增材（cái）製造（zào）是以數字模型（xíng）為基礎，將材料逐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（yǔ）先進材（cái）料技術、數字（zì）製造技術的密切結合，是先進製造業的重要組成部分。

 

為落實國務（wù）院關於發展（zhǎn）戰略性新（xīn）興（xìng）產業的決策部署，搶抓新一輪科技革命和產業變革的重（chóng）大機遇（yù），加快推（tuī）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（cù）進產業發展的措施，製定了（le）國家“增材製造產（chǎn）業發（fā）展推進計劃（2015-2016年）”推進計劃，其中（zhōng）對於金屬材料增材製造工藝技術製定了具體方案和規劃，包括激光選區熔化（SLM）、激光近（jìn）淨成形（LENS）、電子（zǐ）束選區熔化（EBSM）和電子束熔絲沉積（EBDM）。

 

目前，金屬（shǔ）材料增材（cái）製造技術已經廣泛應（yīng）用於航空航天複雜（zá）金屬構件、醫用植入物、金屬牙冠、航空航天大型金屬構件等領域，經過多年的發展技術相對（duì）成熟，對於製造業創新提升具有重要作用，因此成為各國重點規劃領域。

 

 

我國造（zào）出世界最（zuì）大金屬零件高精（jīng）度激（jī）光3D打印裝備

 

4月，由武漢光電國家實驗室完成的（de）“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（bèi）（俗稱激光3D打印（yìn）技術）”順利通（tōng）過了湖（hú）北省科技廳成果鑒定。深（shēn）度（dù）融合了信息技術和製造技術等特（tè）征的（de）激光3D打印技術，由4台激光器同時掃描，為（wéi）目前（qián）世（shì）界上效率和尺寸最大的高精度金屬零件激光3D打印裝備。該裝備攻克了（le）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（liào）結構功能（néng）一體化及減（jiǎn）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（dù）成形、提高成形效率、縮（suō）短裝備研製周期（qī）等目的。

 

隨著航空航天裝備不（bú）斷向輕量化（huà）、高（gāo）可靠性、長壽命、低成（chéng）本方（fāng）向（xiàng）發展，一些關鍵金屬（shǔ）零件複雜程度（dù）越來越高，製造周期（qī）要求越來越短，使得我國現有製造技術麵臨係（xì）列共性難（nán）題，如（rú）複雜薄壁精密零件（jiàn）結構（gòu）-性能一體化製造技術，航空航天發動機葉片（piàn）、渦輪等複雜精密零件的成形技術等，嚴重製（zhì）約了（le）航空（kōng）航天裝備技術水平的提高。

 

金屬零件（jiàn）的激光3D打印技術是各種3D打印技術中難度係數最大也最受國內外關注（zhù）的方向之一。其中基於（yú）自動鋪粉的激光選區熔化成形技術（Selective Laser Melting，SLM），主要特點是加工精度高、後續幾（jǐ）乎不需要機械（xiè）加工，可以製造各種複雜精密（mì）金屬零件，實現結（jié）構功能一體化、輕量化，在航空航天領域有廣泛的應用需（xū）求。但是，成形效率低、成形尺寸有限是（shì）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（dà）差距（jù），大（dà）部分裝備依賴進口。

 

華中科技（jì）大學武漢（hàn）光電國家實驗室教（jiāo）授曾曉雁領（lǐng）導的激光先（xiān）進製造研究團隊，在國（guó）家863和自然科學基金（jīn）項目等（děng）資助下，經過十年的長（zhǎng）期努力，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（zhì）備大尺寸金屬零件等瓶頸。

 

項目（mù）率先在國（guó）際（jì）上提出並研製（zhì）出成形體積為500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材製造裝備，它由4台500W光纖（xiān）激光器、4台振鏡分區同時掃描成形，成形效率和尺寸迄今（jīn）為止同類設備中世界最大。而此前，該（gāi）裝備最多（duō）使（shǐ）用兩台光纖激光器，成形效率低。項目攻克了多光（guāng）束無縫拚接、4象限加（jiā）工重合區製造質量控製等眾多技術難題（tí），實現了（le）大型複雜金屬零件的高效率、高精（jīng）度（dù）、高性能（néng）成形。先（xiān）後自主（zhǔ）研製出SLM係列（liè）多種裝備，並采用國產的鈦合金、不鏽鋼、高溫合（hé）金、鋁合金（jīn）、鎂（měi）合金粉末，實現（xiàn）了各種複雜精密零件的成形（xíng），其關鍵（jiàn）技（jì）術指標與國外水平相（xiàng）當（dāng）。首次在（zài）SLM裝備中引入雙向鋪粉技術，其成形效率高出同類裝備的20-40%，標誌（zhì）著我（wǒ）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（líng）件在20餘種航天（tiān）型號研製中（zhōng）得到應用，先後為航（háng）天發動機、運載火箭、衛星及導彈等裝備中6種型號20餘（yú）種產品進行了樣件研製，5種產品通（tōng）過了熱試車，其中4種產品已經定型。先後有多台SLM裝備被航天科（kē）技集團三大總體研（yán）究院用於（yú）航天（tiān）零件的研（yán）製與批產（chǎn），所（suǒ）研製的零件不（bú）僅大大縮（suō）短了產（chǎn）品的研製周期，簡化了工序，更重要的是將結構-功能一體化（huà），獲得性能優良的、輕質的零件。

