科普帖:北航大学王华明教授的国家技术发明一等奖兼谈3D ...
来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/03/29 09:16:24
“3D打印”这个名词最近在网上很火,但很多人对它的了解可能仅仅停留在概念上,今天我来科普一下到底什么是3D打印,它的特点是什么,它的出现有什么意义。
2012年11月11日,超级大本营军事论坛上的一篇名为《北航大学王华明教授就飞机钛合金激光快速成型应用在中科院的讲座视频》的帖子一经发出,超大论坛立刻炸开了锅,随后在各大军事论坛上迅速传播开来,又有热心人将此视频传到优酷、发到微博,成了此后十天网络上最热门的军事话题,不少军迷欢呼雀跃道:“此工艺比四代机更让人振奋”。那么到底是什么工艺值得这么振奋?大家先看看那篇帖子里的视频http://lt.cjdby.net/thread-1494390-1-1.html,如果你觉得时间紧,可以从17分钟开始看,如果觉得视频看起来太费劲,这里提供超大网友总结的视频解说:
1。2012年奥巴马在卡内基梅隆大学,宣布创立美国“制造创新国家网络”计划,成立15个制造创新中心组成网络,投资10亿美元。经过5个多月的论证最后还是选了“增材制造”作为第一个中心的研究方向。
2。一个发动机叶盘,传统工艺制造属于“雕刻”,最后剩下来的只有7%。
3。f22钛框,面积5.53平方米。3万吨水压机模锻件能达到0.8平方米,8万吨能达到4.5平方米。
4。传统方法,铸锭,制胚,模具,模锻。举例一个很小飞机框,宝钢等温锻造,模具7千万,分摊到每一个零件,模具费就有几十万。又举例美国的一个飞机零件,压成一个饼3吨,到最后加工完成只有144公斤,材料利用率不到5%。
5。用他的增材制造,材料利用率80%左右。
6。我们打印出的最大的整体结构件5平方米,美国做不了。
7。激光打印出的零件,超过或者等同于锻件的性能,抗疲劳强度,比锻件高32-53%,疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多,但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。
8。飞机起落架的超高强度钢,用此方法抗疲劳强度可以比锻件高20%。涡轮叶片用此方法900度疲劳强度可以比第二代单晶高40%。
9。应用方面,2005年开始,919是可以说的,其他的都不能说(涉及保密)。919,双曲面窗框,只有欧洲有有家公司能做,周期2年,先付200万美元模具费,而且零件非常贵。而我们55天就做好了,4大件,2件已经装上了飞机。
10。机翼根的受力件,我们做出来136公斤,锻件1706公斤,节省材料90%+,节省了大量材料。2010年,已经做完了性能测试,比锻件还要好。
11。05年做出图示零件(猜测是军用飞机上所使用),需要5天,现在只要几小时。
12。06年某飞机起落架的关键零部件,目前已经批生产,已经受2000多个起落。如果没有这个技术,这个飞机就出不来,可能要推两年。
13。某飞机上非常复杂的一个零件,钛合金,一架飞机好几个,现阶段传统技术无法做出来,国内三种方案去研究,两三年不成功,后又去找国外。国外先说能做,看到图纸以后,说做不了。我们临危受命,去年5月19号开始,现在已经装了很多架飞机。
14。某飞机零件原来锻胚580公斤,我们做出来36公斤。580公斤锻胚,我们没有这么大的锻造装备,锻不透,性能都不合格。就算加工出来,内应力很大,变形、开裂,成品率非常低。
15。(吐槽f22),f22的机翼和机身连接件,超大超复杂的钛合金构件,因为太复杂,20、30万吨的水压机也做不出来。美国人就分成三个铸件,然后热等静压再焊接,铸件的性能很差,但美国人没办法,f22就是这样用的。(换了一个图片)我们激光成型就可以直接加工出如图示的这么大的零件,这是一个整体(意思是不用分段铸造然后焊接),上面站了一个人,大家可以看出它的尺度。他的性能比锻件还好(意思是当然就甩铸件几条街了),可以毫不谦虚地说,这是迄今世界上性能最好的、结构最复杂的构件,美国人也只能是铸造,锻是不可能的,焊也不可能,因为焊出来的性能不行。这个已经通过了8000小时的疲劳试验,一年多时间。就这个构件,铝合金、钢大家看看能不能做出来,更何况钛合金。
16。我们发动机不行,心脏病,未来发动机就是一肚子的整体叶盘,叶片和盘子分开的重量太重。而我们现在可以叶片和盘子同时出来,而且叶片我们可以随心所欲控制组织,让它长成柱状晶,他的高温性能就很好,这里我们让它长成等轴晶,**疲劳度就很好,如果温度再高,我们就可以换材料,它可以做到随心所欲,一种零件可以用很多种材料来做(这就是梯度功能材料在一个构件上的使用)。
17。我这里面都没说具体的零件名称,牵涉到保密的大家都不要说,也不要拍照。我尽量做到没有放(图片)零件,只放毛胚,因为零件还是比较敏感。
18。这种加工方法,不能包打天下,适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件,优势是成本、周期、性能,这个方面我们走到了美国人前面。
19。设备用的激光器都是进口,担心被美国人卡脖子,希望国家在大功率激光器上重视。
20。5年前曾经和飞机总设计师聊天,说我们快速设计飞机,都是整体、大型、超长的结构,在2、3个月内就把飞机造出来,不开一套模具,不打一个锻件,不做一个焊缝。也许有人认为这是个梦想,但实际上这已经不是梦想了,我们已经有这样的潜力,只是目前能力有限。(这一段其实是欲言又止,应该是涉及保密,只好把能力藏着掖着了。这件事肯定在做,最近航空大爆发,绝对和他们这个技术有关。)
2。一个发动机叶盘,传统工艺制造属于“雕刻”,最后剩下来的只有7%。
3。f22钛框,面积5.53平方米。3万吨水压机模锻件能达到0.8平方米,8万吨能达到4.5平方米。
4。传统方法,铸锭,制胚,模具,模锻。举例一个很小飞机框,宝钢等温锻造,模具7千万,分摊到每一个零件,模具费就有几十万。又举例美国的一个飞机零件,压成一个饼3吨,到最后加工完成只有144公斤,材料利用率不到5%。
5。用他的增材制造,材料利用率80%左右。
6。我们打印出的最大的整体结构件5平方米,美国做不了。
7。激光打印出的零件,超过或者等同于锻件的性能,抗疲劳强度,比锻件高32-53%,疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多,但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。
8。飞机起落架的超高强度钢,用此方法抗疲劳强度可以比锻件高20%。涡轮叶片用此方法900度疲劳强度可以比第二代单晶高40%。
9。应用方面,2005年开始,919是可以说的,其他的都不能说(涉及保密)。919,双曲面窗框,只有欧洲有有家公司能做,周期2年,先付200万美元模具费,而且零件非常贵。而我们55天就做好了,4大件,2件已经装上了飞机。
10。机翼根的受力件,我们做出来136公斤,锻件1706公斤,节省材料90%+,节省了大量材料。2010年,已经做完了性能测试,比锻件还要好。
11。05年做出图示零件(猜测是军用飞机上所使用),需要5天,现在只要几小时。
12。06年某飞机起落架的关键零部件,目前已经批生产,已经受2000多个起落。如果没有这个技术,这个飞机就出不来,可能要推两年。
13。某飞机上非常复杂的一个零件,钛合金,一架飞机好几个,现阶段传统技术无法做出来,国内三种方案去研究,两三年不成功,后又去找国外。国外先说能做,看到图纸以后,说做不了。我们临危受命,去年5月19号开始,现在已经装了很多架飞机。
14。某飞机零件原来锻胚580公斤,我们做出来36公斤。580公斤锻胚,我们没有这么大的锻造装备,锻不透,性能都不合格。就算加工出来,内应力很大,变形、开裂,成品率非常低。
15。(吐槽f22),f22的机翼和机身连接件,超大超复杂的钛合金构件,因为太复杂,20、30万吨的水压机也做不出来。美国人就分成三个铸件,然后热等静压再焊接,铸件的性能很差,但美国人没办法,f22就是这样用的。(换了一个图片)我们激光成型就可以直接加工出如图示的这么大的零件,这是一个整体(意思是不用分段铸造然后焊接),上面站了一个人,大家可以看出它的尺度。他的性能比锻件还好(意思是当然就甩铸件几条街了),可以毫不谦虚地说,这是迄今世界上性能最好的、结构最复杂的构件,美国人也只能是铸造,锻是不可能的,焊也不可能,因为焊出来的性能不行。这个已经通过了8000小时的疲劳试验,一年多时间。就这个构件,铝合金、钢大家看看能不能做出来,更何况钛合金。
