當(dāng)前，增材制造在全球的持續(xù)發(fā)酵無疑是熱點(diǎn)，世界各國正投身于這一顛覆性技術(shù)的布局，力爭早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。相較傳統(tǒng)的加工模式，這種“自下而上”通過材料累加的制造方法帶來了許多突破，使過往無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造變?yōu)榭赡?。無論是“增”“減”制造共存、又或是“整”“分”制造并進(jìn)；無論是從尺寸著手，打造出顛覆想象的各種“大”“小”產(chǎn)品、抑或是不斷攻破材料瓶頸……持續(xù)以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)更多的技術(shù)突破、成果轉(zhuǎn)化和行業(yè)應(yīng)用依然是重中之中。
2017年12月13日，工信部等十二部門聯(lián)合印發(fā)的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》提出，到2020年，中國的增材制造產(chǎn)業(yè)年銷售收入將超過200億元，年均增速在30%以上。中國將更加注重增材制造在航空、航天、船舶、核工業(yè)、汽車、電力裝備等重點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)積極推動(dòng)“3D打印+”示范應(yīng)用，向非制造領(lǐng)域拓展。
然而，在紛繁的增材制造技術(shù)中，激光增材制造（LAM）以其獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)愈發(fā)受到關(guān)注。眾所周知，激光具有能量密度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)難加工金屬的制造，例如航空航天領(lǐng)域采用的鈦合金、高溫合金等，同時(shí)LAM技術(shù)還具有不受零件結(jié)構(gòu)限制的優(yōu)點(diǎn)，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難加工以及薄壁零件的加工制造。
根據(jù)一份市場(chǎng)報(bào)告顯示，2016年全球激光金屬3D打印市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到67.3億元，同比增長15%。預(yù)計(jì)到2021年其市場(chǎng)規(guī)模將是目前的4倍，接近300億元。目前，中國激光金屬3D打印行業(yè)尚處于發(fā)展初期階段，去年市場(chǎng)規(guī)模增長到6.9億元，同比增長21%，成為3D打印市場(chǎng)中增速最快的細(xì)分市場(chǎng)。當(dāng)前，激光金屬3D打印主要被應(yīng)用于航天航空、汽車、軍工、模具制造及醫(yī)療領(lǐng)域，以滿足這些行業(yè)對(duì)個(gè)性化、小批量的快速制造需求。
國內(nèi)外激光增材制造領(lǐng)域“最”突破
回首過去的2017年，國內(nèi)外激光增材制造領(lǐng)域又涌現(xiàn)出哪些亮點(diǎn)呢？首先，去年下半年，由哈爾濱工程大學(xué)牽頭、北京三帝科技公司、清華大學(xué)、中國航空工業(yè)集團(tuán)公司625研究所等13家單位共同承擔(dān)的《大型金屬制件超聲微鍛造輔助激光增材制造技術(shù)與裝備》項(xiàng)目獲批“十三五”2017國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)支持。據(jù)悉，該項(xiàng)目旨在針對(duì)船海領(lǐng)域大型金屬制件成形加工難的需求，開展超聲微鍛造輔助激光熔絲增材制造技術(shù)與裝備研究，解決激光復(fù)合增材制造中的一系列科學(xué)問題；研究激光增材/超聲微鍛造與車銑（增鍛減）復(fù)合裝備等，對(duì)于增材制造技術(shù)在我國金屬大型復(fù)雜構(gòu)件制造中的推廣應(yīng)用具有重大的意義。
