学习德国工业4.0、中国智能制造讲座(连载五)



学习德国工业4.0、中国智能制造讲座(连载五)

王至尧

(中国空间技术研究院)

5.63D打印装备

5.6.1国外3D打印研发情况

1)GE公司使用3D打印技术批量生产喷气发动机关键零件。在计算机控制下，激光精确地射向钴-铬粉末床，融化对应区域的金属合金，以20 μm的厚度一层一层地制造零件。这些3D打印的喷嘴将用在CFM国际公司制造的LEAP喷气发动机上。LEAP发动机将使用10～20个喷嘴，而这些发动机将在2015年末或2016年初安装在飞机上，所以GE公司需要在3年内每年制造25 000个喷嘴。3D打印技术可以帮助GE公司更快且更便宜地制造复杂零件。按照传统方式，GE公司必须通过焊接20个小块材料的方式来制造复杂零件，这是一种劳动密集型过程，大量材料将被浪费。3D打印技术能解决上述问题，可在少量浪费情况下制造任何复杂零件。此外，通过3D打印技术生产轻型零件可节省大量燃料。

2)美国3D系统公司获得金属和陶瓷制造工艺。2013年7月，美国3D系统公司最终完成对凤凰系统公司的收购。凤凰系统公司是法国一家采用金属和陶瓷材料进行直接激光烧结的设备制造商。凤凰系统公司的PX设备具有多项应用，包括汽车、飞机等工业领域。该设备与凤凰系统公司专有的CAD/CAM软件和控制软件协同工作。在选区激光烧结工艺中，PX系统使用极细粉末(6～9 μm)生产全致密和化学纯度的零件。它们可使用贵重金属如黄金和银，不锈钢，磨具钢，超级合金，由钛、铝和镍组成的有色合金，以及陶瓷材料如金属陶瓷和氧化铝。作为第一大系统，PXL拥有250 mm×250 mm×300 mm的制造容量，具有自动加载和卸载，以及自动回收未用粉末的功能；PXM是第二大系统，建造容量为140 mm×140 mm×100 mm，具有半自动加载和卸载功能；第三大系统是PXS，其建造容量为100 mm×100 mm×80 mm，具有手动加载和卸载功能。

3)美国福特公司的新型自由成形制造技术可将原型交付时间缩短至3 d。该公司正在开发一项高度灵活的新型制造技术，这项技术有可能降低小批量生产的金属板零件制造成本，缩短交付时间。

传统上，定制零件需要6～8 w时间来生产模具，但福特公司已开发出一种已获专利的独特制造工艺，能在仅仅几个小时内使金属零件3D成形。采用此项名为“福特自由成形制造技术”的(F3T)制造工艺，一块金属板可围绕其边缘固定，通过金属板两侧的手写笔工具形成3D形状。这种新的成型机器功能与数字打印机类似，在某个零件的CAD数据被接收后，由计算机生成工具路线控制F3T机器，成形金属板零件，最终形成所需尺寸公差和表面光洁度的金属零件。一旦全面开发，F3T技术将实现金属零件原型较低成本和超快的交付——与采用传统方法耗费2～6个月相比，该技术可在3个工作日内交付原型。

F3T有潜力实现更多的个性化设置。该技术目前仍处于早期研发阶段，采用该技术的设备还不能实现批量快速生产，更多地是小批量应用。可以预计，F3T技术除了在汽车行业应用之外，在航空航天、国防、交通和家电行业也有广泛应用前景。

4)美国西格玛实验室和互动机器公司计划研制下一代3D金属打印设备。西格玛实验室与位于马萨诸塞州索思威克的互动机器公司签署一项谅解备忘录，有意成立一家合资公司，开发下一代3D金属打印设备，并实现其商业化。西格玛实验室称，3D打印金属零件比塑料零件要难的多。原因在于，打印金属零件要满足非常苛刻的工程规范。西格玛实验室在2012年推出PrintRite3D套件，它是一种质量保障工具，可使3D打印制造商达到用于关键领域金属零件的严格要求。PrintRite3D套件的软件和传感器可对生产过程中的零件质量进行实时监测，并报告任何异常活动，可以进一步推动实现无人化生产。