16。我们发动机不行,心脏病,未来发动机就是一肚子的整体叶盘,叶片和盘子分开的重量太重。而我们现在可以叶片和盘子同时出来,而且叶片我们可以随心所欲控制组织,让它长成柱状晶,他的高温性能就很好,这里我们让它长成等轴晶,**疲劳度就很好,如果温度再高,我们就可以换材料,它可以做到随心所欲,一种零件可以用很多种材料来做(这就是梯度功能材料在一个构件上的使用)。
17。我这里面都没说具体的零件名称,牵涉到保密的大家都不要说,也不要拍照。我尽量做到没有放(图片)零件,只放毛胚,因为零件还是比较敏感。
18。这种加工方法,不能包打天下,适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件,优势是成本、周期、性能,这个方面我们走到了美国人前面。
19。设备用的激光器都是进口,担心被美国人卡脖子,希望国家在大功率激光器上重视。
20。5年前曾经和飞机总设计师聊天,说我们快速设计飞机,都是整体、大型、超长的结构,在2、3个月内就把飞机造出来,不开一套模具,不打一个锻件,不做一个焊缝。也许有人认为这是个梦想,但实际上这已经不是梦想了,我们已经有这样的潜力,只是目前能力有限。(这一段其实是欲言又止,应该是涉及保密,只好把能力藏着掖着了。这件事肯定在做,最近航空大爆发,绝对和他们这个技术有关。)
21。现在已经实现了快速成型9种材料,制定了57项标准。
其中第15点,我来补充几张图,这样看起来更直观。在美国F-22先进战斗机上大约有54个精铸件,大多是关键性强度高的铸件。最著名的是所谓前、后"体侧"(Side-of-body)、铸件,即机翼与机身的接头件(也就是视频中提到的F22超大超复杂的翼身连接件,),这是飞机上最大的铸件,经切削加工且分别重87和58公斤。如下图的两个黄色大型钛合金构件就是。
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右边那个构件这里有一张实物图,可以看看它的尺寸不是很大,但对钛合金来说就是大构件了,而且结构很复杂。
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再来看看王华明所说的“迄今世界上性能最好的、结构最复杂的构件”,这是整体成型件,如下图:
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对于第16点,这里的“整体叶盘”是真正意义上的整体叶盘,而不是目前定义的“整体叶盘”。目前的整体叶盘是指涡轮盘(或压气机盘)通过粉末冶金整体成型,涡轮叶片单独定向凝固成型,然后用线性摩擦焊将叶片焊接在涡轮盘上,由于这种工艺未采用榫固定叶片,看起来叶片和涡轮盘像是一体的,因此称为整体叶盘。视频里王华明教授说的发动机整体叶盘是典型的梯度功能材料应用。所谓梯度功能材料就是指一个构件的不同部位力学性能要求不一,其组成成分呈现明显的梯度过渡分布;说得直白一点,就是一件东西的不同部位使用不同材料。叶盘(包括叶片)一体成型,不同部位用不同材料,通过控制晶体生长的方式,逐渐平滑过渡,这才是真正意义上的整体叶盘。
下面来看一段已经解密的王华明工艺进展:http://lt.cjdby.net/thread-1495337-1-1.html
在国家自然科学基金“重点”及“杰出青年基金项目”、国家973计划专题、国家863计划课题、国防基础科研重大项目等的重点支持下,自1998年以来一直致力于钛合金、高温合金、耐热高强度钢、超高强度钢、金属间化合物合金等先进航空金属结构材料及其梯度材料激光熔化沉积成形工艺、成套工艺装备及工程化应用关键技术的研究,自主研制成功国内首套、具有自主知识产权的“自由平面接触/动态密封/惰性气氛保护”钛合金结构件激光快速成形成套工艺装备系统。突破了飞机钛合金次承力结构件激光熔化沉积制造工艺及装机应用关键技术,激光熔化沉积制造TC4、TA15、BT22、TC2等钛合金室温及高温拉伸、光滑疲劳等力学性能达到钛合金锻件水平,而高温持久及缺口疲劳等力学性能显著超过锻件,特别是激光熔化沉积制造角盒等飞机构件疲劳寿命大幅超过钛合金锻件对比件,独立制定出了我国首套激光熔化沉积制造飞机钛合金结构TAl5钛合金角盒、飞机座椅上下支座、腹鳍接头等飞机钛合金结构件,已成功实现在多种重点型号飞机上的应用,零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2/3、制造成本降低了1/2以上!使我国成为继美国之后(2001年)、世界上第2个掌握飞机钛合金结构件激光熔化沉积制造及装机应用技术的国家!
近期在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造工艺、过程控制、长期工艺稳定性及构件质量保障等系列核心关键技术上取得了突破性进展,成功激光快速成形制造出了零件单件重量逾46kg的多种飞机大型关键钛合金结构件及尺寸达1700x360x240mm的飞机大型复杂主承力关键钛合金全尺寸构件。此外,还掌握了多性能梯度材料零件激光熔化沉积制造关键技术,激光熔化沉积制造出了Ti/TA15、TA15/TiAL、TC4/TA15/BT22、GH4141/1CR12Ni2WMoVNb、Rene95/1Crl 8Ni9Ti等多种梯度材料钛合金及TiAI金属间化合物零件样件及直径达550mm、具有快速凝固径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金发动机涡轮盘样件。
2 难熔金属材料激光约束熔化沉积制备与成形
W、Mo、Nb、Ta等难熔金属合金及MoSi2、Nb5Si3、W5si3、T如Si3等难熔金属间化合物基合金等熔点极高的金属材料,往往只能采用粉末冶金方法制备与成型。本实验室利用激光束能量密度高而集中的特点,发明了适用于难熔金属材料铸锭与零件快速熔化沉积成形、具有无接触污染、无电极污染、合金元素无烧损、无夹杂物、无缩孔及疏松、组织致密、无宏观偏析等突出优点的“激光约束熔铸成型新工艺”并成功应用于W基合金及W/W5Si3、W/W2Ni3Si、Mo/MoSi2等难熔金属增强难熔金属硅化物基高温及超高温“原位”复合材料的制备及铸锭的激光约束熔炼与成型,该技术可望为难熔、高活性、高纯净合金材料的制备与零件成型开辟一条新途径。
3定向柱晶高温钛合金激光约束熔铸成形
由于高温下钛的高度化学活泼性,定向凝固过程中高温钛合金熔体几乎会与所有高温耐火材料模壳发生严重的化学反应,再加上钛合金的导热系数很低,难以抑制凝固界面前沿熔体自型壁表面的形核和难以稳定地在液一固界面前沿建立并维持定向凝固所需的冷却速度与温度梯度,迄今为止,国内外均无法实现钛合金的定向凝固。本实验室最近发明了国际首创的“激光区域约束熔铸定向凝固柱状晶钛合金制备与成形新方法”,制备出具有几乎无发散度或低发散度挺直柱状晶组织和优异高温力学性能的定向生长柱状晶高温钛合金新材料,与等轴晶变形钛合金相比,激光约束熔铸成形柱晶钛合金高温持久寿命最大提高幅度超过一个数量级。
4钛合金激光表面改性
钛合金具有密度低,比强度高,屈强比高,耐蚀性优异、高温力学性能优异、生物相容性好等突出性能特点,在航空、航天、船舶、兵器、石化、海洋、电力、生物医学工程等具有广阔的应用前景。但钛合金也存在着摩擦系数高、耐磨性低、易粘着、高温高速摩擦易燃(“钛火”)等固有缺点,严重限制了钛合金在航空发动机等先进国防装备中作为高温摩擦磨损运动副零部件的应用和钛合金优异力学性能潜力的发挥,由于摩擦、粘着、磨损、氧化等失效行为均起源于钛合金零件表面,因此,采用先进的表面工程技术,直接在钛合金零件表面制备一层有低摩擦系数、优异粘着磨损及磨料磨损性能、优异抗氧化性能、涂层同钛合金零件基材之问为牢固冶金结合、涂层性能及涂层厚度根据需要可灵活控制的特殊材料表面改性层,无疑是在保持钛合金固有性能优点的条件下,有效解决钛合金摩擦系数高、摩擦系数不稳定、室温耐磨性及高温耐磨性低、高温抗氧化性能低等固有性能缺点最有效的方法之一。北京航空航天大学“激光材料加工制造技术实验室”,针对航空发动机等国防装备关键钛合金零部件的工作条件,近年来一直从事钛合金激光表面合金化及激光熔覆技术表面改性技术的研究及应用,成功研究出同时具有低摩擦系数、优异耐磨性能、NiTi2、Ti5Si3FFi2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Cr3NisSi2/Crl3Ni5$i2等金属硅化物增强金属间化合物多功能高温耐磨耐蚀涂层新材料,使钛合金耐磨性大幅提高100~790倍之多、摩擦系数降低近50%,为钛合金在航空航天、海洋、石油化工等机械装备中作为摩擦磨损关键机械运动副零部件应用奠定了耐磨涂层材料与表面工程技术基础,部分成果已在高推重比航空发动机关键高温运动副零部件上得到应用。
