增材製造是以數字模型為基礎，將材料逐（zhú）層堆積製造出實體物品的新興製造技術，體現了信息網絡技術與先進材料技術、數字製造技術（shù）的密切結合（hé），是（shì）先進製造（zào）業的重要組成部分。

 

為落實國務院關於發展（zhǎn）戰略性新興產業（yè）的決策部（bù）署，搶抓新一輪科技革命和產業變革的重大機遇，加快推進我國增材製造（又稱“3D打印”）產業健康有序發展，工信部、科技部提出了促進（jìn）產業發展（zhǎn）的措施，製定（dìng）了國（guó）家“增材製造產（chǎn）業發（fā）展推進計劃（2015-2016年）”推進計（jì）劃，其中對於金（jīn）屬材料增（zēng）材製造工藝技（jì）術製定了具體方案和規劃，包括激光（guāng）選區熔化（SLM）、激光近（jìn）淨成形（LENS）、電子束選區熔化（EBSM）和電子（zǐ）束熔絲沉積（EBDM）。

 

目前，金屬（shǔ）材料增材製造技術已經廣泛應用於航空航天複雜金（jīn）屬構（gòu）件、醫用植入（rù）物、金屬牙（yá）冠、航（háng）空航天大型金屬構件等領（lǐng）域，經過多年的發展技（jì）術相對成（chéng）熟，對於製造業創新提升具有重（chóng）要（yào）作用（yòng），因此成為各國重點規劃領域。

 

 

我國造出世界最大金屬零件高精度激光3D打印裝備

 

4月，由武漢光（guāng）電國家實驗（yàn）室完成的“大（dà）型金屬（shǔ）零件高效激（jī）光（guāng）選（xuǎn）區熔化增材製（zhì）造關鍵（jiàn）技術與裝備（俗稱激（jī）光3D打印技術（shù））”順利通過（guò）了湖北省科技廳成果鑒定。深度融合（hé）了信息技術（shù）和製造技術（shù）等特征的激光3D打印技術，由4台激光器同時掃描，為目前世界上效率（lǜ）和尺寸最大（dà）的高精度金屬零件激光（guāng）3D打印裝備。該裝（zhuāng）備攻克了多重技術難題，解決了航空航天複雜精密金屬零件（jiàn）在材料結構功（gōng）能一體（tǐ）化及減重等“卡脖子”關鍵技術難題，實現（xiàn）了複雜金屬零件的（de）高精度成形（xíng）、提（tí）高成形效（xiào）率、縮短裝（zhuāng）備研製周期等目的。

 

隨著航空航（háng）天裝備不斷向輕（qīng）量化、高可靠性、長壽命、低成本方向發展，一些關鍵金屬零件（jiàn）複雜（zá）程度越來越（yuè）高，製造周期要求越來越（yuè）短，使得我國現有製造技術麵臨係列共性難題，如（rú）複雜薄（báo）壁精密零（líng）件結構-性能一體化製造技術，航空航天發動機葉片、渦輪等複雜精密零件的（de）成（chéng）形技術等，嚴重製（zhì）約了航空航（háng）天裝備技術水平的提（tí）高。

 

金屬零件的激光3D打印技（jì）術是各種3D打印技術中難度係數最大（dà）也最受國內外關注的方向之一。其中基於自動鋪粉的激光選區熔（róng）化成形技術（Selective Laser Melting，SLM），主要特點是加工精度高、後續（xù）幾乎不需要機械加工，可以製造各種複雜精（jīng）密金（jīn）屬零件，實現結構功能一體（tǐ）化、輕（qīng）量化（huà），在航空航天領域（yù）有廣泛的應用需求。但（dàn）是，成形效率低、成形尺寸有限是該類技術（shù）的發展瓶頸。此前，我國在SLM技術領域與國際先進水平相比有較大差距，大部分裝（zhuāng）備依（yī）賴進口。

 

華中科技（jì）大學武漢光電國家實驗室教授曾（céng）曉雁領導的激光先進製造研究（jiū）團隊（duì），在國家863和自然科學（xué）基金項目等資（zī）助下，經過十年的長（zhǎng）期努力（lì），在SLM成形理論、工藝和裝備等諸多方麵取得了重要成果，特別是突破了SLM成形難以高效製備大尺（chǐ）寸金屬零件等瓶頸。

 

項目率先在國際上提出並研製出成形體積為500×500×530mm3的（de）4光束大尺寸SLM增材製（zhì）造裝備，它由（yóu）4台500W光纖激光器、4台振鏡分區同時掃描成形，成形（xíng）效率和尺寸（cùn）迄（qì）今為止同類設備中世界最大。而此前，該裝備最多使用兩（liǎng）台光纖激光器，成形效率低。項目攻克了多光束無縫拚接、4象限（xiàn）加工重合區製造質量控製等眾（zhòng）多技術難題，實現了大型（xíng）複雜金屬零件的高效率（lǜ）、高精（jīng）度、高性能成形。先後自（zì）主研製出SLM係列多種裝（zhuāng）備，並采用國產的鈦合金、不鏽鋼、高（gāo）溫合金、鋁合金、鎂合金粉末，實現了各種複雜（zá）精密（mì）零（líng）件的成形，其關鍵技術指標與國外水平相當。首次在SLM裝備中引入雙向鋪粉技術，其成形效率高出同（tóng）類裝備的20-40%，標誌著我國自主研製的SLM成形技術與裝備達到了國際先進水平。已經有45種零件在20餘種航天型號研製中得到應用，先後（hòu）為（wéi）航（háng）天發動機、運載火箭、衛星及導彈等裝備中6種型號20餘種產品進行（háng）了樣件（jiàn）研製，5種產品通過了熱試車，其中4種產（chǎn）品已經定型（xíng）。先後有（yǒu）多台SLM裝備被航天科（kē）技（jì）集團三大總體研究院用於航天零件的研製與批產，所研製的零件不僅大大（dà）縮短（duǎn）了產品的研製周（zhōu）期，簡化了工序，更重要的（de）是將結構-功能一體化，獲得性能優良的、輕質的零件。