根据最新报道，与目前可用的3D打印设备相比，采用新的3D金属打印设备，可将产量提高10倍以上。这一3D打印设备在确保制造零件达到质量要求的同时，在沉积速率方面则明显优于现有的3D金属打印设备。

5)NASA资助研究3D打印技术用于异质金属零件成形。在美国航空航天局(NASA)的资助下，密苏里科技大学正在研究通过3D打印技术与传统制造工艺相结合的混合制造工艺来提高金属零件的结构强度。通过混合制造工艺，先用3D打印技术将不同材质的金属材料结合在一起，然后再用数控加工设备对零件进行精加工，可以用于制造更高强度、更耐用的航天金属零件，以及修复价格昂贵的零部件，从而减少零部件的更换频率，节约维护成本。经验证，与传统制造工艺相比，3D打印技术制造的钢材零件强度要高10%。

6)电子束熔融技术让金属对象更加致密。通过激光烧结或粘结剂喷射技术生产的金属对象强度很高，但这些对象不是100%致密的。电子束熔融(EBM)通过使用电子束而不是激光选择性地熔炼粉末金属层，解决了这个潜在的问题。

瑞典Arcam公司开创了EBM 3D打印，通过真空中一层接一层地建立完全致密的金属物体实现高质量的结果。电子束使每一个对象层有多个通道，(首先打印对象层轮廓，然后填满)，通过电磁偏转来回移动。后者使EBM较激光烧结更为精确，因为后者需要依靠机械加工不断复位引导激光束的镜子。除了Arcam，NASA也尝试使用电子束进行增材金属制造，工程师称这项技术为电子束自由或形制造(EBF3)。

EBM加工受限于高价的构建材料(包括几种品质的钛和钴铬合金)，目前这些金属已用于生产航空航天和其他工业专业部门的最终零件，尤其在2006 Adler Ortho Group，意大利的整形外科植入物制造商推出了一个Arcam的3D打印机，其可以制造出获得医学验证的人造髋关节。目前使用的Arcam A2X打印机，用EBM能够构建的最大尺寸为200 mm×200 mm×380 mm。

7)NASA将利用选择性激光熔融(SLM)技术建造下一代火箭。NASA将利用选择性激光熔融(SLM)技术——一种类似于3D打印的技术为建造下一代火箭提供帮助。NASA马歇尔航天飞行中心的科学家和工程师们将采用这种先进技术制造复杂的金属零部件，用于太空发射系统重型运载火箭的建造。

选择性激光熔融技术的工作原理为：利用1台高能激光器，按照设计样式熔凝容器中的金属粉末，使金属粉末一层层地生长，以融凝成需要的零部件，实现复杂的设计。这种工艺过程能生产出由3D计算机辅助设计(CAD)出来的拥有复杂几何形状和精密机械性能的零部件。使用该先进技术将有益于安全，同时可降低制造成本。这项技术极大地降低了制造零件所需的时间，甚至可将制造时间从数月降低至数周，提高了经济效益。由于不再需要把零部件焊接到一起，其结构强度得到提高，使火箭整体更加安全可靠。

NASA目前暂定在2017年第1次太空发射系统飞行试验中，使用由选择性激光熔融技术制造的零部件。

8)欧洲空间局提出将引领3D打印进入金属时代。增材制造是最好的绿色技术，其目标是实现零废料生产，1 kg钛就将形成1 kg的最终产品，这带来的将是巨大的成本节约和能源效率。欧空局正在为利用3D打印技术制造的金属制品铺平道路，在节省大量成本的情况下制造高质量的复杂形状零件。

为了掌控未来，欧空局正在审视5种金属增材制造工艺。他们重点关注利用高科技合金制成的工程零部件，试图利用激光、电子束甚至是等离子来熔化这些高科技合金。欧空局和欧盟委员会已经开始着手一项名为“迈向零废弃物的增材制造和高科技金属产品的高效生产”的项目(AMAZE项目)，涉及整个欧洲地区28个工业合作伙伴，旨在完善金属零部件的空间打印质量。AMAZE项目旨在将第1台3D金属打印机运至国际空间站，使宇航员生产所需工具和新结构产品。AMAZE项目关注的一些材料在3 500 ℃下才能熔化，新型材料也具有很大的可塑性。通过结合钨、铌和铂金等其他昂贵成分，使得高强度和轻型零部件的建造成为可能，且不形成废料。

