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3D打印技术在金属零部件制造上的现状及趋势分析

更新时间  2022-10-07 00:47 阅读
本文摘要:3D打印技术在金属零部件制造上的现状及趋势分析 3D打印又称“增材制造”,美国质料与试验协会(ASTM)F42国际委员会将其明确界说为“接纳打印头、喷嘴或其他打印技术沉积质料来制造物体的技术”。因此,3D打印是一类制造技术的总称,从内在至外延包罗了广泛的原质料应用和增材工艺方法。

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3D打印技术在金属零部件制造上的现状及趋势分析 3D打印又称“增材制造”,美国质料与试验协会(ASTM)F42国际委员会将其明确界说为“接纳打印头、喷嘴或其他打印技术沉积质料来制造物体的技术”。因此,3D打印是一类制造技术的总称,从内在至外延包罗了广泛的原质料应用和增材工艺方法。

自1892年基于叠层制造原理的立体地形模型制造专利公布起,3D打印技术的原始创新运动蓬勃生长,近30年来海内外大量学者将增材工艺与数字化制造技术联合起来,并进一步深化了基础理论体系,真正将3D打印生长成为一种可以工业化应用的技术门类。金属零部件是工业体系中占比最大、应用最为广泛的产物类型,随“工业4.0”历程的加速,快速开发、定制化制造、轻量化等需求面临着紧迫的压力。而3D打印技术具备成自由形度高、用材规模广、制件性能优异及制造环节少的特点,很好方单合了金属零部件产物的未来生长趋势,并已开始进入实用性阶段。现阶段,3D打印技术并不是完全以单一技术应用的方式服务于金属零部件制造领域,根据其在金属零部件成形历程中的作用来分类,服务方式可大致划分为间接制造、直接制造和组合制造方式。

多模式的应用方式有效兼顾了金属零部件产物的制造成本和使用价值,并扩大了3D打印技术在工业领域的应用空间。一、3D打印技术原理日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机事情原理基底细同,只是打印质料有些差别,普通打印机的打印质料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等差别的“打印质料”,是实实在在的原质料,打印机与电脑毗连后,通过电脑控制可以把“打印质料”一层层叠加起来,最终把盘算机上的蓝图酿成实物。、3D打印原理通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,好比打印一个机械人、打印玩具车,打印种种模型,甚至是食物等等。

之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的历程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。3D打印存在着许多差别的技术。

它们的差别之处在于以可用的质料的方式,并以差别层构建建立部件。3D打印常用质料有尼龙玻纤、聚乳酸、ABS树脂、耐用性尼龙质料、石膏质料、铝质料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类质料。、3D打印质料二、间接制造现状及其生长趋势铸造成形是获得金属零部件的一种重要而又广泛的技术方式,在传统的铸造工业中大多包罗模具制造的工序,而模具设计、开发和修正是一个漫长而昂贵的历程,3D打印技术中的快速原型(RapidPrototyping)技术可以有效解决这一问题而获得大量应用。其中,代表性的技术包罗选区激光烧结(SLS)、激光立体光固化(SLA)和树脂微滴喷射(3DP)技术。

接纳选择性激光烧结技术可以省去模具制造历程,直接用来制作酚醛树脂覆膜砂铸型、熔模芯壳等产物,用于浇注金属零部件产物;激光立体光固化技术是通过特定波长的激光光束来固化光敏树脂的成形方式,具备成形自由度高、制件粗拙度低、尺寸精度好的特点,用来制作刚性高分子模具,强度可达50MPa,适用于呋喃树脂砂、水玻璃砂及潮模砂的砂型翻模制造,模具寿命和尺寸精度水平可满足小批量铸造产物的生产,且制造时间和成本低于传统金属模具;树脂微滴喷射技术接纳阵列喷头动态控制的方式,获得了较快的面层扫描速度,适用于呋喃树脂自硬砂型的高效率制造。激光烧结机覆膜砂型的激光烧结机理和应用技术已基本完善,我国最早开展选取激光烧结覆膜砂研究的机构有华中科技大学、西安交通大学等高校,海内此类设备的开发、销售企业主要有武汉滨湖机电技术工业有限公司、北京易加三维科技有限公司和北京隆源自动成型系统有限公司,上述3个公司的设备在铸造企业和科研院所装机量最大,应用也最为广泛。激光立体光固化技术最早起源于美国,3D Systems公司始终保持这一技术的领先优势,我国西安交通大学等高校对光敏数值质料和技术机理的研究较为透彻,海内苏州中瑞机电科技有限公司、北京易加三维科技有限公司、上海联泰科技有限公司均开发出了性价比力高的工业应用设备,适用于模型制造等行业领域。