5 过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层
航空、航天、兵器、船舶等先进国防装备中,大量关键高温运动副零部件,在高温氧化、腐蚀、热腐蚀等恶劣环境条件下承受强烈摩擦磨损作用,服役条件十分恶劣,对材料性要求十分苛刻,急需同时具有优异高温耐磨性能、优异高温抗氧化与抗热腐蚀性能、低摩擦系数、优良高温自润滑性能、优异高温摩擦学相容性及优异高温长期组织稳定性等性能配合的高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层(组织完全致密、涂层与基材问完全冶金结合)制备新技术。目前国内外广泛研究和应用的NiCr-Cr3C2,Co—WC,NiCr-Cr203,CoCr-Cr203,NiCr-A1203等热喷涂涂层,由于其材料脆性较大、对配偶摩擦副的磨损严重、摩擦学相容性差、另外,上述涂层都只能采用热喷涂等方法制备,由于涂层组织中不可避免地存在一定量的疏松、微裂纹、孔隙等缺陷、特别是涂层与零件基材之间实际上是机械结合,在接触机械应力及热应力联合作用下容易脱落现象,难以满足高推比发动机等先进国防装备中大量关键高温耐磨运动副零部件的性能要求。北京航空航天大学“激光材料制各与成形实验室”,针对高温耐磨运动副零部件的工作条件与性能要求,从摩擦学、耐磨材料与表面工程观点出发,利用过渡金属硅化物的独特物理化学性质,在国际上提出了“过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层激光熔覆制备技术”研究新领域,成功研究出了Cr3Si/Cr2Ni3Si、CrsSi3/CrSi、M02Ni3Si/NiSi,Ti2Ni3Si/NiTi, Crl3NisSi2,Ti5Si3/NiTi2、Ni2Si/NiSi等同时具有优异耐磨、耐蚀、耐热腐蚀、耐氧化、低摩擦、不粘金属、“反常磨损载荷特性” (磨损量几乎不随磨损载荷的的增加而变化)、“反常磨损速度特性”(磨损量随磨损滑动速度的增加而减小)、“反常磨损温度特性”(磨损量随磨损试验温度的增加而减小)等特殊性质的多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料新体系及其优质涂层激光熔覆制备新技术,在航空发动机、石油、化工、船舶等机械装备耐磨运动副中具有广阔的应用前景,部分研究成果已在多种先进航空发动机关键高温耐磨运动副零部件上得到应用。
近期在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造工艺、过程控制、长期工艺稳定性及构件质量保障等系列核心关键技术上取得了突破性进展,成功激光快速成形制造出了零件单件重量逾46kg的多种飞机大型关键钛合金结构件及尺寸达1700x360x240mm的飞机大型复杂主承力关键钛合金全尺寸构件。此外,还掌握了多性能梯度材料零件激光熔化沉积制造关键技术,激光熔化沉积制造出了Ti/TA15、TA15/TiAL、TC4/TA15/BT22、GH4141/1CR12Ni2WMoVNb、Rene95/1Crl 8Ni9Ti等多种梯度材料钛合金及TiAI金属间化合物零件样件及直径达550mm、具有快速凝固径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金发动机涡轮盘样件。
2 难熔金属材料激光约束熔化沉积制备与成形
W、Mo、Nb、Ta等难熔金属合金及MoSi2、Nb5Si3、W5si3、T如Si3等难熔金属间化合物基合金等熔点极高的金属材料,往往只能采用粉末冶金方法制备与成型。本实验室利用激光束能量密度高而集中的特点,发明了适用于难熔金属材料铸锭与零件快速熔化沉积成形、具有无接触污染、无电极污染、合金元素无烧损、无夹杂物、无缩孔及疏松、组织致密、无宏观偏析等突出优点的“激光约束熔铸成型新工艺”并成功应用于W基合金及W/W5Si3、W/W2Ni3Si、Mo/MoSi2等难熔金属增强难熔金属硅化物基高温及超高温“原位”复合材料的制备及铸锭的激光约束熔炼与成型,该技术可望为难熔、高活性、高纯净合金材料的制备与零件成型开辟一条新途径。
3定向柱晶高温钛合金激光约束熔铸成形
由于高温下钛的高度化学活泼性,定向凝固过程中高温钛合金熔体几乎会与所有高温耐火材料模壳发生严重的化学反应,再加上钛合金的导热系数很低,难以抑制凝固界面前沿熔体自型壁表面的形核和难以稳定地在液一固界面前沿建立并维持定向凝固所需的冷却速度与温度梯度,迄今为止,国内外均无法实现钛合金的定向凝固。本实验室最近发明了国际首创的“激光区域约束熔铸定向凝固柱状晶钛合金制备与成形新方法”,制备出具有几乎无发散度或低发散度挺直柱状晶组织和优异高温力学性能的定向生长柱状晶高温钛合金新材料,与等轴晶变形钛合金相比,激光约束熔铸成形柱晶钛合金高温持久寿命最大提高幅度超过一个数量级。
4钛合金激光表面改性
钛合金具有密度低,比强度高,屈强比高,耐蚀性优异、高温力学性能优异、生物相容性好等突出性能特点,在航空、航天、船舶、兵器、石化、海洋、电力、生物医学工程等具有广阔的应用前景。但钛合金也存在着摩擦系数高、耐磨性低、易粘着、高温高速摩擦易燃(“钛火”)等固有缺点,严重限制了钛合金在航空发动机等先进国防装备中作为高温摩擦磨损运动副零部件的应用和钛合金优异力学性能潜力的发挥,由于摩擦、粘着、磨损、氧化等失效行为均起源于钛合金零件表面,因此,采用先进的表面工程技术,直接在钛合金零件表面制备一层有低摩擦系数、优异粘着磨损及磨料磨损性能、优异抗氧化性能、涂层同钛合金零件基材之问为牢固冶金结合、涂层性能及涂层厚度根据需要可灵活控制的特殊材料表面改性层,无疑是在保持钛合金固有性能优点的条件下,有效解决钛合金摩擦系数高、摩擦系数不稳定、室温耐磨性及高温耐磨性低、高温抗氧化性能低等固有性能缺点最有效的方法之一。北京航空航天大学“激光材料加工制造技术实验室”,针对航空发动机等国防装备关键钛合金零部件的工作条件,近年来一直从事钛合金激光表面合金化及激光熔覆技术表面改性技术的研究及应用,成功研究出同时具有低摩擦系数、优异耐磨性能、NiTi2、Ti5Si3FFi2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Cr3NisSi2/Crl3Ni5$i2等金属硅化物增强金属间化合物多功能高温耐磨耐蚀涂层新材料,使钛合金耐磨性大幅提高100~790倍之多、摩擦系数降低近50%,为钛合金在航空航天、海洋、石油化工等机械装备中作为摩擦磨损关键机械运动副零部件应用奠定了耐磨涂层材料与表面工程技术基础,部分成果已在高推重比航空发动机关键高温运动副零部件上得到应用。
5 过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层