该项目1/4的试点工厂建在德国、意大利、挪威和英国，每个工厂使用不同的金属3D打印方法。与此同时，欧洲正在为金属3D打印建立一个完整的产业供应链，包括原料合金、打印设备、打印后加工技术、计量和控制软件等。

AMAZE项目的目标之一是能够在24 h内生产出大型金属部件，未来将适合空间和地球上最苛刻的应用。这一项目还设想打印整个卫星，以及利用这一技术完成月球和火星任务。由于没有发射重型有效载荷的需求，空间制造可以节省大量的时间和金钱。

9)Sciaky公司展示尖端直接制造解决方案。2012年，Sciaky公司与美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室合作，在美国防部预先研究计划局(DARPA)的资助下研发先进直接数字化制造(DDM)技术。根据该合同，宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室将建立1个占地557 m2的“创新金属加工-直接数字化沉积(CIMP-3D)”中心，作为世界领先的制造演示工厂为DARPA开放制造计划提供服务。该中心旨在推进和部署DDM技术成为美国国防部和行业制造高度工程化的关键金属系统，重点包括3个主要领域：1)DDM加工设计和优化期间所需的先进一体化技术，保障生产合格部件和结构；2)与行业合作完成DDM技术的开发和过渡，包括工艺选择、演示和验证；3)DDM技术的推广，包括培训、教育和信息宣传。

Sciaky公司将利用其独有的直接制造(DM)工艺支持开放制造计划。该加工工艺结合了添加剂制造原理、计算机辅助设计(CAD)和电子束焊接技术。2013年，Sciaky公司在美国宾夕法尼亚州立大学(PSU)展示了其突破性的直接制造(DM)解决方案。基于添加剂的制造原理，Sciaky公司的DM解决方案是PSU应用研究实验室(ARL)采用的关键技术之一，其目的是生产高品质的金属零部件。Sciaky公司的DM解决方案是唯一的大规模完全可编程的解决方案，可制造近净形零件，材料主要包括钛、钽、铬镍铁合金及其他高价值金属。该解决方案结合了计算机辅助设计(CAD)、Sciaky最先进的电子束焊接技术和添加剂分层处理，所制造的零件尺寸可以达到5.8 m×1.2 m×1.2 m，而沉积速率一般达到3～9 kg/h。

图5-38　NASA测试使用增材制造　技术生产火箭发动机喷嘴

10) NASA马歇尔航天飞行中心3D制造下一代重型火箭复杂金属零部件。NASA马歇尔航天飞行中心采用该技术制造下一代重型火箭复杂金属零部件(见图5-38)，将制造周期从数月缩短至数天。由于减少了焊缝数量，结构强度和可靠性更高，整个火箭更加安全。欧洲宇航防务集团(EADS)也在追赶美国，采用增材制造的第一个卫星结构件已于2011 年进入太空。2012 年，增材制造技术的研究、应用取得若干重大进展。如NASA使用选择性激光熔融技术制造金属零件，并计划将该技术用于制造J-2X 发动机零件等。

NASA格伦研究中心成功为航空喷气发动机-洛克达因公司(Aerojet Rocketdyne)进行了3D打印火箭发动机喷嘴点火试验。通过液氧和氢气火箭喷嘴一系列点火试验，验证了使用选择性激光熔融制造技术设计、制造和试验关键火箭发动机组件的能力。航空喷气发动机-洛克达因公司使用高能激光束熔融优质金属粉末注入三维结构中设计并制造了喷嘴。

火箭发动机喷嘴是火箭生产中最昂贵的组件之一。通过使用金属3D打印技术的工艺，成本能够减少70%以上，并且极大压缩了开发时间。NASA有计划继续推动该技术的发展并扩大应用范围，但上述3D打印组件在2017年前不会被充分应用到飞机测试当中。

11)美国橡树岭国家实验室使用新的3D打印设备推动增材制造发展。欧洲宇航防务集团(EADS)创新工厂和EOS是一家在直接金属激光烧结领域的领先者，其已在空客A320飞机上用增材制造的钛零件取代了铸钢的机舱铰链支架，将金属优化放置在承重的地方，削减了75%的原材料消耗量，使每个坐垫片节省了10 kg原材料，从而减少了生产、运行和寿命周期中的能源使用和废气排放量。