 

SLM技術成形精度（dù）高、性能好、且不需要工模具，屬於（yú）典型的數字化過程，目前在複雜精密金屬零件的成形（xíng）中具有不可替代性，在精密機械、能源、電（diàn）子、石油化工、交通運輸（shū）等幾乎所有的高端製造（zào）領（lǐng）域都具（jù）有廣闊的工業應用前景。

 

選擇（zé）性激光熔化（huà）技術的發展趨勢

 

目前我國（guó）正在大力發展飛（fēi）機製造業，選擇性激光熔化（huà）技術在飛（fēi）機零件製造上具有不可比擬的優勢，不僅可（kě）以快速地生產出小（xiǎo）批量飛機零件，而且（qiě）在產品開發階段可大大縮短樣件加工時間，節省大（dà）量開發費用（yòng）。

 

通過以上的分析，SLM技術（shù）的優點總結如下：

 

（1）能將CAD模型直接（jiē）製成終端金屬產品，隻需要簡單的後（hòu）處（chù）理或表（biǎo）麵處理工藝。

 

（2）適合各種複雜形（xíng）狀的工件，尤其適（shì）合內部有複雜異型結構（如空腔（qiāng）、三維（wéi）網格）、用傳統機械（xiè）加工方法無法製造的複雜工件。

 

（3）能得到具有非平衡態過飽和固溶體及均勻細小金相組織的實（shí）體，致密度幾乎能達到100％，SLM零件機械性能與鍛造工藝所得相當。

 

（4）使用具有高（gāo）功率密度的激（jī）光器，以（yǐ）光斑很小的激光束加工金屬，使（shǐ）得加（jiā）工出來的金（jīn）屬零件具有很高的尺寸（cùn）精度（達0．1mm）以及很好的表麵粗糙度值（Ra=30 u m～50um）。

 

（5）由於激光光斑直徑很小（xiǎo），因此能（néng）以較低（dī）的功率熔化高熔點金（jīn）屬，使得用單一成分（fèn）的金屬粉末（mò）來（lái）製造零件成為可能，而且可（kě）供選用的金屬粉末（mò）種類也大大拓展了。

 

（6）能采用鈦粉、鎳基高溫合金粉加工解決在航空（kōng）航天中應用廣泛的、組織均勻的高溫合金零件複雜件加工難的問題；還能解決生物醫學上（shàng）組分（fèn）連續變化的梯度（dù）功能材料的加（jiā）工問題。

 

由於SLM技術具有以上優點，它具有廣（guǎng）闊的應用前景和廣泛（fàn）的應用範圍，如機械領域的工具及（jí）模具（微（wēi）製造零件、微器件（jiàn）、工具插件、模（mó）具等）、生物醫療領域的生物植入零件或替代零件（齒、脊椎骨等）、電子領域的散熱（rè）器件、航空航天領（lǐng）域的超輕結構件以及梯度功能（néng）複（fù）合材料零件（jiàn）等。

 

特別是在航空航（háng）天領域，應用（yòng）較多的（de）是典型的多品種小批量生產過程，尤其是在其研發階段，SLM技術具有不可比擬的優勢。有些複雜的工件，采用機加工不但浪費時間（jiān），而且嚴重浪費材料，一些複（fù）雜結構（gòu）甚至無（wú）法製造；鑄造能解（jiě）決複雜結構的製造（zào）問題並提高材料利用率，但鈦和鎳（niè）等特殊材料的鑄造工藝（yì）非常複雜，製件（jiàn）性能難以控製；鍛造可有效提高製件性能，但需要昂貴的精密（mì）模具和大型的專用裝（zhuāng）備（bèi），製造（zào）成本很高。而（ér）采用SLM方法則可以很（hěn）方便、快捷地製造出這些複雜工件，在產品（pǐn）開發階（jiē）段可以大大縮短樣件的加工生產時間，節省（shěng）大量的開發費用。我國正（zhèng）在全力推進大飛機的研發工作，SLM技術將可以（yǐ）在其中發揮巨大的作用。

 

可以說，SLM技術代表了快速製（zhì）造領域的（de）發展方向，運用該（gāi）技（jì）術能（néng）直接成型高複雜（zá）結（jié）構、高尺寸精度、高（gāo）表麵質量的致密金屬（shǔ）零件，減（jiǎn）少製造金（jīn）屬零件的（de）工藝過程，為產品的設計、生產（chǎn）提供更加快捷的途徑，進而加（jiā）快產品的市場響應（yīng）速度，更新（xīn）產品的（de）設計理念和生產周期。SLM技（jì）術在未來將會得（dé）到更好、更快的發展（zhǎn）。但是，由於巨大的市場價值與商業機密，目前SLM技術的發展與推廣還存在一些問題。主要是SLM設備（bèi）十分昂貴，工作效率低；並且由於（yú）大工作台範圍內的預熱溫度場難以控製，工（gōng）藝軟件不完善（shàn），製件（jiàn）翹曲變形大，因而無法直接（jiē）製作大尺寸零（líng）件，目（mù）前還隻（zhī）能製作一些尺寸較小的工（gōng）件。隻有解（jiě）決以上問題，研發（fā）出（chū）可（kě）靠性和技術指標達到國際先進水平、價格低廉、具有自（zì）主知識產權的（de）SLM設備、成型材料和配套的工藝路線等，才能在我國推廣這項技術。