航空、航天、兵器、船舶等先进国防装备中,大量关键高温运动副零部件,在高温氧化、腐蚀、热腐蚀等恶劣环境条件下承受强烈摩擦磨损作用,服役条件十分恶劣,对材料性要求十分苛刻,急需同时具有优异高温耐磨性能、优异高温抗氧化与抗热腐蚀性能、低摩擦系数、优良高温自润滑性能、优异高温摩擦学相容性及优异高温长期组织稳定性等性能配合的高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层(组织完全致密、涂层与基材问完全冶金结合)制备新技术。目前国内外广泛研究和应用的NiCr-Cr3C2,Co—WC,NiCr-Cr203,CoCr-Cr203,NiCr-A1203等热喷涂涂层,由于其材料脆性较大、对配偶摩擦副的磨损严重、摩擦学相容性差、另外,上述涂层都只能采用热喷涂等方法制备,由于涂层组织中不可避免地存在一定量的疏松、微裂纹、孔隙等缺陷、特别是涂层与零件基材之间实际上是机械结合,在接触机械应力及热应力联合作用下容易脱落现象,难以满足高推比发动机等先进国防装备中大量关键高温耐磨运动副零部件的性能要求。北京航空航天大学“激光材料制各与成形实验室”,针对高温耐磨运动副零部件的工作条件与性能要求,从摩擦学、耐磨材料与表面工程观点出发,利用过渡金属硅化物的独特物理化学性质,在国际上提出了“过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层激光熔覆制备技术”研究新领域,成功研究出了Cr3Si/Cr2Ni3Si、CrsSi3/CrSi、M02Ni3Si/NiSi,Ti2Ni3Si/NiTi, Crl3NisSi2,Ti5Si3/NiTi2、Ni2Si/NiSi等同时具有优异耐磨、耐蚀、耐热腐蚀、耐氧化、低摩擦、不粘金属、“反常磨损载荷特性” (磨损量几乎不随磨损载荷的的增加而变化)、“反常磨损速度特性”(磨损量随磨损滑动速度的增加而减小)、“反常磨损温度特性”(磨损量随磨损试验温度的增加而减小)等特殊性质的多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料新体系及其优质涂层激光熔覆制备新技术,在航空发动机、石油、化工、船舶等机械装备耐磨运动副中具有广阔的应用前景,部分研究成果已在多种先进航空发动机关键高温耐磨运动副零部件上得到应用。
结论:王华明的增材制造工艺是一项革命性的技术。这项工艺已经应用到中国多个型号新型飞机的研发,突破了原有诸多工艺瓶颈,同时极快地加大了飞机的装备速度,原来许多做不了的,现在能做了,而且做得更快、做得更好、更省费用。如果说北航之前其他所有技术都是点的突破,那么这项工艺就是面的突破,对中国甚至世界高端制造业的影响重大而深远,毫不夸张地说,这是航空制造业的工业母机。
2012年11月11日,超级大本营军事论坛上的一篇名为《北航大学王华明教授就飞机钛合金激光快速成型应用在中科院的讲座视频》的帖子一经发出,超大论坛立刻炸开了锅,随后在各大军事论坛上迅速传播开来,又有热心人将此视频传到优酷、发到微博,成了此后十天网络上最热门的军事话题,不少军迷欢呼雀跃道:“此工艺比四代机更让人振奋”。那么到底是什么工艺值得这么振奋?大家先看看那篇帖子里的视频http://lt.cjdby.net/thread-1494390-1-1.html,如果你觉得时间紧,可以从17分钟开始看,如果觉得视频看起来太费劲,这里提供超大网友总结的视频解说:
1。2012年奥巴马在卡内基梅隆大学,宣布创立美国“制造创新国家网络”计划,成立15个制造创新中心组成网络,投资10亿美元。经过5个多月的论证最后还是选了“增材制造”作为第一个中心的研究方向。
2。一个发动机叶盘,传统工艺制造属于“雕刻”,最后剩下来的只有7%。
3。f22钛框,面积5.53平方米。3万吨水压机模锻件能达到0.8平方米,8万吨能达到4.5平方米。
4。传统方法,铸锭,制胚,模具,模锻。举例一个很小飞机框,宝钢等温锻造,模具7千万,分摊到每一个零件,模具费就有几十万。又举例美国的一个飞机零件,压成一个饼3吨,到最后加工完成只有144公斤,材料利用率不到5%。
5。用他的增材制造,材料利用率80%左右。
6。我们打印出的最大的整体结构件5平方米,美国做不了。
7。激光打印出的零件,超过或者等同于锻件的性能,抗疲劳强度,比锻件高32-53%,疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多,但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。
8。飞机起落架的超高强度钢,用此方法抗疲劳强度可以比锻件高20%。涡轮叶片用此方法900度疲劳强度可以比第二代单晶高40%。
9。应用方面,2005年开始,919是可以说的,其他的都不能说(涉及保密)。919,双曲面窗框,只有欧洲有有家公司能做,周期2年,先付200万美元模具费,而且零件非常贵。而我们55天就做好了,4大件,2件已经装上了飞机。
10。机翼根的受力件,我们做出来136公斤,锻件1706公斤,节省材料90%+,节省了大量材料。2010年,已经做完了性能测试,比锻件还要好。
11。05年做出图示零件(猜测是军用飞机上所使用),需要5天,现在只要几小时。
12。06年某飞机起落架的关键零部件,目前已经批生产,已经受2000多个起落。如果没有这个技术,这个飞机就出不来,可能要推两年。
13。某飞机上非常复杂的一个零件,钛合金,一架飞机好几个,现阶段传统技术无法做出来,国内三种方案去研究,两三年不成功,后又去找国外。国外先说能做,看到图纸以后,说做不了。我们临危受命,去年5月19号开始,现在已经装了很多架飞机。
14。某飞机零件原来锻胚580公斤,我们做出来36公斤。580公斤锻胚,我们没有这么大的锻造装备,锻不透,性能都不合格。就算加工出来,内应力很大,变形、开裂,成品率非常低。
15。(吐槽f22),f22的机翼和机身连接件,超大超复杂的钛合金构件,因为太复杂,20、30万吨的水压机也做不出来。美国人就分成三个铸件,然后热等静压再焊接,铸件的性能很差,但美国人没办法,f22就是这样用的。(换了一个图片)我们激光成型就可以直接加工出如图示的这么大的零件,这是一个整体(意思是不用分段铸造然后焊接),上面站了一个人,大家可以看出它的尺度。他的性能比锻件还好(意思是当然就甩铸件几条街了),可以毫不谦虚地说,这是迄今世界上性能最好的、结构最复杂的构件,美国人也只能是铸造,锻是不可能的,焊也不可能,因为焊出来的性能不行。这个已经通过了8000小时的疲劳试验,一年多时间。就这个构件,铝合金、钢大家看看能不能做出来,更何况钛合金。
16。我们发动机不行,心脏病,未来发动机就是一肚子的整体叶盘,叶片和盘子分开的重量太重。而我们现在可以叶片和盘子同时出来,而且叶片我们可以随心所欲控制组织,让它长成柱状晶,他的高温性能就很好,这里我们让它长成等轴晶,**疲劳度就很好,如果温度再高,我们就可以换材料,它可以做到随心所欲,一种零件可以用很多种材料来做(这就是梯度功能材料在一个构件上的使用)。
17。我这里面都没说具体的零件名称,牵涉到保密的大家都不要说,也不要拍照。我尽量做到没有放(图片)零件,只放毛胚,因为零件还是比较敏感。
18。这种加工方法,不能包打天下,适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件,优势是成本、周期、性能,这个方面我们走到了美国人前面。
19。设备用的激光器都是进口,担心被美国人卡脖子,希望国家在大功率激光器上重视。
20。5年前曾经和飞机总设计师聊天,说我们快速设计飞机,都是整体、大型、超长的结构,在2、3个月内就把飞机造出来,不开一套模具,不打一个锻件,不做一个焊缝。也许有人认为这是个梦想,但实际上这已经不是梦想了,我们已经有这样的潜力,只是目前能力有限。(这一段其实是欲言又止,应该是涉及保密,只好把能力藏着掖着了。这件事肯定在做,最近航空大爆发,绝对和他们这个技术有关。)21。现在已经实现了快速成型9种材料,制定了57项标准。
其中第15点,我来补充几张图,这样看起来更直观。在美国F-22先进战斗机上大约有54个精铸件,大多是关键性强度高的铸件。最著名的是所谓前、后"体侧"(Side-of-body)、铸件,即机翼与机身的接头件(也就是视频中提到的F22超大超复杂的翼身连接件,),这是飞机上最大的铸件,经切削加工且分别重87和58公斤。如下图的两个黄色大型钛合金构件就是。
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右边那个构件这里有一张实物图,可以看看它的尺寸不是很大,但对钛合金来说就是大构件了,而且结构很复杂。 3 天前 上传
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再来看看王华明所说的“迄今世界上性能最好的、结构最复杂的构件”,这是整体成型件,如下图:
