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增材制造的现状、技术瓶颈和产业前景

供稿:中国工控网 2016/9/28 16:55:40

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  增材制造技术(又称3D打印技术)出现于20世纪80年代,最早用于原形制造,呈现外观结构。这种制造方法的核心源于高等数学中微积分的概念,用趋于无穷多个截面的叠加构成三维实体。增材制造技术集信息技术、材料技术、激光技术、精密器械等于一体,是一个横跨众多学科的技术领域。
  它不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,只需利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决了许多过去复杂结构零件难以成形的问题,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。根据材料成形原理的不同,可以将增材制造技术分为以下几种工艺(见表1):光固化式(SLA)、激光烧结式(SLS)、分层实体式(LOM)、熔融沉积式(FDM)和激光熔化式(SLM)。
  1 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,但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。
  1.1 原材料制备技术
  现阶段,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。
  1.2 材料成形控制技术
  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。在SLA工艺中,光源照射液态树脂后会引发活性基团的聚合、交联和接枝反应,反应十分灵敏,最终使树脂变成固态。金属材料的成形是一个快速熔化和凝固的过程,过程中熔区的温度梯度很大,已成形部分存在较大热应力,随时可能出现孔洞、缝隙和开裂的现象。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。
  1.3 高效制造技术
  成形件的大尺寸和高精度问题一直是增材制造业内两个重要的技术突破方向,但事实上要做到两者兼得并非容易。目前,市场上的铺粉设备工作平台一般都不大,主要原因在于光束经过振镜后只能精确控制在一定区域内形成能量密度均匀分布的光斑,所以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结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。
  1.4 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。
  1.5 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。在前已述及的硬件条件外,另一核一IL、,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。
  目前在这些关键技术中,主要还存在如下技术瓶颈有待解决和突破。
  (1)成形材料主要依赖设备制造厂供应,适用的成形材料范围很有限,受制于设备厂商,难于适应市场的迫切需求。
  (2)成形材料的局限性导致难于成形真实可用的功能构件,从而使成形设备难于成为生产机械,市场需求量大大缩水。近两年成形金属功能部件在军工、航空航天领域的应用已取得较大发展,但成形材料类型有待进一步拓宽,尤其国产材料需加快开发。
  (3)成形件的尺寸精度和表面品质存在比较明显的差距,难于与CNC机加工相媲美。
  (4)快速成形机的制造成本和成形用的耗材成本居高不下,推广应用大打折扣。增材制造中关键技术的发展能够进一步节省零件的制造时间和生产成本,必将带动增材制造技术在各行各业中的全面应用。例如,针对复杂结构可以进行一体化制造,如图1(a)所示;通过优化设计后采用增材制造的方法,可以实现零件的轻量化,如图1(b)所示;针对部分工业零件可以适当利用增材制造技术进行组合制造,如图1(c)所示;快速修复出现损伤的零部件,如图1(d)所示。
  2 增材制造的产业链
  增材制造产业链十分庞大,覆盖整个制造业,从结构上可以分为上游产业、中游产业和下游产业,如图2所示。
  2.1 上游产业
  它主要是指3D打印前处理模块产业,以3D模型设计软件公司和3D模型扫描设备公司为主。3D模型设计软件公司的主要代表有因Pro/E三维设计软件(后更名为Creo)而闻名的美国参数技术公司(PTC)和主营产品为UG的德国西门子自动化与驱动集团(A&D)。3D模型扫描设备公司的典型代表有主要产品为便携式3D扫描仪的加拿大Creaform公司和非接触式激光扫描器制造经销商美国3D Digital公司。
