伴隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，特別是金屬3D打印技術(shù)近年來取得的進(jìn)展，增材制造技術(shù)的應(yīng)用已不僅僅局限于快速響應(yīng)產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造談到增材制造技術(shù)(俗稱3D打印技術(shù))估計(jì)很多人并不陌生，但是說到增材制造技術(shù)的應(yīng)用，可能大部分人還只停在以下兩個(gè)階段：1)原型制造，即通過樹脂、塑料等非金屬材料打印的概念原型與功能原型。其中概念原型用于展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體概念、立體形態(tài)和布局安排，功能原型則用于優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，促進(jìn)新產(chǎn)品的開發(fā)，如檢查產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬裝配、裝配干涉檢驗(yàn)等。2)間接制造，即通過3D打印技術(shù)完成工、模具制造，再采用3D打印工模具進(jìn)行零件的制造。
殊不知，伴隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，特別是金屬3D打印技術(shù)近年來取得的進(jìn)展，增材制造技術(shù)的應(yīng)用已不僅僅局限于快速響應(yīng)產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造。當(dāng)前，通過金屬增材制造技術(shù)制造的金屬材料零部件越來越多的被成功應(yīng)用于航空航天，國(guó)防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具等領(lǐng)域。
可以說，金屬增材制造技術(shù)在制造行業(yè)具有更廣闊的應(yīng)用舞臺(tái)，是增材制造領(lǐng)域?qū)χ圃鞓I(yè)來說最有應(yīng)用價(jià)值的先進(jìn)制造技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1.成形傳統(tǒng)工藝制造難度大的零件
在制造領(lǐng)域，有些零部件形狀復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)，應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術(shù)則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢(shì)。
一個(gè)典型的應(yīng)用就是模具行業(yè)隨形冷卻金屬模具的制造。金屬模具冷卻系統(tǒng)是設(shè)計(jì)模具工程之一，傳統(tǒng)的模具冷卻系統(tǒng)是以直線的水路設(shè)計(jì)為主，制作較簡(jiǎn)易，但需要的散熱時(shí)間較長(zhǎng)，直接影響了脫模時(shí)間、制品質(zhì)量、制品外觀等。設(shè)計(jì)者通過軟件分析模具與水路的散熱情形，設(shè)計(jì)出了異型水路，但是受到既有加工技術(shù)的限制，使得異型水路設(shè)計(jì)只能停留在理論階段。金屬增材制造技術(shù)出現(xiàn)后，使這些問題獲得了突破性改善。據(jù)悉，通過金屬3D打印的異型水路模具設(shè)計(jì)時(shí)間減少了75%、制造端人力節(jié)省了50%、射出模具生產(chǎn)周期縮短了14%、制造費(fèi)用降低了16%等。
傳統(tǒng)的冷卻金屬模具與隨形冷卻金屬模具對(duì)比
另外，江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院通過金屬增材制造SLM工藝，成功制造出了原本只有英國(guó)Heatri一家公司才能生產(chǎn)出來的印刷版式LNG汽化器，而且采用增材制造技術(shù)制備的船用LNG汽化器能夠完全滿足超高壓、超低溫的運(yùn)行條件，制造成本和周期也大幅減少。還包括剛剛首飛成功的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919，在北航、西安鉑力特等院企的攻克下，通過金屬增材制造技術(shù)成功研制出了鈦合金主風(fēng)擋整體窗框、起落架整體支撐框、中央翼緣條等關(guān)鍵部件，有效避免了從國(guó)外采購，大大提高了C919的國(guó)產(chǎn)化率。
2.制備高成本材料零件
金屬材料是制造領(lǐng)域必不可少的重要材料，但是在實(shí)際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長(zhǎng)等。金屬增材制造技術(shù)所采用的激光、電子等高能束密度高，速度快，極大的改善了金屬材料的加工難度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用最早和最廣泛的航空航天行業(yè)為例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于10%，有時(shí)甚至于僅為2%-5%，大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑。
美國(guó)最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司之一普惠公司應(yīng)用增材制造技術(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結(jié)果顯示：不但獲得了與當(dāng)前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造精度;而且原材料消耗降低了50%，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的BTF比(原材料質(zhì)量與部件最終質(zhì)量之比)從傳統(tǒng)工藝的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的質(zhì)量和降低了制造成本。
3.快速成形小批量非標(biāo)件
3D打印非常適合個(gè)性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。當(dāng)前，金屬增材制造的個(gè)性化制造在醫(yī)療器械的應(yīng)用極為突出，一方面用于打印具有個(gè)性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這些植入物通過3D打印技術(shù)的精確控制，有效實(shí)現(xiàn)外在輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同步重建，以滿足其與患者局部解剖結(jié)構(gòu)的高度匹配，其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料，打印出來的多孔結(jié)構(gòu)植入物，可以更好的與人體組織結(jié)合。另一方面，金屬增材制造技術(shù)還可用于為病人量身定做植入手術(shù)所需的精密部件，例如華南理工大學(xué)利用激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)已成功研制了外科手術(shù)所需的個(gè)性化輔助導(dǎo)板。
金屬3D打印個(gè)性化醫(yī)療器械
個(gè)性化、小批量生產(chǎn)已經(jīng)成為當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，金屬3D打印擺脫了模具制造這一關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，可以隨時(shí)調(diào)整參數(shù)，以更低的成本更短的周期進(jìn)行小批量甚至單件產(chǎn)品的生產(chǎn)。除了醫(yī)療器械行業(yè)，在其他行業(yè)也極具應(yīng)用潛力。