另外，中國工業(yè)級(jí)3D打印領(lǐng)導(dǎo)者——湖南華曙高科在鋪粉激光成形3D打印領(lǐng)域頗有建樹，公司目前正緊鑼密鼓地籌備發(fā)布其全新的連續(xù)增材制造解決方案CAMS。據(jù)了解，這款大型尼龍3D打印設(shè)備擁有全球最大的打印幅面，可與任何工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模塊集成，實(shí)現(xiàn)連續(xù)增材制造生產(chǎn)，設(shè)備配置的多激光模塊能夠燒結(jié)各種高性能高分子3D打印粉末材料，是真正適用于規(guī)模化生產(chǎn)的激光3D打印系統(tǒng)。
再將目光投向海外市場(chǎng)。GE Additive在2017年年末推出了全球最大的激光粉末3D打印系統(tǒng)ATLAS 。新款突破性的機(jī)器能夠3D打印直徑為1m的航空零件，據(jù)悉，2018年年初項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將創(chuàng)建出一個(gè)工作原型的機(jī)器。該系統(tǒng)也可被用于汽車、電力、石油和天然氣等行業(yè)。此前，市場(chǎng)上最大的基于激光的3D打印系統(tǒng)是由德國Concept Laser公司開發(fā)的一款機(jī)器，但去年，GE收購了Concept Laser 75%的股權(quán)。11月，雙方為德國利希滕費(fèi)爾斯的新工廠（3D Campus）舉行了奠基儀式。擬于2019年初啟用的新辦公樓面積約達(dá)4萬平方米，未來的機(jī)器產(chǎn)能將比現(xiàn)在高出四倍。
英國謝菲爾德大學(xué)研發(fā)出全新的3D打印/增材制造工藝，主要通過使用節(jié)能二極管激光器陣列，不用振鏡，達(dá)到更快、更經(jīng)濟(jì)、更節(jié)能的零件加工效果，這將有望改變零件的生產(chǎn)方式。據(jù)悉，這一工藝最大的突破是挑戰(zhàn)了業(yè)界長期以來的共識(shí)：即振鏡是實(shí)現(xiàn)精密加工的一個(gè)關(guān)鍵零件以及低功率二極管基于其功率效能以及較差的光束質(zhì)量等因素。
去年，美國一家增材制造公司PolarOnyx開發(fā)了全球首款能夠在玻璃上直接打印鐵粉末的飛秒激光增材系統(tǒng)。該公司設(shè)想的工藝是通過一臺(tái)機(jī)器同時(shí)集成飛秒激光的增材和減材特性。飛秒激光先打印一層材料，再對(duì)該打印層進(jìn)行減材磨削，最終實(shí)現(xiàn)打印層所需的打印精度和尺寸公差。
增材制造技術(shù)——挑戰(zhàn)知多少？
在2017年12月初于南京舉行的“2017世界智能制造大會(huì)”上，筆者在同期的“增材制造技術(shù)”論壇上聆聽了一波波關(guān)于該技術(shù)在金屬加工、激光應(yīng)用等領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)。
例如，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長顧冬冬先生分享了基于激光的“增材”與“創(chuàng)材”的協(xié)同制造技術(shù)方面的研究成果。他指出，目前激光增材制造的兩大關(guān)鍵技術(shù)分別是面向大型構(gòu)件制造的激光熔化沉積LMD技術(shù)以及面向精密構(gòu)件的選區(qū)激光熔化SLM技術(shù)。這兩類技術(shù)為復(fù)雜整體構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造開辟了新途徑。
針對(duì)上述激光增材制造技術(shù)，他提出了幾個(gè)發(fā)展思考課題。“工欲善其事，必先利其器。首先，SLM增材制造裝備的國產(chǎn)化進(jìn)程必須加速，尤其是高功率激光器、高速掃描振鏡等部件和軟件的國產(chǎn)化能否達(dá)到80%以上？設(shè)備的使用性能能否達(dá)到90%以上？制造及維護(hù)成本能否顯著降低……；其次，巧婦難為無米之炊。必須著力研發(fā)激光增材制造專用金屬粉末。最后，必須將LMD和SLM技術(shù)廣泛應(yīng)用于更多的工程應(yīng)用領(lǐng)域，如航空航天等。”他悉數(shù)道。
西北工業(yè)大學(xué)王猛副教授在《邁向高度智能化的增材制造》演講中指出，增材制造已具智能化雛形，目前亟需解決關(guān)鍵物理模型、快速預(yù)測(cè)算法、大數(shù)據(jù)積累方面的不足，以實(shí)現(xiàn)增材制造工藝過程的高度智能化；加強(qiáng)關(guān)聯(lián)行業(yè)之間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)共享、建設(shè)增材制造的物聯(lián)網(wǎng)及云制造平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)增材制造生產(chǎn)、運(yùn)營的高度智能化。
