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金属增材制造技术的应用与趋势分析

发布时间:2017-04-25 作者:e-works黄菊锋  来源:e-works
近年来,随着3D打印概念的普及和应用的火热,金属增材制造技术开始在制造领域大放异彩,并迅速发展成为3D打印领域最有前途的先进制造技术之一。
    据全球市场研究机构CONTEXT于2016年发布的一份全球3D打印市场分析报告显示:2015年全球3D打印市场增长了35%,其中桌面3D打印机销量增长了33%,工业级3D打印机下降了9%。相比整体收入下降的工业级3D打印市场,金属3D打印技术增长迅猛,2015年全球金属3D打印机销量增长了35%。
 
    近年来,随着3D打印概念的普及和应用的火热,金属增材制造技术开始在制造领域大放异彩,并迅速发展成为3D打印领域最有前途的先进制造技术之一。
 
    何谓金属增材制造?
 
    金属增材制造是以金属粉末、金属丝材为原料,以高能束(激光/电子/电弧等离子束)作为刀具,以计算机三维CAD数据模型为基础,运用离散-堆积的原理,在软件与数控系统的控制下将材料熔化逐层堆积,来制造高性能金属构件的新型制造技术,是增材制造技术(又称为3D打印)最重要的一个分支。
 
金属增材制造技术
 
    图1 金属增材制造技术
 
    金属增材制造的成形工艺主要是在增材制造的基础上发展而来,由于增材制造工艺方法有十多种,因此金属增材制造的成形技术也有许多种和不同的分类方法。当前,金属增材制造比较普遍的一种分类方法是分为:以粉末床为主要技术特征的选区熔化技术,和以同步材料送进为主要技术特征的高能束熔覆技术。根据施加的热源和材料形式不同,前者主要包括激光选区熔化技术(SLM)和电子束选区熔化技术(EBSM);后者包括激光立体成形技术(LSF)、电子束熔丝沉积技术(EBF3)、电弧增材制造(WAAM)等。其中,SLM与LSF技术相对成熟。
 
金属增材制造技术分类
 
    图2 金属增材制造技术分类
 
    金属增材制造的应用
 
    金属增材制造技术可以无模具快速制造出传统铸造锻造工艺生产不出来或损耗较大的复杂结构件,对于难加工的钛合金、高温合金等材料易于成型,并具有材料利用率高、周期短、高性能等优势。因此,金属增材制造自诞生之日起,便迅速被实践于航空航天、国防军工等高精尖领域,并且取得了良好的发展前景与应用效果。也正是基于此,推动了金属增材制造技术向生物医疗以及工业、船舶、汽车制造等领域的延伸。
 
    1)在航空航天行业的应用
 
    航空航天是研究与应用金属增材制造最早的行业,也是一直以来最广泛的行业。金属增材制造主要用于:航天发动机小型精密构件和航空大型复杂构件的一体化制造;航空零件的快速修复;新型飞机和航空发动机的快速研发;以及将增材制造与传统的铸、锻和机械加工相结合形成组合制造技术以提高零件的成形精度和效率等。
 
    德国MTU 航空发动机公司采用SLM 技术直接制造航空发动机小型压气机静子件;英国Rolls-Royce 航空发动机公司将LSF 技术用于涡轮发动机零部件的修复及成形;北航通过LSF 技术成功研制出C919飞机机身和机翼连接部分的钛合金上缘条和下缘条构件等大型钛合金,并已得到应用;而GE则预计其采用金属直接增材制造的零件,未来将可占航空发动机零部件的50%。等等
 
航空发动机可应用金属增材制造的结构示意图(来源于网络)
 
    图4 航空发动机可应用金属增材制造的结构示意图(来源于网络)
 
    对航空航天行业来说,金属增材制造技术的不仅让过去一些无法实现的航空功能结构得以快速制造,而且基于金属增材制造的高性能修复技术保证了航空构件的全寿命期的质量与成本;不仅大大提高了昂贵的航空金属材料的利用率,而且减轻了结构件的总重量;不仅实现了新产品的快速研发,而且为轻量化设计的实现提供了有效途径。
 
    2)在生物医疗行业的应用
 
    生物医疗是当前金属增材制造应用的第二大行业。在医疗领域,金属增材制造技术一方面用于打印具有个性化需求的植入物/假体或模仿仿生原理的复杂结构。这些植入物通过3D打印技术的精确控制,有效实现外在轮廓及内部结构的同步重建,以满足其与患者局部解剖结构的高度匹配,其中具有生物相容性的钛合金材料是重要的加工材料,打印出来的多孔结构植入物,可以更好的与人体组织结合。不过,涉及到医疗的用途都需要经过国家的审批才能广泛采用,因此目前绝大部分的3D打印金属植入物为临床试验性质。
 
    另一方面,金属增材制造技术还可用于为病人量身定做植入手术所需的精密部件,例如华南理工大学利用SLM技术已成功研制了外科手术所需的个性化辅助导板。
 
金属增材制造在生物医医疗行业的应用(来源于网络)
 
    图5 金属增材制造在生物医医疗行业的应用(来源于网络)
 
    3)在其它行业的应用
 
    在工业模具、船舶、汽车制造等领域,基本上是借鉴金属增材制造在航空航天行业中的应用方式,包括传统技术难以制造的零件的快速成形,精密零件的修复再制造等。西门子采用金属3D打印技术制造和修复燃气轮机的某些金属零部件;GE公司石油和天然气部门用3D打印技术制造燃气涡轮机的金属燃料喷嘴等;汽车企业实现复杂零部件的轻量化直接成形等。
 
    金属增材制造前景分析
 
    有业内专业人士指出:“金属增材制造是3D打印领域之皇冠上的明珠,是整个增材制造技术体系中最前沿和最具潜力的技术之一。”
 
    金属增材制造作为能直接制造高性能金属零件的突破性技术,不仅颠覆了传统的金属零件加工技术,对高性能的材料制备也带来了重大的变化,是增材制造技术走向未来的重要方向,是制造产业实现发展的战略制高点。
 
    当前,金属增材制造技术还处于起步阶段,行业应用仅仅局限在高端领域,很多技术也不够成熟,想要实现更广泛的应用还需要一个漫长的技术积累和验证过程。笔者以为以下六个方面会是金属增材制造技术发展的重要趋势:
 
    1)提升工艺水平,加强对工艺瓶颈的突破,例如提高成型零件的精度、加工效率、物理及化学性能等;
 
    2)结合金属增材制造与传统制造技术的优势实现混合加工;
 
    3)与拓扑优化技术融合实现创新设计;
 
    4)加强对新金属材料的研发与现有材料的改进;
 
    5)金属材料特性及成形工艺标准体系的建立与完善;
 
    6)提高配套的增材制造设备智能化水平等。
 
    未来,金属增材制造会向着可加工金属材料更广泛、性能更好、质量更可靠、精度更高、成本更低等方向发展。金属增材制造技术定会在制造领域绽放出更绚丽的光彩,成为3D打印领域明副其实的明珠。
 
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