 

SLM技術成形精（jīng）度高、性（xìng）能好、且不需要工模具，屬於典型（xíng）的（de）數字（zì）化過程，目前（qián）在複雜精密金屬零件的成（chéng）形中具有不可替代性，在精密機械（xiè）、能源、電子、石油化工、交（jiāo）通運輸等幾乎（hū）所有的高端製造領域都具有（yǒu）廣闊的工業應用前景。

 

選擇性激光熔化（huà）技術（shù）的發展趨勢

 

目前我國正（zhèng）在大力發展飛機（jī）製造業，選擇（zé）性激光熔化（huà）技術在飛機零件製造上具有不可比擬的優勢，不僅可以快速地生產（chǎn）出小批量飛機零件，而且在產品開發階段可大（dà）大縮短樣件加工時間，節省大量開（kāi）發費用。

 

通（tōng）過以上的分析（xī），SLM技術的優點總結如下：

 

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

 

（2）適合各種複雜形狀的工（gōng）件，尤其適合內部有複雜異（yì）型結構（gòu）（如空腔、三維網格（gé））、用傳統機械加工方法無法製造的（de）複雜工件（jiàn）。

 

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

 

（4）使用具有高功（gōng）率密度的（de）激光器，以光斑很小的激光束加工金（jīn）屬，使得加工（gōng）出來的金屬零件具有很高的尺寸精度（達0．1mm）以（yǐ）及很好的表麵粗糙度值（Ra=30 u m～50um）。

 

（5）由於激光光斑直（zhí）徑（jìng）很小，因此能（néng）以較低的功率熔化高熔點金屬，使得用單一成分的金屬（shǔ）粉末來製（zhì）造零（líng）件成為可能（néng），而且可（kě）供選用的金屬粉末種類（lèi）也（yě）大大拓展了。

 

（6）能（néng）采用鈦粉、鎳基高溫合金粉加工解決在航（háng）空航天中應用廣泛的、組（zǔ）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組分連續變化的梯度功能材料的加工問（wèn）題（tí）。

 

由於SLM技術具有以上優點，它具有廣（guǎng）闊的應（yīng）用前景和廣泛的應用範圍，如機械領域的工具及模具（微製造零件、微器（qì）件（jiàn）、工具插件、模具（jù）等）、生（shēng）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（yù）的散熱（rè）器（qì）件、航（háng）空航天領域的超輕結構件以及（jí）梯度功能複合材料零件（jiàn）等。

 

特別是在航空航天領域，應用較多的是典型的多品（pǐn）種小批量（liàng）生產過程，尤其是在其研發階段，SLM技術具有不可比擬的優（yōu）勢（shì）。有些複雜的工件，采用機加工（gōng）不（bú）但浪費時間，而且（qiě）嚴重浪費材料，一些複雜結構甚至無法製造；鑄造（zào）能解決複雜結構的製造問題並提高材料利用（yòng）率，但鈦和（hé）鎳等特殊材料的鑄造工藝非（fēi）常複雜，製件性能難以控製；鍛造可有效提（tí）高製件性能，但（dàn）需（xū）要昂貴的（de）精密（mì）模具（jù）和大型的專用（yòng）裝備，製造成本很高。而采用SLM方法則可以（yǐ）很方（fāng）便、快捷地製造出這些複雜工件，在產品開發階段可（kě）以大大縮短樣件的加工生（shēng）產時間，節省（shěng）大量的開發費用。我國正在全力推進大飛機的研發工作，SLM技術將可（kě）以在其中發揮巨大的作用。

 

可以說，SLM技術（shù）代表（biǎo）了快速製造領域的發展方向，運用該技術能直接（jiē）成型高複雜（zá）結構、高尺寸精（jīng）度、高表麵質量的致密金屬零件，減少（shǎo）製造金屬零件的工（gōng）藝（yì）過程（chéng），為產品的設計、生產提供更加快捷（jié）的途徑，進而加快產品的市場響應速度，更新產品的設計理念和生產（chǎn）周（zhōu）期。SLM技術（shù）在（zài）未來將會得到更（gèng）好、更快的發展。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設備十分昂貴，工作效率低；並且由於大工（gōng）作台範圍內的（de）預熱溫度場難以控製，工藝軟件不完善，製件翹曲變形大，因而無（wú）法直接製作大尺（chǐ）寸零件，目（mù）前還隻能製作（zuò）一些尺寸較（jiào）小的工件。隻有解（jiě）決以上問題，研發出可靠性和技術（shù）指（zhǐ）標達到國際先進水平、價格低廉、具有自主知識（shí）產權（quán）的（de）SLM設備、成型材料和配套的工藝路線等，才能在我國推（tuī）廣這項技術。