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对于第16点,这里的“整体叶盘”是真正意义上的整体叶盘,而不是目前定义的“整体叶盘”。目前的整体叶盘是指涡轮盘(或压气机盘)通过粉末冶金整体成型,涡轮叶片单独定向凝固成型,然后用线性摩擦焊将叶片焊接在涡轮盘上,由于这种工艺未采用榫固定叶片,看起来叶片和涡轮盘像是一体的,因此称为整体叶盘。视频里王华明教授说的发动机整体叶盘是典型的梯度功能材料应用。所谓梯度功能材料就是指一个构件的不同部位力学性能要求不一,其组成成分呈现明显的梯度过渡分布;说得直白一点,就是一件东西的不同部位使用不同材料。叶盘(包括叶片)一体成型,不同部位用不同材料,通过控制晶体生长的方式,逐渐平滑过渡,这才是真正意义上的整体叶盘。
下面来看一段已经解密的王华明工艺进展:http://lt.cjdby.net/thread-1495337-1-1.html
在国家自然科学基金“重点”及“杰出青年基金项目”、国家973计划专题、国家863计划课题、国防基础科研重大项目等的重点支持下,自1998年以来一直致力于钛合金、高温合金、耐热高强度钢、超高强度钢、金属间化合物合金等先进航空金属结构材料及其梯度材料激光熔化沉积成形工艺、成套工艺装备及工程化应用关键技术的研究,自主研制成功国内首套、具有自主知识产权的“自由平面接触/动态密封/惰性气氛保护”钛合金结构件激光快速成形成套工艺装备系统。突破了飞机钛合金次承力结构件激光熔化沉积制造工艺及装机应用关键技术,激光熔化沉积制造TC4、TA15、BT22、TC2等钛合金室温及高温拉伸、光滑疲劳等力学性能达到钛合金锻件水平,而高温持久及缺口疲劳等力学性能显著超过锻件,特别是激光熔化沉积制造角盒等飞机构件疲劳寿命大幅超过钛合金锻件对比件,独立制定出了我国首套激光熔化沉积制造飞机钛合金结构TAl5钛合金角盒、飞机座椅上下支座、腹鳍接头等飞机钛合金结构件,已成功实现在多种重点型号飞机上的应用,零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2/3、制造成本降低了1/2以上!使我国成为继美国之后(2001年)、世界上第2个掌握飞机钛合金结构件激光熔化沉积制造及装机应用技术的国家!
近期在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造工艺、过程控制、长期工艺稳定性及构件质量保障等系列核心关键技术上取得了突破性进展,成功激光快速成形制造出了零件单件重量逾46kg的多种飞机大型关键钛合金结构件及尺寸达1700x360x240mm的飞机大型复杂主承力关键钛合金全尺寸构件。此外,还掌握了多性能梯度材料零件激光熔化沉积制造关键技术,激光熔化沉积制造出了Ti/TA15、TA15/TiAL、TC4/TA15/BT22、GH4141/1CR12Ni2WMoVNb、Rene95/1Crl 8Ni9Ti等多种梯度材料钛合金及TiAI金属间化合物零件样件及直径达550mm、具有快速凝固径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金发动机涡轮盘样件。
2 难熔金属材料激光约束熔化沉积制备与成形
W、Mo、Nb、Ta等难熔金属合金及MoSi2、Nb5Si3、W5si3、T如Si3等难熔金属间化合物基合金等熔点极高的金属材料,往往只能采用粉末冶金方法制备与成型。本实验室利用激光束能量密度高而集中的特点,发明了适用于难熔金属材料铸锭与零件快速熔化沉积成形、具有无接触污染、无电极污染、合金元素无烧损、无夹杂物、无缩孔及疏松、组织致密、无宏观偏析等突出优点的“激光约束熔铸成型新工艺”并成功应用于W基合金及W/W5Si3、W/W2Ni3Si、Mo/MoSi2等难熔金属增强难熔金属硅化物基高温及超高温“原位”复合材料的制备及铸锭的激光约束熔炼与成型,该技术可望为难熔、高活性、高纯净合金材料的制备与零件成型开辟一条新途径。
3定向柱晶高温钛合金激光约束熔铸成形
由于高温下钛的高度化学活泼性,定向凝固过程中高温钛合金熔体几乎会与所有高温耐火材料模壳发生严重的化学反应,再加上钛合金的导热系数很低,难以抑制凝固界面前沿熔体自型壁表面的形核和难以稳定地在液一固界面前沿建立并维持定向凝固所需的冷却速度与温度梯度,迄今为止,国内外均无法实现钛合金的定向凝固。本实验室最近发明了国际首创的“激光区域约束熔铸定向凝固柱状晶钛合金制备与成形新方法”,制备出具有几乎无发散度或低发散度挺直柱状晶组织和优异高温力学性能的定向生长柱状晶高温钛合金新材料,与等轴晶变形钛合金相比,激光约束熔铸成形柱晶钛合金高温持久寿命最大提高幅度超过一个数量级。
4钛合金激光表面改性
钛合金具有密度低,比强度高,屈强比高,耐蚀性优异、高温力学性能优异、生物相容性好等突出性能特点,在航空、航天、船舶、兵器、石化、海洋、电力、生物医学工程等具有广阔的应用前景。但钛合金也存在着摩擦系数高、耐磨性低、易粘着、高温高速摩擦易燃(“钛火”)等固有缺点,严重限制了钛合金在航空发动机等先进国防装备中作为高温摩擦磨损运动副零部件的应用和钛合金优异力学性能潜力的发挥,由于摩擦、粘着、磨损、氧化等失效行为均起源于钛合金零件表面,因此,采用先进的表面工程技术,直接在钛合金零件表面制备一层有低摩擦系数、优异粘着磨损及磨料磨损性能、优异抗氧化性能、涂层同钛合金零件基材之问为牢固冶金结合、涂层性能及涂层厚度根据需要可灵活控制的特殊材料表面改性层,无疑是在保持钛合金固有性能优点的条件下,有效解决钛合金摩擦系数高、摩擦系数不稳定、室温耐磨性及高温耐磨性低、高温抗氧化性能低等固有性能缺点最有效的方法之一。北京航空航天大学“激光材料加工制造技术实验室”,针对航空发动机等国防装备关键钛合金零部件的工作条件,近年来一直从事钛合金激光表面合金化及激光熔覆技术表面改性技术的研究及应用,成功研究出同时具有低摩擦系数、优异耐磨性能、NiTi2、Ti5Si3FFi2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Cr3NisSi2/Crl3Ni5$i2等金属硅化物增强金属间化合物多功能高温耐磨耐蚀涂层新材料,使钛合金耐磨性大幅提高100~790倍之多、摩擦系数降低近50%,为钛合金在航空航天、海洋、石油化工等机械装备中作为摩擦磨损关键机械运动副零部件应用奠定了耐磨涂层材料与表面工程技术基础,部分成果已在高推重比航空发动机关键高温运动副零部件上得到应用。
5 过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层
航空、航天、兵器、船舶等先进国防装备中,大量关键高温运动副零部件,在高温氧化、腐蚀、热腐蚀等恶劣环境条件下承受强烈摩擦磨损作用,服役条件十分恶劣,对材料性要求十分苛刻,急需同时具有优异高温耐磨性能、优异高温抗氧化与抗热腐蚀性能、低摩擦系数、优良高温自润滑性能、优异高温摩擦学相容性及优异高温长期组织稳定性等性能配合的高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层(组织完全致密、涂层与基材问完全冶金结合)制备新技术。目前国内外广泛研究和应用的NiCr-Cr3C2,Co—WC,NiCr-Cr203,CoCr-Cr203,NiCr-A1203等热喷涂涂层,由于其材料脆性较大、对配偶摩擦副的磨损严重、摩擦学相容性差、另外,上述涂层都只能采用热喷涂等方法制备,由于涂层组织中不可避免地存在一定量的疏松、微裂纹、孔隙等缺陷、特别是涂层与零件基材之间实际上是机械结合,在接触机械应力及热应力联合作用下容易脱落现象,难以满足高推比发动机等先进国防装备中大量关键高温耐磨运动副零部件的性能要求。北京航空航天大学“激光材料制各与成形实验室”,针对高温耐磨运动副零部件的工作条件与性能要求,从摩擦学、耐磨材料与表面工程观点出发,利用过渡金属硅化物的独特物理化学性质,在国际上提出了“过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层激光熔覆制备技术”研究新领域,成功研究出了Cr3Si/Cr2Ni3Si、CrsSi3/CrSi、M02Ni3Si/NiSi,Ti2Ni3Si/NiTi, Crl3NisSi2,Ti5Si3/NiTi2、Ni2Si/NiSi等同时具有优异耐磨、耐蚀、耐热腐蚀、耐氧化、低摩擦、不粘金属、“反常磨损载荷特性” (磨损量几乎不随磨损载荷的的增加而变化)、“反常磨损速度特性”(磨损量随磨损滑动速度的增加而减小)、“反常磨损温度特性”(磨损量随磨损试验温度的增加而减小)等特殊性质的多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料新体系及其优质涂层激光熔覆制备新技术,在航空发动机、石油、化工、船舶等机械装备耐磨运动副中具有广阔的应用前景,部分研究成果已在多种先进航空发动机关键高温耐磨运动副零部件上得到应用。