  2.2 中游产业
  它主要由增材制造装备生产商和增材制造材料生产商两类公司构成,目前这两类公司主要集中在美国和欧洲,代表了3D打印技术的最高水平。
  增材制造装备生产商主要有:美国3D systems公司,也是全球最大、成立最早的增材制造装备生产公司,其专利技术保证了它在全球增材制造装备市场中占有稳定的份额;美国Stratasys公司,全球第二大增材制造装备生产公司,其三维打印机产品种类丰富,覆盖生产制造各个流程;德国EOSGmbH公司,全球领先的SLS/SLM生产公司,主要产品包括烧结塑料粉材的SLS系统成形机、烧结金属粉材的SLM系统成形机;德国的Concept Laser公司在激光熔化(LaserCusing)技术领域处于领先地位,该公司拥有LaserCusing技术专利,主要产品是x系列1000R工业级3D打印平台,该产品的构建尺寸在激光融熔金属3D打印领域中是最大的,可用于汽车和航空工业大尺寸部件的快速制造。
  此外还有一些专业增材制造材料生产商,如:美国Huntsman Corporation公司,主要生产sLA成形材料;瑞典Sandvik集团,其金属粉末材料产品在增材制造金属粉末全球市场,尤其是在中国市场,已被广泛应用于工业装备制造、航空航天等重要领域;加拿大Raymor公司,通过独特的等离子雾化工艺,制备出金属球型钛粉和钛合金粉末,适用于激光沉积、快速成型、热等静压、涂层等。
  在现有可用材料体系方面,以LENS式激光熔覆成形件所用金属材料为例介绍如下。
  2.2.1 铁基合金
  铁基合金主要包括:不锈钢(316SS、304SS、420SS等)和模具钢(H13、P20等)。
  激光熔覆316SS不锈钢的成形件可接近或超过相同成分锻件的性能,而且有优良的耐蚀性。激光熔覆420SS不锈钢件的耐蚀性比常规锻造420SS不锈钢件提高30%,因而能显著提高用这种工艺成形的注塑模的寿命。
  激光熔覆热作模具钢H13的成形件,其力学性能优于同等硬度的锻造H13工件。
  2.2.2 镍基高温合金
  镍基高温合金主要包括:N600、N625、N690、N7137 N738、Haynesl88,Haynes230、 CMSX一4、Renel42、ReneN5等。
  激光熔覆镍基高温合金件的组织细密,有定向凝固的特征,性能优异。例如,激光熔覆N625的成形件其力学性能优于铸造合金工件,接近锻件水平。
  2.2.3 钛基高温合金
  钛基高温合金主要包括:Ti6A14V、Ti6A12v4zrl5Mo、Ti25V 15Cr2A10.2C、Ti22A123Nb等。
  在国内方面,技术水平相对薄弱,产业规模不大,仅有一些拥有技术基础的企业在进行增材制造设备、材料生产以及增材制造服务方面开展工作,例如陕西恒通、江苏永年、西安铂力特、无锡银邦等。
  2.3 下游产业
  主要是指运用增材制造技术的服务商和客户群体。一般而言,国外装备生产商都能够提供加工服务,但都不作为其主营业务。相反,国内一些设备代理商,因为无法推销出设备而进入了服务领域。增材制造技术实质上是一种加工技术,如同机床一样最终会全面渗透到各行各业,一些企业已经购置了设备进行研发和生产工作,所涉领域包括汽车、电子、能源、生命科学、航空航天、国防制造等在内的多个重要领域。
  3 增材制造的应用领域
  近20年来,增材制造技术发展成熟,在设计方面已有突出的贡献。目前,美国和欧洲知名龙头企业正不断收购中小企业,开发新材料、新工艺,发展零部件的快速制造技术。而在国内,几所高校和相关企业也在进行材料、工艺和设备的研究生产,成果已部分产业化,应用范围已覆盖航空航天、汽车、生物医疗和装备制造等各个重要领域,如图3所示。
  3.1 航空航天领域
  西安铂力特公司作为国内金属增材制造企业的典型企业代表,在金属增材制造和修复方面已经有了一定的成果。在制造方面,以Ti64材料利用激光立体成形技术为某大型飞机打印了一个长达3m多的零件(如图4所示),该零件整体性能优于传统锻造件,且各部位性能指标稳定,强度保持在920—950 MPa之间,延伸率处于16%~18%范围内,最关键之处是在330 MPa的载荷条件下,其疲劳寿命超过10s h,相比于传统锻造件的1.9×10s h有较大的提升;而在修复方面,修复后零件性能几乎堪比新品性能。
  中航工业北京航空制造工程研究所自“十五”开始,开展了激光直接沉积工艺研究及工程应用关键技术攻关,已对某型号航空发动机钛合金斜流整体叶轮损伤部位进行了修复(如图5所示),并顺利通过试车考核。中国航天八院正在建设3D打印车间及测试实验室,并开展航空功能件的增材制造。中国商飞也投入千万资金,使用EOS公司的设备,进行增材制造航空精密零件。
  采用3D打印制造的燃机涡轮发动机零件及燃烧室,采用钴铬合金和镍基合金材料。可见,航空航天领域内企业对增材制造技术充满信心,随着技术的进一步提升,未来的应用范围还将会大大拓展。
  3.2 汽车领域