4.高性能成形修復(fù)受損零件
高成本零件的成形修復(fù)也是金屬增材制造技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)。過去，對(duì)于受損零部件只能做表面的涂層修復(fù)，并且維修工序步驟繁多，還涉及到一些額外的步驟如加工、拋光、測(cè)試等，同時(shí)還受維修時(shí)限條件的制約，耗時(shí)較長(zhǎng);而對(duì)于損傷稍嚴(yán)重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術(shù)則可以對(duì)任意缺失或損環(huán)的部分進(jìn)行快速成形和修復(fù)。
例如航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬3D打印技術(shù)，可以用同一材料將缺損部位修補(bǔ)成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大延長(zhǎng)了使用壽命，降低了成本，減少了停機(jī)時(shí)間。
德國(guó)MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司整體葉盤激光修復(fù)過程流程
其實(shí)除了航空航天領(lǐng)域外，機(jī)械、能源、船舶、模具等行業(yè)也對(duì)大型裝備的高性能快速修復(fù)提出了迫切需求。據(jù)悉，西門子公司計(jì)劃從2014年開始采用金屬3D打印技術(shù)制造和修復(fù)燃?xì)廨啓C(jī)的某些金屬零部件，并稱在某些情況下，通過3D打印技術(shù)可以把對(duì)渦輪燃燒器的修理時(shí)間從44周縮減為4周。
5.異質(zhì)材料的組合制造
對(duì)于傳統(tǒng)制造方式(鑄造、鍛造等)來講，將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難，但是增材制造技術(shù)有能力使不同原材料進(jìn)行組合制造。金屬增材制造LSF技術(shù)可以在通過鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的零件上任意添加同/異質(zhì)材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。因此，針對(duì)部分工業(yè)零件適當(dāng)利用增材制造技術(shù)進(jìn)行組合制造，不同的結(jié)構(gòu)部位采用不同類別的金屬材料，不僅大大提高結(jié)構(gòu)件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時(shí)，也把增材制造技術(shù)成型復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)制造技術(shù)高精度本的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，形成了最佳的制造策略。
組合制造
6.結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化制造
增材制造技術(shù)快速自由成型的特點(diǎn)，給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來了無限的創(chuàng)新空間，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)提供了有效的制造途徑。特別是當(dāng)前應(yīng)用得比較多的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)模式不同，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的創(chuàng)新模型是在滿足設(shè)計(jì)約束下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是優(yōu)化后創(chuàng)新模型結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可制造性差，因此在設(shè)計(jì)階段不得不引入制造性約束，以滿足傳統(tǒng)加工制造工藝的要求。往往這樣得到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是犧牲掉了其在輕量化和高性能上的優(yōu)勢(shì)。而金屬增材制造技術(shù)則可以使這些經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實(shí)現(xiàn)制造。
例如空客A320飛機(jī)的大尺寸“仿生”機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)是通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，金屬3D打印制造而成，材料是采用的超強(qiáng)且輕質(zhì)合金材料Scalmalloy。A320全新的機(jī)艙設(shè)計(jì)與原有的隔離結(jié)構(gòu)相比，新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由幾個(gè)不同的部件組成，不僅強(qiáng)度更高，而且將其總量減輕了45%。
另外，GE采用增材制造技術(shù)制造的Leap噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬燃料噴嘴，是通過長(zhǎng)達(dá)10多年的探索通過不斷的優(yōu)化、測(cè)試、再優(yōu)化，才達(dá)到零件數(shù)量從20多個(gè)減少到了一個(gè)。這樣造出的燃油噴嘴不僅重量更輕，而且改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，將噴油嘴的使用壽命提高了5倍;另外，減少組裝也提升了噴嘴的穩(wěn)定性，并為公司降低了物流、組裝、焊接等方面的成本。
GE的Leap噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬燃料噴嘴
后記
增材制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)的制造方式，為復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)功能件的直接制造提供了新思路，對(duì)于制造業(yè)而言有著廣闊的應(yīng)用前景。未來金屬3D打印機(jī)將會(huì)越來越多的取代部分傳統(tǒng)加工制造設(shè)備，但是增材制造技術(shù)也有其缺陷與不足，并不能完全取代減材制造，而是并列互補(bǔ)的關(guān)系。
當(dāng)前，大部分的制造企業(yè)對(duì)于增材制造，特別是金屬增材制造還只停留在觀望的階段，或者僅僅應(yīng)用于新產(chǎn)品的快速開發(fā)諸如原型看樣、對(duì)設(shè)計(jì)裝配進(jìn)行驗(yàn)證以及非金屬模具成形等方面。筆者希望通過以上金屬增材制造應(yīng)用場(chǎng)景的總結(jié)，為企業(yè)進(jìn)一步推進(jìn)此技術(shù)帶來啟發(fā)，找到增材制造與傳統(tǒng)制造方式的契合點(diǎn)，并有效的嵌入到現(xiàn)有的生產(chǎn)模式中。
轉(zhuǎn)自：中國(guó)機(jī)電網(wǎng)
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