3D打印技術(shù)，是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力。2024中關(guān)村國際技術(shù)交易大會上，清華大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)清研智束發(fā)布了一款電子束3D打印新產(chǎn)品，其技術(shù)與這一領(lǐng)域當(dāng)前主流技術(shù)路線截然不同。

2024中關(guān)村國際技術(shù)交易大會上。

電子束與激光

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，逐點逐層累積疊加形成三維實體的新技術(shù)。由于它對傳統(tǒng)的工業(yè)流程、生產(chǎn)線、生產(chǎn)模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生深刻影響，已成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力之一。

3D打印又分為金屬3D打印與非金屬打印。其中，金屬3D打印多以鐵、鈦、鎳、鋼等金屬粉末為原材料，具備定制化、低損耗、精密制造等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、醫(yī)療器械等對產(chǎn)品性能要求苛刻的制造領(lǐng)域。相比非金屬3D打印，金屬3D打印的價值量更大、技術(shù)壁壘更高、未來應(yīng)用空間更大。

有研報稱，金屬3D打印的幾種技術(shù)路線中，激光選區(qū)熔化（SLM）是當(dāng)前的主流方案。其產(chǎn)品性價比相對占優(yōu)，技術(shù)難度也相對適中。

清華大學(xué)機(jī)械工程系長聘教授林峰說，在航空航天領(lǐng)域，隨著飛行參數(shù)不斷提高，對高溫金屬的增材制造需求越來越高。超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片、固體火箭發(fā)動機(jī)喉襯、高超飛行器端頭等零部件的工作溫度都超過1000℃。高溫金屬材料難以精確成形，使用激光打印極易開裂，但如果使用電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)，開裂問題能夠解決。

這項技術(shù)是以高能電子束為熱源，基于粉末床、CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）直接驅(qū)動的近凈成形金屬增材制造工藝。由于其能量轉(zhuǎn)換率和吸收率更高、內(nèi)應(yīng)力小，成型效果更好。他說，“原來會開裂的材料，現(xiàn)在可以不開裂；原來需要設(shè)計很強(qiáng)支撐的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在可以不支撐?！?/p>

多槍陣列技術(shù)突破

相比激光，金屬3D打印的電子束路線整體性能更優(yōu)越。但由于電子束需要真空環(huán)境，這一技術(shù)路線研發(fā)難度更大，一段時間以來發(fā)展也相對滯后。

在這條路線上，清華大學(xué)和清研智束團(tuán)隊已潛心摸索、艱苦攻關(guān)20年。2004年，團(tuán)隊成員在清華大學(xué)成功研發(fā)電子束選區(qū)熔化技術(shù)；2015年，清研智束注冊成立；2017年，自主開發(fā)第一代商業(yè)化設(shè)備；2021，推出Qbeam系列產(chǎn)品；2023年，發(fā)布多槍陣列設(shè)備。

多槍陣列設(shè)備。

清華大學(xué)博士、北京清研智束科技有限公司研發(fā)總監(jiān)趙德陳說，技術(shù)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，市場現(xiàn)存電子束增材設(shè)備，成形尺寸有限，是限制其在航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵?！爱?dāng)前國內(nèi)外主流的商業(yè)化電子束增材制造設(shè)備，成形尺寸都不超過400毫米；而現(xiàn)實情況是，很多航空航天鈦合金零部件尺寸超過500毫米。”

為實現(xiàn)大尺寸鈦合金零部件批產(chǎn)解決方案，技術(shù)團(tuán)隊選擇多槍陣列技術(shù)。自2018年起，積累了解決多槍干擾、多電子束拼接校準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)20余項，成功研發(fā)Qbeam S600新產(chǎn)品。產(chǎn)品滿足航天航空對大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件的高效率、低成本批量化制造需求。打印尺寸擴(kuò)大到600×600×700毫米，鈦合金極限沉積效率提高至每小時400立方厘米以上。

相比激光設(shè)備，這款電子束設(shè)備具有顯著批產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型。以某醫(yī)療應(yīng)用典型零件為例，其單件成本降低47%，設(shè)備產(chǎn)出提高至200%。

技術(shù)領(lǐng)先。

“據(jù)我所知，清研智束是全球唯一一家開展多槍陣列研究并產(chǎn)業(yè)化的設(shè)備制造商。”趙德陳說。

他表示，清研智束已經(jīng)掌握電子束3D打印多槍陣列全套核心技術(shù)，多款更大尺寸設(shè)備處于在研和已完成項目驗收階段。多槍陣列技術(shù)，或?qū)㈤_啟電子束增材制造的新篇章。

欄目主編：樊江洪

文字編輯：樊江洪

本文作者：肖彤

題圖來源：上觀題圖