  增材制造在汽车领域的技术要求没有像航空航天领域那么苛刻,市场前景更为宽阔,从模型设计,到复杂模具的制造加工,再到复杂零部件的轻量化直接成形,增材制造技术正在深入到汽车领域的方方面面。如以特殊栅格结构为支撑体且具有复杂内通道的液压系统功能歧路箱,以及具有复杂薄壁结构的F1赛车进气歧管的一体化成形部件。
  3.3 生物医疗领域
  在生物医疗行业飞速发展的今天,生物增材制造技术不可避免地受到越来越多的关注和研究。依据材料的发展及生物学性能,可以将生物增材制造技术分为三个应用层次:一是医疗模型和体外医疗器械的制造,主要应用增材制造技术设计、制造三维模型或体外医疗器械,如3D打印胎儿模型、假肢等;二是永久植入物的制造,主要应用增材制造技术来制造永久植入物,比如为患者打印牙齿或下颌(如图9所示)等;三是细胞组织打印,主要应用增材制造技术来构建体外生物结构体,如肾脏、人耳等,但目前尚处于实验室研究阶段。
  3.4 装备制造工业领域
  在传统加工方式十分成熟的工业装备制造领域,增材制造技术的出现无疑带来了一种新型的加工方式,充分利用增材制造技术的优势,可以有效地增强工业装备制造水平。因此,各大企业都在积极开展工作,力争尽快将增材制造技术应用于工业装备实际生产之中。
  GE公司在2012年11月收购了名为MorrisTechnologies的一家3D打印公司,用来打印飞机引擎中的零部件。据报道,石油和天然气部门计划于今年下半年试验用3D打印技术制造燃气涡轮机的金属燃料喷嘴,这将是迈向使用3D打印技术大规模制造零部件的重要一步。
  三菱电机公司已采用增材制造技术实施部分汽轮机末端叶片的生产工作,此外,该公司的子公司MC机床系统公司与日本Matsuura公司合作开发出了世界上唯一的一台将熔融金属激光烧结技术和高速铣削技术集为一体的LUMEX Avance一25金属激光烧结混合铣床,用于制作具有随形冷却水道的模具。
  西门子公司也计划采用金属3D打印技术制造和修复燃气轮机的某些金属零部件,例如在某些情况下,通过3D打印技术可以把对涡轮燃烧器的修理时间从44周缩减为4周。
  在增材制造应用推广方面,笔者认为,简单的采用增材制造替代现有的铸造锻造制作同样的部件,市场较为有限。假如能从零部件设计阶段介入,优化复杂精密零部件的设计,实现轻量化,并能缩短制造周期和成本,提升部件综合性能,进而带来整个产品的升级换代,这将充分发挥增材制造对整个制造业带来的推动作用,体现出其价值和效益。
  4 增材制造的市场前景
  增材制造市场产业链的不断完善和壮大,促进了增材制造市场的进一步发展。根据Wohlers Re—port最新报告,2013年全球增材制造产品和服务市场增长率达到了34.9%,具体金额为30.7亿美元,这是增材制造行业最近17年来增长速度最高的一年。而在过去26年的平均年增长率为27%,最近三年的年复合增长率为32.3%。报告预测,未来5~10年,增材制造行业仍将以年均20%以上的速度增长。到2015年,增材制造总产值将达到40亿美元,2017年将达到60亿美元,2021年将达到108亿美元。可见,增长制造行业有着很大的生存和发展空间。
  但是,增材制造技术发展时间尚短,现阶段仍然处于成长过程中,不够成熟,技术本身还存有很大的局限性。首先,成形材料相对于工业生产材料来说范围太有限;其次,增材制造与塑料注射机等成熟的大批量成形技术相比,生产成本过高,而与传统切削加工技术相比,产品的尺寸精度和表面质量存在较大差距;再者,快速成形机的制造成本和成形用的耗材成本居高不下,推广应用较困难。
  在国内,开始重视增材制造技术的时间相对较晚,特别是装备和材料方面与国外存在较大差距。因此,需要加大力度发展增材制造技术,特别是金属增材制造方面的研究。未来3年是我国该技术发展的关键时期,我国的增材制造总产值将有望达到上百亿元人民币,为了实现这一目标,我国将启动至少10个3D打印创新中心,发展500家传统企业进入3D打印技术产业联盟。在2013~2014年间,3D打印先后人选了国家863计划、国家重点基础研究发展计划,这充分说明了国家对3D打印的重视程度。3D打印是一场制造技术的革命,是世界制造业、更是中国制造业升级的重要一环。
  5 结束语
  增材制造技术,有着制造周期短、操作简便、材料利用率高以及设计制造成本低等许多优点,它能够有效地弥补传统减材制造技术的不足之处,但不能说增材制造可以替代减材制造,应该认识到增材制造是减材制造的有力补充,在某些应用领域有其独特的优势。增材制造技术正渗入到各个制造领域,悄悄地带动整个制造业的变革。中国是制造大国,制造能力过剩,但设计研发能力不足,而增材制造技术正是辅助和加速设计与研发的手段。因此,我们应该更加重视增材制造这一技术,投入科研力量并大力推广产业化,提升工业领域产品开发水平,推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变。

审核编辑(王静)
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