增材制造具有無(wú)模具快速自由成形、全數(shù)字化、高柔性等技術(shù)特征，可以制造近乎無(wú)限復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于絕大多數(shù)材料種類(lèi)的制造。新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)、個(gè)性化制造、傳統(tǒng)技術(shù)難以應(yīng)對(duì)的極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、最優(yōu)化設(shè)計(jì)顯著提升產(chǎn)品功能都是增材制造的重要應(yīng)用方向。
十九大報(bào)告指出，要加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，在中高端消費(fèi)、創(chuàng)新引領(lǐng)、綠色低碳、共享經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)代供應(yīng)鏈、人力資本服務(wù)等領(lǐng)域培育新增長(zhǎng)點(diǎn)、形成新動(dòng)能。這為我國(guó)科技企業(yè)的發(fā)展指明了方向。
作為互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)深度結(jié)合的產(chǎn)物，3D打印技術(shù)正在為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來(lái)無(wú)限新的可能。國(guó)際數(shù)據(jù)公司IDC預(yù)計(jì)，未來(lái)5年，全球3D打印市場(chǎng)將以22.3%的年復(fù)合增長(zhǎng)率擴(kuò)大，2020年達(dá)到289億美元。
精確制造復(fù)雜零件
美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)增材制造技術(shù)委員會(huì)將“采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)，通過(guò)材料沉積的方法制造物體”定義為3D打印。近年來(lái)，3D打印技術(shù)得到了快速發(fā)展。
3D打印通常是指利用低成本、功能簡(jiǎn)單的桌面級(jí)設(shè)備進(jìn)行的增材制造，即面向大眾的、普及版的增材制造。那么，什么是增材制造？西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司北方區(qū)域經(jīng)理左全杉介紹道，通過(guò)數(shù)字化增加材料的方式進(jìn)行的制造即為增材制造。對(duì)應(yīng)地，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法是“減材制造”，鍛造或鑄造方法是“等材制造”。
“增材制造具有無(wú)模具快速自由成形、全數(shù)字化、高柔性等技術(shù)特征，可以制造近乎無(wú)限復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于絕大多數(shù)材料種類(lèi)的制造。”左全杉表示，新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)、個(gè)性化制造、傳統(tǒng)技術(shù)難以應(yīng)對(duì)的極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、最優(yōu)化設(shè)計(jì)顯著提升產(chǎn)品功能都是增材制造的重要應(yīng)用方向。
盡管增材制造技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，但仍有人認(rèn)為，3D打印存在致命的缺點(diǎn)，因?yàn)槠渌蛴?shí)物的結(jié)構(gòu)中存在孔隙。對(duì)此，清華大學(xué)天津高端裝備研究院增材制造技術(shù)研究所副所長(zhǎng)郭超從技術(shù)和應(yīng)用層面作出了解釋。郭超表示，“這種現(xiàn)象確實(shí)存在，但并不是所有的材料都會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。通過(guò)X射線(xiàn)斷層掃描進(jìn)行檢測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)，電子束3D打印的致密度達(dá)到了99.96%，已經(jīng)非常高了，接近于全致密度。”
郭超所言的電子束3D打印其實(shí)是金屬3D打印的一種方式。郭超表示，3D打印是一種變革式的生產(chǎn)方式，而金屬3D打印就是這種“變革式生產(chǎn)方式”的重要類(lèi)型。
“金屬3D打印可以分為熔覆類(lèi)和粉床類(lèi)兩種類(lèi)型。”郭超介紹道，“前者具有較高的生產(chǎn)效率，通常適用于大型零件的打印，但是它的精度不夠高，可以看出非常明顯的分層現(xiàn)象；后者最大的特點(diǎn)是精確，可用于中小零件及形狀復(fù)雜零件的制作。”從能量源的角度劃分，粉床類(lèi)打印又可以分為激光和電子束。“目前使用激光打印的零件長(zhǎng)度大概為一米左右。”
獲得更高力學(xué)性能
隨著金屬3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)，一些相應(yīng)的力學(xué)性能問(wèn)題也引發(fā)了學(xué)界和業(yè)內(nèi)人士的思考。在技術(shù)構(gòu)思期，常見(jiàn)的質(zhì)疑如金屬增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)極高力學(xué)性能嗎？有原型制造專(zhuān)家甚至斷言：已有的快速成形技術(shù)所獲零件性能都不高，只能用于原型制造。而技術(shù)發(fā)展期，人們又會(huì)問(wèn)，鑄態(tài)材料如何實(shí)現(xiàn)鍛件性能？
事實(shí)上，伴隨著金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的深入推進(jìn)，這些問(wèn)題的答案也逐漸清晰。左全杉表示，金屬增材制造產(chǎn)品的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：成分均勻，從粉末成形到小熔池凝固基本無(wú)宏觀偏析；材質(zhì)致密，固/液界面平滑，能夠?qū)崿F(xiàn)充分補(bǔ)縮；組織細(xì)小，可以達(dá)成快速凝固。由此看出，“增材成形原理并不排除實(shí)現(xiàn)極高力學(xué)性能的可能性，只要成形點(diǎn)的材料性能高，而且點(diǎn)與點(diǎn)、道與道、層與層之間良好結(jié)合，金屬增材制造技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)極高力學(xué)性能”。
