增（zēng）材製（zhì）造是以數字（zì）模型為基礎，將材料（liào）逐層堆積（jī）製造出實（shí）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（zhì）造技術的密切結合，是（shì）先進製造業的重要組成部（bù）分。

 

為落（luò）實國務（wù）院關於發展戰略性新興產業的決策部署，搶抓新一輪科技革命和產業（yè）變革的重大機遇，加快推（tuī）進我國增材製造（又稱“3D打（dǎ）印”）產（chǎn）業（yè）健康有序發展，工信部、科技部提出了（le）促進產（chǎn）業發展的（de）措施，製定了國家“增材製造產業發展推進計劃（2015-2016年）”推進計劃，其中對於金屬材料增材製造工藝技術製定了具體方案和規劃，包括激光選區（qū）熔化（SLM）、激光近淨成形（LENS）、電子束（shù）選區熔化（EBSM）和電子束熔絲沉積（EBDM）。

 

目前，金屬（shǔ）材料增材製造技術已經廣泛應用於航（háng）空航天複（fù）雜金屬構件（jiàn）、醫用植入（rù）物、金屬牙冠、航空航天大型金屬構件等領域，經過多年的發（fā）展技術相（xiàng）對成熟，對（duì）於製造業創新提升（shēng）具有重（chóng）要作用，因此成為各國重（chóng）點規劃領（lǐng）域。

 

 

我國造出（chū）世界最（zuì）大金屬零件高精度激光3D打印裝備

 

4月，由武漢光電國家實（shí）驗室（shì）完成的“大型金屬零件（jiàn）高效激光選區熔化增材製造關鍵技術與裝備（俗稱激光3D打印技術）”順利（lì）通（tōng）過了湖北省科技（jì）廳成果鑒定。深度融合（hé）了（le）信息技術和製造技術等特征的激光3D打印技術，由4台激光器同時掃描，為目前世界上效率和尺寸最大的高精度金屬零件激光3D打印裝備。該裝（zhuāng）備攻克（kè）了多重技術難題，解決了航空（kōng）航天複雜精密金屬零件在材料結構功能一體化及減重等“卡脖子”關鍵技（jì）術難題，實現了複雜金屬零件的高精度成形、提（tí）高成形效率、縮短裝備研製周期等目的。

 

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

 

金屬（shǔ）零件的（de）激光3D打（dǎ）印技術是各（gè）種3D打印技術中難度係（xì）數最大也最受國內外關（guān）注（zhù）的方向之一。其中基於自動鋪粉的激（jī）光選區熔化（huà）成形技術（Selective Laser Melting，SLM），主要特點是加工精度高、後續幾乎不（bú）需要機械加工，可以製造各種複雜精密金屬零件，實現結構功能一體化、輕量化，在航（háng）空航天領域有廣泛的應用需求（qiú）。但是，成形效率低、成形尺寸有限是該類技術的發展瓶頸。此前，我國在SLM技術領域與國際先進水平相比有較大差（chà）距，大部分裝備（bèi）依賴進口。

 

華中科技大學武漢光電國家實驗室教授曾曉雁領導（dǎo）的激（jī）光先進（jìn）製造研究團隊，在國家863和自然科學基金項目等資助下，經過十年的（de）長期努力，在SLM成形理論、工（gōng）藝和裝備（bèi）等諸（zhū）多（duō）方麵取得了重要成果，特別是突破了SLM成形難以高效（xiào）製備大尺（chǐ）寸（cùn）金（jīn）屬零件等瓶頸。

 

項目率先在國際上提出（chū）並研製出成（chéng）形體積為500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材製造裝備，它由4台500W光纖激光器、4台（tái）振鏡分（fèn）區同時掃（sǎo）描成形，成形效（xiào）率和尺寸迄今（jīn）為止同類設備中世界最（zuì）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（guāng）束無縫拚接、4象限加工重合區製造質量（liàng）控製等眾多技術難題，實現了大型複雜金屬零件的高效率、高（gāo）精度（dù）、高性能成形。先後自主研製出SLM係列多種裝備，並采用國產的鈦合金、不鏽鋼、高溫合金、鋁合金、鎂（měi）合金粉（fěn）末，實現了各種複（fù）雜精密（mì）零（líng）件的成形，其關鍵技術指標與國外水平（píng）相當。首次在SLM裝備中引（yǐn）入雙向鋪粉技術，其成（chéng）形效率高出同類（lèi）裝備的20-40%，標誌著我國自主（zhǔ）研製的SLM成形（xíng）技術與裝備達到了國（guó）際（jì）先進水平。已（yǐ）經有45種零件在20餘種航天型號研（yán）製中得到（dào）應用，先後為航（háng）天發動機（jī）、運載火箭、衛星及導彈等裝備中6種型號20餘種產品進行了樣件研製，5種產品通過了熱（rè）試車，其（qí）中4種產品已經（jīng）定（dìng）型。先後有多台SLM裝備被航天（tiān）科技集團三大總體研究院用於航天零件的研製與批產，所（suǒ）研（yán）製的零件不僅大大縮短了產品的研製周期，簡化了工（gōng）序，更重要的是將結構-功能一體化，獲得性能優良的、輕質的零件。