结论:王华明的增材制造工艺是一项革命性的技术。这项工艺已经应用到中国多个型号新型飞机的研发,突破了原有诸多工艺瓶颈,同时极快地加大了飞机的装备速度,原来许多做不了的,现在能做了,而且做得更快、做得更好、更省费用。如果说北航之前其他所有技术都是点的突破,那么这项工艺就是面的突破,对中国甚至世界高端制造业的影响重大而深远,毫不夸张地说,这是航空制造业的工业母机。
来科普3D打印。先来普及几个名词:快速原型RP、快速制造RM、增材制造AM。快速原型(Rapid Prototyping,简称RP),诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种新型技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。目前国内传媒界习惯把快速成型技术叫做“3D打印”或者“三维打印”,显得比较生动形象,但是实际上,“3D打印”或者“三维打印”只是快速成型的一个分支,只能代表部分快速成型工艺。
快速制造(Rapid Manufacturing,简称RM),有狭义和广义之分,狭义上是基于激光粉末烧结快速成型技术的全新制造理念,实际上属于RP快速成型技术的其中一个分支,它是指从电子数据直接自动地进行快速的、柔性并具有较低成本的制造方式。快速制造它与一般的快速成型技术相比,在于可以直接生产最终产品,能够适应从单件产品制造到批量的个性化产品制造;而广义上,RM快速制造可以包括“快速模具”技术和CNC数控加工技术在内,因此可以与RP快速成型技术分庭抗礼,各擅胜场。
国际上喜欢用“Additive Manufacturing”(简称AM)来囊括RP和RM技术,国内翻译为增量制造、增材制造或添加制造。2009年美国ASTM成立了F42委员会,将AM定义为: “Process of joining mat-erials to make objects from 3d model data, usua-lly layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即:一种与传统的材料去处加工方法截然相反的,通过增加材料、基于三维CAD模型数据,通常采用逐层制造方式,直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。
传统制造实际上是在材料上做减法,通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品,其特点是利用缩削、减少材料来生产部件。而增材制造奉行的是加法守则,先通过数字化模拟三维模型,再将原材料粉末、丝片逐层堆积成所需要的形状。与传统制造相比,增材制造具备快速、灵活、无模具、低成本等优点,而且可以成型传统手段难以加工的复杂结构件。
日本于1979年最早提出快速原型这个概念,经过了将近十年的酝酿,世界上第一台该领域实用设备于1988年诞生于美国,随后增材制造的各种工艺如雨后春笋般层出不穷,累计有十几种之多。受到能量束稳定功率及计算机发展水平的制约,最开始的增材制造工艺只适合于木料、树脂、塑料等原材料的快速成型。随着科技的不断进步,金属材料逐渐进入人们的视线,特别是上世纪90年代初美国率先开展基于激光熔覆成型的工艺研究把增材制造提升到一个全新高度,追求复杂结构、优良力学性能的金属直接成型工艺成为了增材制造领域研究的热点。诚然,美国最早开始研究这一热点方向,并很接近成功,但最终将它发扬光大并占领制高点的却是来自中国的研究人员,这一点下文会明确叙述。
上世纪90年代初,国内的清华大学(颜永年)、西安交大(卢秉恒)、华中科大(黄树槐)等单位颇具战略眼光,纷纷开始进行增材制造领域的研究,代表性的如清华大学的LOM、西安交大的SLA、华中科大的SLS。尽管起步异常艰难,但国内第一批探索者们克服种种困难坚持下来,各自产生了不少成果,也都走上了实用化的道路。(值得一提的是,西安交大的卢秉恒教授被增选为增材制造领域的第一位中国工程院院士,也是对这一领域研究成果的肯定。)有了先行者在披荆斩棘,后来者的路就好走多了,在此之后,国内大批研究团队加入到增材制造的研究中来,不断推动这一领域在国内开花结果。
为了体现各种增材制造工艺的特点,我整理了一张表格,希望有助于大家更直观地了解:
工艺类型 | 工艺名称 | 工艺英文 | 工艺缩写 | 工艺材料 | 送料方式 | 成型工具 | 成型精度 | 力学性能 | 产品尺寸 | 梯度过渡 | 国内代表单位 |
基于粘合技术 | 三维打印成型 | Three-Dimensional Printing | 3DP | 塑料 | 铺粉 | 粘合剂 | 低 | 塑料性能 | 小 | 无法实现 | |
基于热熔技术 | 熔融挤出成型 | Fused Deposition Modeling | FDM | 塑料 | 送丝 | 加热枪 | 低 | 塑料性能 | 小 | 无法实现 | 清华大学 |
基于等离子束技术 | 等离子熔积制造 | Plasma Deposition Manufacturing | PDM | 金属 | 喷粉 | 熔积枪 | 低 | 锻件性能 | 小 | 可以实现 | 华中科大 |
基于电子束技术 | 电子束熔融 | Electron Beam Melting | EBM | 金属 | 铺粉 | 电子束 | 中 | 锻件性能 | 小 | 无法实现 | 清华大学 |
基于电流熔融技术 | 电熔精密成型 | 金属 | 送丝 | 强电流 | 中 | 锻件性能 | 大 | 无法实现 | 北航大学(南风股份) | ||
基于激光烧结技术 | 分层实体制造 | Layered Object Modeling | LOM | 纸质 | 送层 | 低功率激光 | 中 | 木料性能 | 中 | 无法实现 | 清华大学、华中科大 |
立体光刻成型 | Stereolithigraphy Apparatus | SLA | 树脂 | 液料 | 低功率激光 | 高 | 塑料性能 | 小 | 无法实现 | 西安交大 | |
选择性激光融化 | Selective Laser Melting | SLM | 金属 | 铺粉 | 低功率激光 | 高 | 锻件性能 | 小 | 无法实现 | 华南理工、南京航大 | |
选择性激光烧结 | Selective Laser Sintering | SLS | 金属 | 铺粉 | 低功率激光 | 低 | 铸件性能 | 中 | 无法实现 | 华中科大、中北大学 | |
基于激光熔覆技术 | 控制金属堆积 | Controlled Metal Buildup | CMB | 金属 | 送丝 | 中功率激光 | 高 | 铸件性能 | 小 | 无法实现 | 清华大学 |
形状沉积制造 | Shape Deposition Manufacturing | SDM | 金属 | 送丝 | 中功率激光 | 高 | 铸件性能 | 小 | 无法实现 | 沈阳自动化所 | |
激光直接制造 | Direct Laser Fabrication | DLF | 金属 | 喷粉 | 中功率激光 | 中 | 锻件性能 | 小 | 可以实现 | 华中科大 | |
激光净形制造 | Laser Engineered Net Shaping | LENS | 金属 | 喷粉 | 高功率激光 | 中 | 锻件性能 | 大 | 可以实现 | 北航大学、西北工大 | |
