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增材制造技术趋成熟 产业化之路今崛起

作者:admin 来源:未知 点击:188 更新时间:2019-04-08
 增材制造是上世纪八十年代兴起并得到迅速发展的一项新兴制造技术,它集成了数字化技术、机械加工技术、 激光技术 和材料科学等现代科技成果,自出现以来对制造业产生了重要影响。
  增材制造技术是指基于离散-堆积原理,由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式,增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓,其内涵仍在不断深化,外延也不断扩展,这里所说的"增材制造"与"快速成形"、"快速制造"意义相同。
  工业化的LSF-V大型激光立体成形装备所谓数字化增材制造技术就是一种三维实体快速自由成形制造新技术,它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势,学者们对其有多种描述。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称这种新技术为"数字化增材制造",中国机械工程学会宋天虎秘书长称其为"增量化制造",其实它就是不久前引起社会广泛关注的"三维打印"技术的一种。
  经过多年的发展,我国增材制造技术与世界先进水平基本同步,在高性能复杂大型金属承力构件增材制造等部分技术领域已达到国际先进水平,成功研制出光固化、激光选区烧结、激光选区熔化、激光近净成形、熔融沉积成形、电子束选区熔化成形等工艺装备。增材制造技术及产品已经在航空航天、汽车、生物医疗、文化创意等领域得到了初步应用,涌现出一批具备一定竞争力的骨干企业。但是,我国增材制造产业化仍处于起步阶段,与先进国家相比存在较大差距,尚未形成完整的产业体系,离实现大规模产业化、工程化应用还有一定距离。
  为落实国务院关于发展战略性新兴产业的决策部署,抢抓新一轮科技革命和产业变革的重大机遇,加快推进我国增材制造(又称"3D打印")产业健康有序发展,工业和信息化部、发展改革委、财政部研究制定了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》。工业和信息化部于2月28日公布了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》。
  增材制造又称"3D打印"。上述计划由工信部、发改委和财政部联合印发;其提出目标:到2016年,中国将初步建立较为完善的增材制造产业体系,整体技术水平保持与国际同步,在航空航天等直接制造领域达到国际先进水平,在国际市场上占有较大的市场份额。具体而言,该目标可分解为四点:
  1.产业化取得重大进展。增材制造产业销售收入实现快速增长,年均增长速度30%以上。夯实技术基础,形成2-3家具有较强国际竞争力的增材制造企业。
  2.技术水平明显提高。部分增材制造工艺装备达到国际先进水平,初步掌握增材制造专用材料、工艺软件及关键零部件等重要环节关键核心技术。研发一批自主装备、核心器件及成形材料。
  3.行业应用显著深化。增材制造成为航空航天等高端装备制造及修复领域的重要技术手段,初步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。在全国形成一批应用示范中心或基地。
  4.研究建立支撑体系。成立增材制造行业协会,加强对增材制造技术未来发展中可能出现的一些如安全、伦理等方面问题的研究。建立5-6家增材制造技术创新中心,完善扶持政策,形成较为完善的产业标准体系。
  目前,增材制造技术仍处于快速发展中。在金属直接沉积工艺方面,钛合金激光快速成形大型关键、重要承力部件等已经在飞机上使用,工艺和应用技术整体上处于国际领先水平。在铺粉熔覆工艺方面,采用激光精密增材成形工艺研制出了飞机用复杂、大型空间曲面多孔钛合金构件。以下就谈谈钛合金增材制造在航空航天上的应用。
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。20世纪50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金,70年代开发出一批耐蚀钛合金,80年代以来,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。
  钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能好等突出特点,在航空、航天、石化、船舶等工业装备中用量越来越大而且主要被广泛用作各种机身加强框、梁、接头等飞机大型关键主承力结构件。以航空应用为例,如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(B一787、A一380)中钛合金用量已由第三代(B一747、A一300)的不到4%上升到9%以上,第三代歼击机中钛合金结构件用量由F-16的约3%增加到了F/A18-ElF、苏-27的15%以上,而第四代歼击机F一22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41%,事实上,大型整体钛合金结构件用量的高低已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。
  但是,由于受钛合金本性的影响,采用"锻造+机械加工"等传统技术制造这些大型复杂钛合金关键结构件,不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业装备,而且制造工序繁多、工艺复杂,需要大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等,零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5~10%)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长,严重制约了大型钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用,大型钛合金主承力结构件低成本、短周期成形制造技术,也是制约我国航空装备研制与生产的技术"瓶颈"之一!
  高性能金属结构件激光熔化沉积"近净成形"制造技术,利用快速原型制造(rapidprototypemanufacturing,RPM)的基本原理,以金属粉末(或丝材)为原材料,通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积,直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的"近终成形"制造(near-net-shapemanufacturincl),是一种具有"变革性"意义的数字化、短周期、低成本、先进"近净成形"制造新技术,在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的应用前景,与传统制造技术(锻压+机械加工、锻造+焊接等)相比,具有以下突出优点:
  (1)高性能材料制备与复杂零件"近净成形"制造一体化,无需零件毛坯制备和锻压模具加工、无需大型或超大型锻铸工业装备及其相关配套设施;
  (2)零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的独特快速凝固组织,综合力学性能优异;
  (3)零件的材料利用率高(可比锻件提高5倍以上)、机加工量小、数控机加工时间短;
  (4)制造成本低、生产制造周期短;
  (5)工艺与设备简单、工序少而短、具有高度柔性与"超常"快速反应能力:
  (6)可以方便地实现包括W、Mo、Nb、Ta等各种难熔及Ti、Zr等各种高活性高性能金属材料零件的材料制备和零件直接"近净成形";
  (7)可根据零件的工作条件和性能要求,通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分,实现多材料梯度复合高性能金属的直接近净成形制造;
  (8)具有对构件设计与批量变化的高度柔性与快速反应能力。
北京航空航天大学王华明教授,是激光增材制造领域专家。2013年,其团队研发的"钛合金构件激光增材制造技术"已交由中航天地激光科技有限公司进行产业化运作。A股公司中航重机直接持有中航天地 激光 20%股权。王华明教授团队的钛合金构件激光制造技术已成功生产出目前国内飞机尺寸最大、结构最为复杂的钛合金主承力关键构件,目前相关构件的综合力学结构已经达到或超过锻件相关指标。
  业内人士都知道,当下应用增材制造技术主要领域就是航空航天,包括国产大飞机零部件、舰载机起落架等重要核心零部件较多使用增材制造技术。王华明教授提供的实验数据显示,采用传统锻造工艺制造重量为144千克的美国F22战斗机零件,需要的锻件重量达到2980千克,材料利用率仅为4.8%,利用率极低。而通过增材制造技术,目前已经可以实现高性能材料制备与复杂零件制造的一步完成。
  增材制造技术发展到现阶段,在继续发展技术的同时,需要关注如何将技术迅速转化为产品,并形成市场优势这一重大问题。在影响从技术向产品转化进而形成市场优势的因素中,技术标准发挥着重要作用。标准即是新技术走向成熟的主要标志,也是新技术实现规模应用的基础。近年来,随着增材制造技术的日臻成熟,国际上与增材制造相关的标准化活动正日趋活跃。《计划》作为"指导书"必将引领增材制造技术走上"坦途"!
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