 

SLM技術成形精度高、性能好、且不需要工模具，屬於典型的數字化過程，目前在複雜精（jīng）密金屬零件的成形中（zhōng）具有不可替代性，在精密機械、能源、電子、石油化工、交通運輸等幾乎所有的高端製（zhì）造領（lǐng）域（yù）都具有廣闊的工業應用前景。

 

選擇性激光熔化技術的發展趨勢

 

目前我國正在（zài）大力發展飛機製造業，選擇性激光熔化技術在飛機（jī）零件製造上具有（yǒu）不可比擬的優勢，不僅（jǐn）可（kě）以（yǐ）快（kuài）速地生產（chǎn）出小批（pī）量（liàng）飛機零件（jiàn），而且在（zài）產品開發階段可大大縮短樣件加工時間，節省大量開發費用。

 

通過以上的分析，SLM技術的優點總結（jié）如下：

 

（1）能將CAD模型直接製成終端金屬（shǔ）產品，隻需（xū）要簡單的後處（chù）理或表麵處理工藝。

 

（2）適合各種複（fù）雜形狀的工件（jiàn），尤其適合（hé）內部有複雜（zá）異型結構（gòu）（如空腔（qiāng）、三維網格）、用傳（chuán）統機械加工方（fāng）法無法製造的複雜工（gōng）件。

 

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

 

（4）使用具有高功率密度的（de）激（jī）光器，以（yǐ）光斑很小的（de）激光束加工金屬，使（shǐ）得加工出來的（de）金屬零件具有很（hěn）高的尺寸精（jīng）度（達0．1mm）以及很好的表麵（miàn）粗糙度值（Ra=30 u m～50um）。

 

（5）由於激光光斑直（zhí）徑很小，因（yīn）此能以較（jiào）低的功率（lǜ）熔化高熔點金屬（shǔ），使得用單一成分的金屬粉末來製（zhì）造零件成為可能，而且可供選（xuǎn）用（yòng）的金屬（shǔ）粉末（mò）種類也大大拓展了。

 

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

 

由於SLM技術具有以上優點（diǎn），它具（jù）有廣闊的應用前景和廣泛的應用範圍，如機械領域的（de）工具及模具（微製造零件、微器件、工（gōng）具插件、模（mó）具等）、生物醫療領（lǐng）域（yù）的生物植入零件或替代零件（jiàn）（齒、脊椎骨等）、電子（zǐ）領域的散熱器件、航空航天領域的超輕結構件以及梯度功能複合材料零件等。

 

特（tè）別是在航空航天領域，應用較多的是典型（xíng）的多品種小批（pī）量生產過程，尤其是在其研發階段，SLM技術具有不可比擬（nǐ）的優勢。有些複雜的工件，采用機加工（gōng）不但浪費時間，而且嚴重浪費材料，一些複雜（zá）結構（gòu）甚至無法製造；鑄造能解決複雜結（jié）構的製造問題並提高材料利用率，但鈦和鎳等特殊材料的鑄造工藝非常複雜，製件性能難以控製（zhì）；鍛造可有效提高製件性能（néng），但需要昂（áng）貴的精密模具和大型（xíng）的專用裝備，製造成本很高。而采用SLM方法則可以很（hěn）方（fāng）便、快捷（jié）地製造出這些複雜工件，在產品開發階段可以大（dà）大縮短樣件的（de）加工生產時間（jiān），節省大量的開發費用。我國正在全力推進大飛機的研發（fā）工作，SLM技術將可以在其中發揮（huī）巨大的作用。

 

可（kě）以說，SLM技術代表了快速製造領域的發展方向，運用該技術能直接成型高複雜（zá）結構、高（gāo）尺寸精度、高表（biǎo）麵質量的致密金屬零件，減少製造金屬零件的工藝過程，為產品的設計、生產提供更加快捷的途徑，進而加快產品的市場響（xiǎng）應速度（dù），更新產品的設計理念和生產周期。SLM技術在未來將會得到更好、更快的發（fā）展。但是，由（yóu）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（hái）存在（zài）一些問題。主要是（shì）SLM設備十分昂貴，工作效率低；並且由於大（dà）工作台範圍（wéi）內的預熱溫度場（chǎng）難以控製，工藝軟件不完善，製件翹曲變形大，因而無法直接製（zhì）作大尺寸（cùn）零件，目（mù）前還隻能製作一些（xiē）尺（chǐ）寸較（jiào）小的工件（jiàn）。隻有解決以上問題，研發出可靠性和技術指標達（dá）到國際先進水平、價格低廉（lián）、具有自主知（zhī）識產權的SLM設備、成型材料和配套的工藝路線等，才能在（zài）我（wǒ）國推（tuī）廣這項技術。