直接金属沉积 | Direct Metal Deposition | DMD | 金属 | 喷粉 | 高功率激光 | 中 | 锻件性能 | 小 | 可以实现 | 清华大学 |
来科普3D打印。先来普及几个名词:快速原型RP、快速制造RM、增材制造AM。快速原型(Rapid Prototyping,简称RP),诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种新型技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。目前国内传媒界习惯把快速成型技术叫做“3D打印”或者“三维打印”,显得比较生动形象,但是实际上,“3D打印”或者“三维打印”只是快速成型的一个分支,只能代表部分快速成型工艺。
快速制造(Rapid Manufacturing,简称RM),有狭义和广义之分,狭义上是基于激光粉末烧结快速成型技术的全新制造理念,实际上属于RP快速成型技术的其中一个分支,它是指从电子数据直接自动地进行快速的、柔性并具有较低成本的制造方式。快速制造它与一般的快速成型技术相比,在于可以直接生产最终产品,能够适应从单件产品制造到批量的个性化产品制造;而广义上,RM快速制造可以包括“快速模具”技术和CNC数控加工技术在内,因此可以与RP快速成型技术分庭抗礼,各擅胜场。
国际上喜欢用“Additive Manufacturing”(简称AM)来囊括RP和RM技术,国内翻译为增量制造、增材制造或添加制造。2009年美国ASTM成立了F42委员会,将AM定义为: “Process of joining mat-erials to make objects from 3d model data, usua-lly layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即:一种与传统的材料去处加工方法截然相反的,通过增加材料、基于三维CAD模型数据,通常采用逐层制造方式,直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。
传统制造实际上是在材料上做减法,通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品,其特点是利用缩削、减少材料来生产部件。而增材制造奉行的是加法守则,先通过数字化模拟三维模型,再将原材料粉末、丝片逐层堆积成所需要的形状。与传统制造相比,增材制造具备快速、灵活、无模具、低成本等优点,而且可以成型传统手段难以加工的复杂结构件。
日本于1979年最早提出快速原型这个概念,经过了将近十年的酝酿,世界上第一台该领域实用设备于1988年诞生于美国,随后增材制造的各种工艺如雨后春笋般层出不穷,累计有十几种之多。受到能量束稳定功率及计算机发展水平的制约,最开始的增材制造工艺只适合于木料、树脂、塑料等原材料的快速成型。随着科技的不断进步,金属材料逐渐进入人们的视线,特别是上世纪90年代初美国率先开展基于激光熔覆成型的工艺研究把增材制造提升到一个全新高度,追求复杂结构、优良力学性能的金属直接成型工艺成为了增材制造领域研究的热点。诚然,美国最早开始研究这一热点方向,并很接近成功,但最终将它发扬光大并占领制高点的却是来自中国的研究人员,这一点下文会明确叙述。
上世纪90年代初,国内的清华大学(颜永年)、西安交大(卢秉恒)、华中科大(黄树槐)等单位颇具战略眼光,纷纷开始进行增材制造领域的研究,代表性的如清华大学的LOM、西安交大的SLA、华中科大的SLS。尽管起步异常艰难,但国内第一批探索者们克服种种困难坚持下来,各自产生了不少成果,也都走上了实用化的道路。(值得一提的是,西安交大的卢秉恒教授被增选为增材制造领域的第一位中国工程院院士,也是对这一领域研究成果的肯定。)有了先行者在披荆斩棘,后来者的路就好走多了,在此之后,国内大批研究团队加入到增材制造的研究中来,不断推动这一领域在国内开花结果。
为了体现各种增材制造工艺的特点,我整理了一张表格,希望有助于大家更直观地了解:
工艺类型
工艺名称
工艺英文
工艺缩写
工艺材料
送料方式
成型工具
成型精度
力学性能
产品尺寸
梯度过渡
国内代表单位
基于粘合技术
三维打印成型
Three-Dimensional Printing
3DP
塑料
铺粉
粘合剂
低
塑料性能
小
无法实现
基于热熔技术
熔融挤出成型
Fused Deposition Modeling
FDM
塑料
送丝
加热枪
低
塑料性能
小
无法实现
清华大学
基于等离子束技术
等离子熔积制造
Plasma Deposition Manufacturing
PDM
金属
喷粉
熔积枪
低
锻件性能
小
可以实现
华中科大
基于电子束技术
电子束熔融
Electron Beam Melting
EBM
金属
铺粉
电子束
中
锻件性能
小
无法实现
清华大学
基于电流熔融技术
电熔精密成型
金属
送丝
强电流
中
锻件性能
大
无法实现
北航大学(南风股份)
基于激光烧结技术
分层实体制造
Layered Object Modeling
LOM
纸质
送层
低功率激光
中
木料性能
中
无法实现
清华大学、华中科大
立体光刻成型
Stereolithigraphy Apparatus
SLA
树脂
液料
低功率激光
高
塑料性能
小
无法实现
西安交大
选择性激光融化
Selective Laser Melting
SLM
金属
铺粉
低功率激光
高
锻件性能
小
无法实现
华南理工、南京航大
选择性激光烧结
Selective Laser Sintering
SLS
金属
铺粉
低功率激光
低
铸件性能
中
无法实现
华中科大、中北大学
基于激光熔覆技术
控制金属堆积
Controlled Metal Buildup
CMB
金属
送丝
中功率激光
高
铸件性能
小
无法实现
清华大学
形状沉积制造
Shape Deposition Manufacturing
SDM
金属
送丝
中功率激光
高
铸件性能
小
无法实现
沈阳自动化所
激光直接制造
Direct Laser Fabrication
DLF
金属
喷粉
中功率激光
中
锻件性能
小
可以实现
华中科大
激光净形制造
Laser Engineered Net Shaping
LENS
金属
喷粉
高功率激光
中
锻件性能
大
可以实现
北航大学、西北工大
直接金属沉积
Direct Metal Deposition
DMD
金属
喷粉
高功率激光
中
锻件性能
小
可以实现
清华大学
下面结合所了解的增材制造工艺特点及发展趋势,就增材制造对人们生活、工业生产的影响,谈谈自己的看法。
对于个人来说,将来增材制造的普及的确会带来巨大的便捷。只要有一台3D打印机,懂得编程的自己DIY,不懂编程的网上搜一下文件,就可以在家里制造出各种形状摆件、用品,满足不同的个性化需求,对家庭日用品制造业将产生一定的冲击。
对于一般制造业来说,传统制造的优势依然明显,一套模具开发起来虽然费时费力,不过一旦大规模生产,其效率远非增材制造可比,而且费用也比增材制造大大降低。动不动产量达几万、几十万件的一般制造业,增材制造的优势起到的作用也仅仅是对传统工艺的补充而已。通过增材制造快速开发模具,再通过传统工艺进行大规模制造,会是将来一般制造业的发展趋势。顺便提一句,模具制作企业该开始考虑在增材制造时代怎么转型了,要不然很可能要步柯达的后尘。
高端制造业的特点是规模不大、工艺复杂、原料昂贵、成本巨大,分布于核能、电力、冶金、石化、船舶、航空、航天等领域。以航空用的钛合金构件为例。钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等突出优点,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机及工业重型燃气轮机等装备中的用量越来越大。虽然优点突出,但其加工性能差也是出了名的。采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件,工序长、工艺复杂,对制造技术和制造装备的要求高,成形技术难度大,不仅需要万吨级以上的重型液压锻造工业装备、大规格锻坯加工及大型锻造模具制造,而且零件加工去除量大、数控加工时间长、材料利用率低、生产周期长、制造成本高。对于结构复杂的大型钛合金结构件,甚至连重型液压锻造工业装备也无可奈何,无法整体锻造成型,只能靠焊接实现,性能大打折扣。