美国Exone公司和德国Voxeljet公司是树脂微滴喷射技术商业化应用的推动者和向导者;海内,广东峰华卓立科技股份有限公司推出了相似的技术装备,并实现了原质料的开源使用,具有较高的使用性价比体验,已实现在国际、海内铸造企业的销售;宁夏共享团体购置了多台套Exone设备用于智能铸造生产线的搭建,并开展了原质料和装备国产化的事情,已实现大型化呋喃树脂微滴喷射3D打印机的稳定运行。上述快速原型技术的成熟度水平已完全满足铸型的快速开发需求,设备、原质料销售和技术服务正处于市场发作期,如中国中车、广西玉柴机械团体有限公司、江淮汽车等大型的装备制造企业均已建设起了基于3D打印技术的砂型快速制造服务单元,行业内面向铸件快速开发服务的小型公司也在逐渐增多。现在的快速原型技术是通过省去或节约模具开发时间来加速铸造产物开发速度,仅适合于多品种、小批量铸件产物开发和铸造工艺快速定型,尚不能与传统铸造工业的大规模生产模式相竞争。从现在的技术现状和应用案例来看,种种服务于铸型开发的3D打印技术各有利弊。

选择性激光烧结覆膜砂技术的设备价钱较合理,获得的覆膜砂铸型适用规模较广,可广泛应用于铸钢、铸铁及有色合金铸造领域,但制造效率较低;激光立体光固化技术获得的铸造模具在强度和寿命方面还不能与传统金属材质模具相竞争,且高温性能差的特性限制了其在覆膜砂型热成形工艺上的应用;树脂微滴喷射技术虽然效率相对较高,但焦点器件阵列喷头的寿命较短,更换成本高,且仅适用于呋喃树脂砂作为原质料,难以满足高品质铸件生产要求。铸型的适用规模和设备制造效率能否有效兼顾,是影响3D打印技术在铸造批量化生产模式中获得应用的关键因素。现在,可动态关闭的大功率半导体激光器技术已实现实质性突破,未来各研究机构和制造企业会开发出阵列扫描烧结酚醛覆膜砂质料的设备,并实现低维护成本下宽幅应用砂型的高速制造,能真正使 3D 打印成为传统铸造的必备工序。

三、直接制造现状及其生长趋势对于一些接纳传统工艺难以成形、性能要求高及使用工况特殊的金属零部件产物,通常也具备较高的技术成本价值,现在已开始接纳3D打印直接制造的方式开发并生产。得益于细密数控加工技术、激光器技术和高速振镜技术的协同进步,接纳激光、电子束、电弧等高能束熔化金属粉材、线材的方式,可直接根据产物的设计三维图纸生产出兼顾庞大形状和高性能的金属零件产物。

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现在已获得实际应用的直接制造金属零部件3D打印技术包罗激光立体成形技术(LDM)、选择性激光熔化技术(SLM)、选择性电子束熔化技术(SEBM)等,产物材质规模涵盖钛合金、高温合金、有色合金、高强钢等系列牌号。其中,激光立体成形技术接纳了光束同步送粉的方式,逐点快速熔化聚集金属粉材,可制作大型的金属零部件产物,海内对此项技术的研究和应用等同、甚至部门逾越外洋技术水平。

西北工业大学黄卫东教授团队基于自主知识产权的技术和设备开发出了钛合金中央翼缘条制件,最大尺寸3.07m,最大变形量小于0.8mm,已乐成应用于C919客机样机测试阶段,综合评价到达了锻件的力学性能、疲劳强度和断裂韧性等要求,且力学性能一致性水平远高于美国波音公司制造施工尺度;AirBus公司与西北工业大学签署互助协议,以期望开展对激光立体成形技术制造大型钛合金构件的系统论证事情;现在GE公司正在依托西北工业大学举行复合质料宽弦风扇叶片钛合金和高温合金进气边激光立体成形工艺方案的优化和验证事情。北京航空航天大学王华明院士团队重点研究了飞机大型钛合金结构件激光立体成形技术,2013年展出的钛合金主承力增强框相比铸造成形的质料使用率提高5倍,制造周期缩短2/3,制造成本降低1/2,多种型号产物已在多个国产军用机型中获得应用。选区激光熔化和选区电子束熔化是通过能量束来熔化粉床的层面区域,实现金属粉末的逐层熔化—凝固成形的技术,适用于小型、庞大结构金属零部件产物的直接制造。