針對(duì)鑄態(tài)材料與鍛件性能的優(yōu)劣問(wèn)題，左全杉說(shuō)，“為什么一般情況下鍛件性能優(yōu)于鑄件性能？從材料學(xué)角度講，造成鑄件性能低的原因主要是縮松、組織粗大、雜質(zhì)集中分布等方面的因素，而金屬3D打印的激光立體成形件具有明顯的成分均勻、材質(zhì)致密、組織細(xì)小、雜質(zhì)均勻分布的特點(diǎn)，補(bǔ)足了鑄態(tài)材料的缺陷。”
此外，也有質(zhì)量專(zhuān)家對(duì)金屬3D打印構(gòu)件在工程應(yīng)用期的使用性能表示憂(yōu)慮，指出逐點(diǎn)制造如何保持整體性能的一致性？鑄件和鍛件的成形條件真的是處處一致嗎？對(duì)此，左全杉表示，由于金屬增材制造的逐點(diǎn)成形提供了逐點(diǎn)控制的條件，反而更有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件成形條件的高度一致性。“當(dāng)然，這種高度一致性的前提是對(duì)構(gòu)件的成形過(guò)程以及裝備的高控制精度有著全面深刻的科學(xué)認(rèn)識(shí)。”左全杉補(bǔ)充道，“獲得更高力學(xué)性能的前景其實(shí)是發(fā)展增材制造的專(zhuān)用合金體系。”
3D打印的力學(xué)問(wèn)題也是郭超在研究過(guò)程中遇到的重要問(wèn)題。“了解3D打印，特別是金屬3D打印的人，都知道3D打印一個(gè)特別重要的考量就是要降低應(yīng)力，避免打印過(guò)程中的變形。”郭超表示，“溫度相差越大，應(yīng)力越大。而目前的金屬電子束技術(shù)具有更高的能量密度和粉床溫度，可以實(shí)現(xiàn)制造、熱處理一體化，在打印過(guò)程中已經(jīng)特別不容易變形或開(kāi)裂，不需要傳統(tǒng)制造方式中后續(xù)進(jìn)行的金屬材料的熱處理工藝。”
解決傳統(tǒng)工藝難題
目前，金屬3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療植入體等領(lǐng)域。郭超表示，在航空航天領(lǐng)域，激光3D打印有很多應(yīng)用，“因?yàn)樗梢灾圃煲恍┹p量化的、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而電子束的一個(gè)‘殺手锏級(jí)’的應(yīng)用，也是目前工業(yè)上非常經(jīng)典的應(yīng)用，就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪葉片。”航空鈦鋁合金葉片的制造成本與精密鑄造接近，而重量輕30%，“可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)十年，鑄造行業(yè)傳統(tǒng)工藝被3D打印替代是不可阻擋的潮流”。
左全杉介紹道，金屬增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)為高性能修復(fù)、極端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件制造、功能強(qiáng)化、減重四個(gè)方面。以美國(guó)AeroMet公司為例，該公司采用金屬增材制造中的激光立體成形技術(shù)使F15戰(zhàn)斗機(jī)中機(jī)翼梁的檢修周期縮短為1周，F(xiàn)15飛機(jī)腐蝕損傷零件的更換周期大幅度縮短。而瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院采用激光立體成形技術(shù)修復(fù)單晶渦輪葉片，單晶渦輪葉片修復(fù)中損傷葉片的激光修復(fù)時(shí)間僅為1~3分鐘/片。
近年來(lái)，醫(yī)療植入體沿著從標(biāo)準(zhǔn)化到個(gè)性化的軌跡快速發(fā)展。郭超說(shuō)，“目前來(lái)講，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上普遍使用的都還是標(biāo)準(zhǔn)化的植入體，下一步的趨勢(shì)是個(gè)性化，即每一個(gè)骨骼植入體不僅尺寸相異，形狀和外觀也不同。”通過(guò)與CT掃描技術(shù)緊密結(jié)合，3D電子束打印可以根據(jù)患者的具體情況定做骨頭。“掃描出來(lái)的結(jié)果通過(guò)數(shù)字化方法很快形成需要的修復(fù)體，把圖紙發(fā)過(guò)去即可直接制作實(shí)體構(gòu)件，72小時(shí)之內(nèi)，這個(gè)植入體就能到達(dá)醫(yī)生手上，為患者進(jìn)行手術(shù)。”
“3D打印的骨骼構(gòu)件有一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)就是其表面特殊的二級(jí)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，是一種仿生結(jié)構(gòu)，模擬人體的骨骼。這種結(jié)構(gòu)植入到人體之后，骨頭可以直接生長(zhǎng)到電子束打印的構(gòu)件中，形成非常好的生物固定。這也是電子束3D打印目前在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用非?；鸨脑?。”郭超認(rèn)為，“只需五到六年，3D打印在骨科方面的應(yīng)用會(huì)快速覆蓋到整個(gè)醫(yī)療行業(yè)。”
未來(lái)，郭超希望金屬3D打印技術(shù)更加注重核心零部件的自主化，包括電子槍、配套電源、聚焦掃描線(xiàn)圈、高度線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)。“3D打印是系統(tǒng)化的工程，是一套完整的解決方案，要注重核心材料工藝自主化，從粉末材料到工藝參數(shù)包再到粗糙度、致密度、化學(xué)成分以及強(qiáng)度、疲勞等性能，形成‘材料—參數(shù)—性能’數(shù)據(jù)庫(kù)。”此外，郭超表示，“希望‘3D打印+’注重更加民用化的方向，這也是3D打印未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。”
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