的Ti-6Al-4V构件已成功应用于洛克希德?马丁公司生产的F-22战斗机大尺寸悬臂和波音公司生产的F/A-18E/F战斗机机翼拼接板。除进行零件的直接成形外,激光增材制造另外一项重要应用是进行受损零件的修复。Optomec Design公司将LENSTM技术用于T700美国海军飞机发动机零件的磨损修复,实现了已失效零件的快速、低成本再生制造。美国陆军安尼斯顿部队采用LENSTM技术对M1 Abrams坦克的燃气涡轮发动机零件进行了修复,每年节省费用500万美元。在2012年西方国家提出“3D打印将推动第三次工业革命”的论断后,激光增材制造技术制备金属结构件在我国获得了极大的发展并逐步实现产业化,相关报道与研究也逐年增加。
 
现状与技术难点
 
  目前,激光熔化沉积技术所应用的材料已涵盖钛合金、镍基高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金以及梯度材料等。但目前钛合金的激光熔化沉积技术最为成熟,其他合金激光熔化沉积技术的成熟度远不如钛合金。同时,激光熔化沉积过程中尽管成形效率高,但通常成形件的表面较为粗糙,需要进行进一步的加工。此外,激光熔化沉积过程中一般无支撑结构,同时所采用的激光束斑尺寸较大,因此,成形复杂程度与铸件相比还有一定差距。特别是对于大型构件的激光熔化沉积,如何有效地控制内部应力分布和变形仍然是一个亟待解决的问题。
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