橡树岭国家实验室正在与增材制造设备供应商如Arcam公司合作，将增材制造技术扩大至新的金属，以实现更大零件的制造。新的金属主要包括铬镍铁合金718，该材料是一种用于涡轮叶片中的耐高温合金，但一些最令人兴奋的工作涉及到增强型塑料的打印。目前，3D打印聚合物零件强度较低，可用于管道的非承力部件。该实验室目前已经开发出一种方式，将增强型碳纤维注入原材料中，以实现打印可承力零件。

12) BAE系统公司开发增材制造支撑技术,提高大型金属构件性能。英国BAE系统公司近日对外公布，已开发出可与增材制造系统集成应用的、具有自主知识产权的新型超声波冲击处理(UIT)技术和反馈系统。采用新的技术和系统，能够减少零件变形，提高飞机机翼等大型增材制造结构件的性能。其中，超声波冲击处理系统可以对增材制造过程中的每一层沉积材料进行快速、反复冲击，以降低材料的内应力，改善微观结构，从而减少零部件的扭曲变形；反馈系统通过安装在基板内的压力传感器，对逐层沉积过程中的应力进行检测，并实时反馈给UIT系统，以调整冲击力。目前，UIT技术和反馈系统已经在1 m长金属结构件的增材制造中得到验证，并将进行进一步优化。

5.6.2国内3D打印研发情况

北京航空航天大学、西北工业大学、中航工业625所和北京有色金属研究总院等单位，在上世纪90年代中期开始了金属零件激光熔化沉积增材制造工艺、装备及应用技术研究，并取得国际先进的研究成果。近年来，西安交通大学、华中科技大学、中航工业625所、华南理工大学、北京工业大学、西北有色金属研究院和清华大学等单位，先后开展了金属零件激光及电子束选区熔化精密成形工艺、装备及应用研究并取得突破性进展。总装预研计划、国家自然科学基金委员会、国家“863”计划和国家及国防“973”计划等相关科研计划制造及材料领域，均将金属零件高能束增材制造成形技术作为重点领域予以持续资助。西工大、625所和北航等单位在大型金属零件激光及电子束熔化沉积增材制造工艺、装备及应用技术等研究方面，都做出了国际先进的研究工作。北京航空航天大学、沈阳飞机设计研究所、中航工业第一飞机设计研究院、上海飞机设计研究院、沈阳飞机工业集团公司和西安飞机工业集团公司等单位产学研紧密结合，突破了钛合金、超高强度钢等大型关键构件激光熔化沉积增材制造工艺、装备、标准和应用关键技术，研制生产出30余种钛合金及超高强度钢大型整体关键主承力构件，在 C919 大型客机等多型飞机研制和生产中得到工程应用，解决了多型飞机研制的瓶颈难题，并使我国成为目前世界上唯一实现激光成形钛合金大型整体主承力构件成功装机工程应用的国家。

1)激光成形钛合金大型整体主承力构件。喷气发动机打印件如图5-39所示，大型客机C919零件如图5-40所示。喷气发动机(2 500个零部件)原制造时间为1 a,现采用3D打印技术，仅用6 w就完成了加工制造。

图5-39　喷气发动机打印件

图5-40　大型客机C919零件

2)定制化骨替代物制造如图5-41～图5-43所示。

图5-41　颌骨溶　图5-42　胫骨半关节　图5-43　软骨　解修复　大段骨重建　支架

图5-44　流道变截面零部

3)航天科技集团6院7103厂与华中科技大学制造3D金属零部件如图5-44～图5-46所示。3D用SLM成形零部件的力学性能见表5-3。

图5-45　多层复合　　　图5-46　内外空心螺纹　整体叶轮　流道零部件

材料成形工艺及状态屈服强度Rp0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa伸长率A/%弹性模量E/GPa304SLM成形态519~569651~71331.2~43.6198锻造≥205≥520≥40197316LSLM成形态638~661707~72320.4~29.2194锻造≥241≥586≥540196Incone1718(銦鈷氖)SLM成形态889~9071137~114819.2~25.9204SLM成形热处理态(常温)1102~11611280~135810.8~22208锻造(AMS标准)1030~11671275~140012~21208GH3600SLM成形态607~658681~76012~16205SLM成形热处理态(常温)431~456642~69026~31204锻造(ASME标准)≥240≥550≥30205