在选取激光熔化技术方面,德国EOS公司、ConceptLaser公司、SLMSolution公司在技术应用和设备开发方面处于世界领先职位;在海内,华中科技大学曾晓雁团队通过自主开发的技术和装备首先开创了航天金属零部件应用选区激光熔化技术的先例,西北工业大学相继开展了选区激光烧结设备和焦点技术开发事情,并孵化建立了西安铂力特增材技术股份有限公司,现在已生长成为海内最大的金属增材制造综合性服务企业,各型设备的综合性能指标靠近德国EOS设备水平,并实现了向欧洲航空制造企业的多台套销售,产物服务规模涉及航空、航天、教育、医疗等多个领域。在选区电子束熔化方面,瑞典Arcam公司是技术装备领先者,海内西北有色金属研究院已购置其设备并开展了相关成形技术研究事情。直接制造金属零部件的3D打印技术,充实发挥了金属熔体在远离平衡态凝固历程中晶粒细化、溶质偏析倾向小的作用,可获得细密匀称的基体组织,并使金属零部件出现出良好的力学性能;此外,现代结构设计理念中的点阵结构、拓扑优化技术可以通过3D打印的自由成形能力获得充实发挥,极大提高金属制件的轻量化水平。

这些优势的协同作用为3D打印的应用奠基了基础,已在航空、航天等高端装备的极致轻量化和高可靠性部件上获得了大量应用,此外,随金属粉材牌号、规格的不停扩展和设备焦点器件的价钱连续降低,直接制造金属零部件3D打印技术的应用成本正在趋近于合理的区间。轨道交通、船舶等民用高端装备产物具备与航空、航天产物相似的批量特点,并包罗自身特有的结构特点和轻量化、宁静性指标需求,将会为选择性激光熔化技术、激光立体成形技术提供新的应用空间。四、组合制造现状及其生长趋势将金属零部件的传统成形方式与3D打印直接制造方式联合起来,就延伸出了组合制造方式,现在已见报道的方式主要有:铸造与激光立体成形技术的组合、铸造与激光立体成形技术的组合和激光立体成形技术与切削加工的组合。

海内,西北工业大学于2005年在我国首台推重比10航空发念头后机匣制造中接纳了铸造+激光立体成形组合技术,该产物下部规则形状区域接纳了In961合金铸造成形,上部庞大结构区域接纳GH4169镍基高温合金激光立体成形完成,并通过装机考核;2009年,美国的Optomec Design公司接纳激光立体成形技术对军用飞机T700铸造叶盘举行了修复,并通过了军方的振动疲劳验证试验;20世纪90年月后期,一项日本的大学和工业界的团结研究项目将激光立体成形与数控机床联合,并推出了最早的商业化设备,即Matsuura公司的LUMEX Avance-25,如今Mazak、DMG、Trumpf等世界领先的细密机床制造企业已判断出未来市场的庞大需求,划分推出了自己的激光立体成形+数控切削商业设备并开始销售。组合制造方式在一定水平上降低了3D打印直接制造金属零部件的成本区间,并克服了难成形质料的传统制造局限,为金属零部件的增材制造开发了一条新的途径,有望在民用领域获得广泛的应用。四、结语相对于铸造、锻压、焊接及机械切削等传统的金属零部件成形技术,3D打印技术应用于工业领域的时间尚短,最早围绕需求开展的研究和应用运动也大多集中于航空、航天等高价值产物领域,高昂的制造成本使普通民用领域望而却步,但其具备的自由成形、近净成形和制件高性能的特点却是传统成形工艺所无法相比的,这也是在经济结构调整、工业结构升级的历史生长趋势下,3D打印技术被世界各工业强国竞相逐力、重点生长的基础原因所在。

3D打印技术自身也是一个广泛的技术门类,相对成熟的分项技术正在通过改型和转化方式向现有工业体系融合,种种新型的高性价比、高效率3D打印技术模式也在连续开发之中,未来,通过科学技术领域学者和工程应用领域从业者的深入协作,3D打印技术一定可以在新工业体系下形成多层面、多维度的应用格式。“质料界”(微信号:Material-World)最具影响力和最受接待的各种新质料微信民众号之一!。


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