左：純激光堆焊機(jī)床LASERTEC 65 3D； 右：選擇性激光熔融粉床式增材制造機(jī)床LASERTEC SLM （圖源: DMGMORI）
華中科技大學(xué)材料學(xué)院黨委書記史玉升教授分享的主題是《增材制造—傳統(tǒng)制造復(fù)合技術(shù)與應(yīng)用》。他指出，單一增材制造零件面臨材料種類有限、性能不穩(wěn)定、表面精度低等重大挑戰(zhàn)，限制了其應(yīng)用，因而必須與傳統(tǒng)制造技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。“該領(lǐng)域當(dāng)前的研究工作包括復(fù)雜金屬構(gòu)件增材/鑄造整體成形技術(shù)與裝備；難加工金屬構(gòu)件的增材/熱等靜壓整體成形技術(shù)；高效絲材電弧增材/切削減材復(fù)合成形與裝備，以及激光熔化增材制造與切削減材復(fù)合成形技術(shù)與裝備。”
未來的研發(fā)方向和趨勢(shì)
業(yè)內(nèi)專家指出，激光增材制造技術(shù)未來的研發(fā)重點(diǎn)將圍繞以下三個(gè)方面。從設(shè)備層面來看，經(jīng)濟(jì)、高效的設(shè)備是激光增材制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前，大功率激光器的使用以及送粉效率的不斷提高已顯著提升了激光增材制造的加工效率，但對(duì)于大尺寸零件的制造效率依然偏低，且設(shè)備的價(jià)格也頗高，因此亟需在提高設(shè)備加工效率的同時(shí)不斷降低設(shè)備成本。此外，激光增材制造設(shè)備還可以與傳統(tǒng)加工復(fù)合應(yīng)用。例如，德國DMGMORI旗下的Lasertec系列激光增材制造設(shè)備涵蓋粉床式和噴粉式增材制造的三大完整工藝鏈：其中包括將激光堆焊與切削加工集成為一體的LASERTEC 3D hybrid、純激光堆焊機(jī)床LASERTEC 65 3D以及選擇性激光熔融粉床式增材制造機(jī)床LASERTEC SLM。
材料方面看，對(duì)于金屬材料激光增材制造技術(shù)來說，金屬粉末就是其原材料，金屬粉末的質(zhì)量會(huì)直接影響成形零部件最終的質(zhì)量。 因此，著力突破激光增材制造專用材料，尤其是金屬粉末這塊，將是日后重點(diǎn)的研發(fā)方向。未來的增材制造創(chuàng)新要素同時(shí)還包括多材料的設(shè)計(jì)和布局，特別是陶瓷增強(qiáng)的復(fù)合材料。例如，鋁合金對(duì)激光的吸收率很低，在工藝過程中，球化效應(yīng)也可能引發(fā)增材制造中出現(xiàn)典型缺陷，如何解決它是一個(gè)核心的科學(xué)挑戰(zhàn)。
最后，來看看工藝層面。雖然目前對(duì)激光增材制造的工藝已開展了大量的研究，但在零件的成形過程中依然存在許多問題。例如，在上述提及的選區(qū)激光熔化（SLM）工藝中，伴隨復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金等過程，容易使工件產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等缺陷；而在激光金屬直接成形(LMDF)工藝中，隨著高能激光束長時(shí)間周期性劇烈加熱和冷卻、，容易導(dǎo)致零件內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，最終發(fā)生嚴(yán)重的變形開裂。因此，持續(xù)優(yōu)化激光增材制造技術(shù)的工藝，克服成形過程中的缺陷，加強(qiáng)對(duì)激光增材制造過程中零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律、變形開裂行為及凝固組織形成規(guī)律，以及內(nèi)部缺陷形成機(jī)理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題的研究，將是今后該領(lǐng)域的攻關(guān)重點(diǎn)。
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