3种SLM成形零部件的金相形貌如图5-47、图5-48所示。

图5-47　3种材料试样的断口扫描电镜形貌

图5-48　制造金属零部件的金相形貌

5.6.3增材制造(3D)的应用领域

第1类为非金属模型样件：粘结、烧结。1984年提出，用于新产品设计开发、文化艺术创意。

第2类为非金属生物医学支架：粘结、烧结。1996年提出，用于硬组织/软组织、人体器官的体外或体内培养。

第3类为高性能金属构件：激光(电子、等离子)熔化堆积。1992年提出，用于国防及工业重大装备制造、高性能难加工大型金属构件。

5.6.4增材制造技术中的成形工艺

增材制造技术中的成形工艺见表5-4。

表5-4　增材制造技术中的成形工艺

5.6.5增材制造关键技术和瓶颈

增材制造技术的发展必定会经历从原型件到结构功能件，再到智能零部件制造的过程，无论处于哪一个阶段，其中的一些关键技术是共通的，需要不断去突破。

1)原材料制备技术。除了SLA工艺所用原材料为液态的光敏树脂，其余工艺大都采用丝材和粉末材料，尤以粉末材料居多。常用的光敏树脂主要成分为丙烯酸树脂，光敏树脂的黏度略高，一次固化程度不足，还有一定的毒害性，这些都是需要改进的地方。在粉末材料方面，颗粒形状和粒度分布都有严格要求，金属粉末成分中的含氧量和含碳量也会对成形件性能产生很大影响。雾化法制备金属粉末可以获得粒度分布较均匀的量产球形粉，市场上已普遍使用，实验室内还常用机械粉碎法和旋转电极法来制造金属粉末。

2)材料成形控制技术。制造的实质是控性控型。增材制造实质上是一个积少成多、化零为整的制造过程，在此过程中，原材料之间的结合是关键，在此过程中通常会发生一系列的物理和化学变化。所以，如何控制成形过程中温度的分布是金属材料增材制造的一大关键技术。

3) 高效制造分层技术。成形件的大尺寸和高精度问题一直是增材制造业内2个重要的技术突破方向，要做到两者兼得是目前的技术瓶颈。如何提升光学部件的精度或实现多光束同步控制是一个发展方向。此外，增材制造与一般的涂层技术有所区别，它是在涂层上面再添加涂层，可称之为“再涂层技术"。每一层的厚度、平整度以及层与层间的接合程度都直接影响成形件的稳定性和精度，这些都需要通过调整设备和工艺参数来完善。

4) 制造过程中的支撑技术。因为重力场的存在，一些形状复杂的成形件需要支撑结构，支撑部分在后期处理中需要去除，所以如何设计是一门学问。通常是在保证成形件制造过程中不失效的前提下，采用的支撑材料越少越好，例如设计成多孔结构。在金属材料增材制造技术中，支撑部分还会影响到整个部件的内应力分布，设计不当可能会发生成形件翘曲变形的现象。

5) 软件编程技术。个性化定制是增材制造技术的一大特点，但要用到工业生产，仍然需要考虑如何控制每个零件的质量达标，即生产质量的稳定性。在前面已述及的硬件条件外，另一核心技术就是软件编程。国外的一些设备都会附有部分材料的工艺参数包，基本不需要任何编程，可以保证成形过程的稳定性，国内设备在这方面还有待提高。其它的研究工作主要是如何依靠软件技术来实现任意结构、任意材料的预成形模拟，从而提升关键零部件的制造成功率。

增材制造经过20多年的发展，取得了一定进步，但是大部分设计是借用传统制造图样来制造，创新设计滞后。只有将过去传统产品设计、零部件集成优化，即在满足产品性能和功能的基础上，将传统的几十个甚至上百个零件设计成为一个部件，这样才能克服材料昂贵和价格高的弱势，提高市场占有率。

(完)