增材制造的重要发展方向——高性能金属构件直接制造技术是解决上述问题的新工艺。该方向是美国于1992年提出的基于激光熔覆技术的LENS工艺发展而来的,经过十几年的发展,到2005年为止,国际上一直未能有效解决激光快速成形大型钛合金结构件内部质量和力学性能控制等关键技术难题,其激光快速成形Ti6Al4V等钛合金结构件,即使再经热等静压(HIP)、开模锻造(open-die forging)等后续致密化加工,其疲劳等关键力学性能仍然显著低于钛合金锻件,最终放弃了。激光增材制造构件想要达到甚至超过锻件水平,其最大的难点是要解决成型过程中的热应力积累导致内部质量缺陷,这是由激光成型的特点决定的。激光束加热金属粉末的过程是不断地将粉末熔化再凝固,这样会在已凝固的金属表面存在一个微熔池,微熔池随着激光束在不断地游走,微熔池离开这片区域之后,刚熔化的金属液滴迅速降温成为固态,反复的局部冷热不均,逐渐地就会导致热应力的累积,构件尺寸越大热应力累积越厉害,构件内部存在许多微小裂纹,宏观表现就是构件外表的开裂、变形,这也就解释了为什么无论再经过怎样的后续加工,始终无法达到锻件效果。上世纪90年代后期,国内西北工大(黄卫东)、有研总院(石力开)、北航大学(王华明)等单位先后开展本方向的研究。北航大学王华明团队于2007年率先取得突破,巧妙地解决了成型过程热应力离散的重大瓶颈问题,制造出达到甚至超过锻件性能的大型钛合金主承力结构件并成功装机应用,西北工大也于2012年突破该项工艺。可以说,在大型钛合金复杂构件直接成型工艺上,中国不仅摆脱了锻造、焊接等传统工艺的系列瓶颈,而且实现了对西方的反禁运。在高端制造业这片广阔天地,增材制造新工艺必将大有作为。
说到这里,顺便提一下核电站。中国现在正在重启新一批第三代核电站建设,但由于关键组成构件受制于人,工程进展缓慢。这里的关键组成构件,最具代表性的就是反应堆压力容器核岛锻件。由于需要承受反应堆内部的巨大压力,其核岛壳体需要采用几十吨重的低合金钢整体锻件才能满足安全要求,国内目前无法自主生产,国际上也只有日本制钢所等个别机构具备这个实力,所以中国不得不以昂贵的价格进口此类构件。随着中日关系紧张加剧,日本对华禁运此类构件,你就是以再高的价格,也不好买了。现在没有什么好办法,先做能做的,至于关键构件只能等!等自己能做或者找到卖家。话锋一转,还回到增材制造。基本上所有的增材制造工艺都是国外率先提出,只有一种采用强电流为能量束的增材制造工艺是由国内率先提出的。该工艺采用北航大学王华明团队技术,与传统工艺相比,具有构件性能优异、机械加工余量小、节省材料、生产周期短、降低了制造成本等特点和优势,瞄准的正是我国的核电、船舶、石化等行业重大工业装备需求。该工艺目前正在南风股份实施产业化,已取得了突破性进展,研发出适合于不同类型重型金属构件的工程样机,并成功试制出直径大于 2m、重量超过10 吨的低合金钢重型构件缩比件。该产业化项目预计2014年投产,届时将极大提升我国多个行业重大工业装备的自主制造能力,具有重大战略意义。
最后说说我的结论:面向一般制造业的增材制造,其技术定位是给传统工艺做辅助,市场定位是以卖增材设备为主;面向高端制造业的增材制造,其技术定位是让传统工艺做辅助,市场定位是以卖成型产品为主。网上盛传增材制造将是下一次工业革命,其实只有面向高端制造业的增材制造才具备这个条件,让时间来证明一切!
对于个人来说,将来增材制造的普及的确会带来巨大的便捷。只要有一台3D打印机,懂得编程的自己DIY,不懂编程的网上搜一下文件,就可以在家里制造出各种形状摆件、用品,满足不同的个性化需求,对家庭日用品制造业将产生一定的冲击。
对于一般制造业来说,传统制造的优势依然明显,一套模具开发起来虽然费时费力,不过一旦大规模生产,其效率远非增材制造可比,而且费用也比增材制造大大降低。动不动产量达几万、几十万件的一般制造业,增材制造的优势起到的作用也仅仅是对传统工艺的补充而已。通过增材制造快速开发模具,再通过传统工艺进行大规模制造,会是将来一般制造业的发展趋势。顺便提一句,模具制作企业该开始考虑在增材制造时代怎么转型了,要不然很可能要步柯达的后尘。
高端制造业的特点是规模不大、工艺复杂、原料昂贵、成本巨大,分布于核能、电力、冶金、石化、船舶、航空、航天等领域。以航空用的钛合金构件为例。钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等突出优点,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机及工业重型燃气轮机等装备中的用量越来越大。虽然优点突出,但其加工性能差也是出了名的。采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件,工序长、工艺复杂,对制造技术和制造装备的要求高,成形技术难度大,不仅需要万吨级以上的重型液压锻造工业装备、大规格锻坯加工及大型锻造模具制造,而且零件加工去除量大、数控加工时间长、材料利用率低、生产周期长、制造成本高。对于结构复杂的大型钛合金结构件,甚至连重型液压锻造工业装备也无可奈何,无法整体锻造成型,只能靠焊接实现,性能大打折扣。
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说到这里,顺便提一下核电站。中国现在正在重启新一批第三代核电站建设,但由于关键组成构件受制于人,工程进展缓慢。这里的关键组成构件,最具代表性的就是反应堆压力容器核岛锻件。由于需要承受反应堆内部的巨大压力,其核岛壳体需要采用几十吨重的低合金钢整体锻件才能满足安全要求,国内目前无法自主生产,国际上也只有日本制钢所等个别机构具备这个实力,所以中国不得不以昂贵的价格进口此类构件。随着中日关系紧张加剧,日本对华禁运此类构件,你就是以再高的价格,也不好买了。现在没有什么好办法,先做能做的,至于关键构件只能等!等自己能做或者找到卖家。话锋一转,还回到增材制造。基本上所有的增材制造工艺都是国外率先提出,只有一种采用强电流为能量束的增材制造工艺是由国内率先提出的。该工艺采用北航大学王华明团队技术,与传统工艺相比,具有构件性能优异、机械加工余量小、节省材料、生产周期短、降低了制造成本等特点和优势,瞄准的正是我国的核电、船舶、石化等行业重大工业装备需求。该工艺目前正在南风股份实施产业化,已取得了突破性进展,研发出适合于不同类型重型金属构件的工程样机,并成功试制出直径大于 2m、重量超过10 吨的低合金钢重型构件缩比件。该产业化项目预计2014年投产,届时将极大提升我国多个行业重大工业装备的自主制造能力,具有重大战略意义。
最后说说我的结论:面向一般制造业的增材制造,其技术定位是给传统工艺做辅助,市场定位是以卖增材设备为主;面向高端制造业的增材制造,其技术定位是让传统工艺做辅助,市场定位是以卖成型产品为主。网上盛传增材制造将是下一次工业革命,其实只有面向高端制造业的增材制造才具备这个条件,让时间来证明一切!
赶紧派一个排去保护专家啊,国家栋梁,别又被鬼子摸了
很全面,楼主辛苦。科普要支持啊
首先要感谢楼主的介绍,可以说真正对3d打印有了解是从楼主介绍的视频开始的!
偶炒股炒3d打印赚了些钱
偶炒股炒3d打印赚了些钱
ilovechina2 发表于 2013-1-20 23:50
首先要感谢楼主的介绍,可以说真正对3d打印有了解是从楼主介绍的视频开始的!
偶炒股炒3d打印赚了些钱{:155: ...
中航重机又一字板涨停。。。
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楼主是好人,可以学到很多东西。
啥时候能直接打印钞票就好了!
看起来很nb啊.
嗯,感谢楼主科普。感谢王华明教授,不仅让我等振奋,还让我等赚钱,目前满仓中航重机
同样感谢楼主!
整理得不错,支持
就喜欢这种科普帖
好科普文章
谢谢!很有收获!
楼主辛苦了,很好,学习了
估计过不了太久,又要出现“打印妹子”、“打印冰冰”的呼声 ……
╭(╯ε╰)╮
╭(╯ε╰)╮
希望国内搞激光的能突破。 要不被国外卡脖子了很麻烦。
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