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于民用范畴内, 率先应用此项技术的是他们, 他们在他们顶级的单反相机壳体之上, 运用类似技术去制造镁铝合金材质的具备特殊曲面的顶盖。
美国90年代即开始应用3D技术造战机
自从航空技术出现之后, 中国航空工业始终处于落后的状况, 建国60年以来, 我们向苏联学习, 向美国学习, 向欧洲学习, 中国航空工业给人的感觉就是差一大截, 落后XX年呢。
如今, 3D打印技术在全球范围属于前沿技术以及前沿应用, 最为前端的航空工业对此技术最为留意且最严谨, 美国在90年代中期就获取了这类技术的工业摸索, 然而他们一直称作近净成型加工技术, F－22、F－35都有运用, 只不过由于一些加工工艺等缘由, 美国没能进行大规模运用, 可是美国把这一技术始终当作先进制造技术, 由美国国防高级研究计划局（DRAPA）引领, 组织美国30多家企业对这一技术展开长期研究。
日本佳能是首家使用3D打印技术民用公司
在民用领域, 最先应用此项技术的乃是他们, 于其顶级单反相机壳体之上, 运用类似技术制造镁铝合金的具备特殊曲面的顶盖。在航空工业里, 洛克希德 – 马丁公司与波音公司均曾展现过类似的飞机大框, 只是未明确表明技术渠道。那么, 中国是怎样获取这般成果的? 这些技术存在哪些优势与缺陷?
展示的图片呈现的是由中国的钛合金3D打印机所制造出来的大型承力零件, 于航空这个领域之中, 中国那些钛合金成形技术借助激光的方式已经获得了极为普遍的运用。
3D打印技术成型是将金属熔融后叠加
论到金属制造与加工业, 针对3D打印, 其基本原理为, 先把零件数字化模型予以空间网格化, 借由像素化分解成一个个空间点阵, 接着运用金属微量熔融或烧结的沉积技术, 将零件逐层堆积而成, 它的成型原理跟当下普遍运用的激光打印机相类似, 只因普通激光打印机打印的是平面图形, 然而3D打印却是经累计一层层打印图形进而形成空间三维构型实体。
3D打印可使用钛合金和超高强度钢等材料
航空工业运用的3D打印, 主要聚焦于这种情况, 即钛合金, 铝锂合金, 超高强度钢, 高温合金这类材料, 这些材料总的来说具备这种特性, 就是强度高, 且化学性质稳定, 同时有着这样的状况, 不易成型加工, 并且传统加工工艺成本高昂。
最开始出现的技术源自电子束焊接技术, 电子束焊接是借助高能电子束在处于真空或者接近真空的环境里, 直接去熔融焊接材料体, 电子束有着能够快速融化, 能够数字控制扫描, 能够快速移动的特性, 所以, 凭借电子束快速扫描形成制成型的熔融区, 把金属丝依照电子束扫描线步进放置于熔融区之上, 电子束熔融金属丝形成熔融金属沉积, 这样的技术称作电子束熔化成型（beam, EBM）, 在90年代美国麻省理工和普惠共同研发了此项技术, 并且通过它加工出大型涡轮盘件。
其时电子束焊发展成熟, 这是电子束快速数字成型技术的基础, 工业级电子束可达几十千瓦, 能熔融焊接厚度超40至100mm的金属板, 在惰性气体隔绝保护下, 或在真空状态下, 电子束能处理铝合金, 也能处理钛合金, 还能处理镍基高温合金等。
电子束熔化成型, 其电子束聚焦点直径较大, 导致加工过程中热效应较强, 进而使形成零件精度有限, 不过它能获得相较精密铸造更精确的零件胚形, 还可以减少约70至80％机械加工的工时及成本。
1984年, 美国开发出一项技术, 这项技术是能从数字数据打印出3D物体的, 过了2年, 又开发出第一台商业3D打印机。它之所以被叫做“打印机”, 原因在于它借鉴了打印机的喷墨技术, 只是, 普通的打印机是在纸上喷一层墨粉, 从而形成二维(2D)文字或图形, 然而3D打印却能够“打”出三维的立体实物来。
电子束是3D金属打印成型最快方法
中国在90年代末期获得大功率电子束技术, 此后积极开展丝束增材成型研究, 2006年后正式成立电子束快速成型研究分部, 在材料类型上取得进展, 在快速稳定的熔融凝固方面取得进展, 在大型结构变形控制方面取得进展, 目前已经能开始使用该技术生产飞机零件, 并且在一些重点型号的研制中得以应用。电子束快速成型技术, 当前存在一些技术难点, 仍有待进一步开展研究工作。比如说, 在成型过程里, 废热偏高。针对金属构件而言, 金相结构的控制, 存在较大难度。更进一步来讲, 尤其是成型时间比较长。率先凝固的那部分区域, 所经受的高温时长较长。对于金属晶态成长的控制, 面临诸多困难。由此会引发大尺度构件应力复杂诸多情况等等。
电子束成型针对复杂腔体的成型效果欠佳, 针对扭转体的成型效果也不好, 针对薄壁腔体的成型效果同样不佳, 其成形点阵精度处于毫米级, 故而在成型之后依旧需要传统的精密机械加工, 还需要传统的热处理, 甚至还需要锻造等等。
电子束快速成型速度快；它是目前3D金属打印类里打印速度最快的；其速度可达15KG／小时；该设备工业化成熟度高；基本可由货架产品组合而成；生产线构建成本低；具有很强的工业普及基础；同时；电子束快速成型设备还具备一定的焊接能力；以及金属构件表面修复能力；其应用前景广泛。在发动机这个领域当中, 当下美国以及中国, 于电子束控制单晶金属近净形成型技术方面, 正在积极地展开研究, 一旦取得突破, 传统的单晶涡轮叶片生产存在困难以及生产成本高昂这些问题, 将会获得极大程度的改善, 进而能够大大提升航空发动机的性能, 并且对于发动机的研制改进等, 提供了极大的助力。
2013年时, 在北京科博会现场有展示, 这展示的是飞机钛合金大型复杂整体构件激光快速成型技术, 该技术由北京航空航天大学团队主导。
2008年后大功率激光器开始逐步工业化
受到电子束聚焦以及扫描控制能力的限制, 电子束成形精度受限, 激光作为精度更高的能量介质, 备受高度重视, 激光成形技术几乎和电子束成形技术同步开始发展, 不过, 因为到2008年稳定的10KW以上级的大功率激光器才开始逐步步入工业化进程, 所以激光成形技术直到最近才呈现出喷涌的热闹景象。
激光数字成型技术存在两个主要类别, 其一乃是激光近净成形制造（LENS）、金属直接沉积（DMD）, 此类别的技术与电子束快速成型相类似, 同样是借助控制扫描区域塑造出受控的熔融区, 通过金属丝亦或是金属粉对同步扫描点进行添加, 实施金属熔融沉积, 此项技术系电子束快速成型高精度的进化所得成果, 激光扫描点阵精度相较电子束能够高出一个数量级, 能够获取更高精度的零件, 进而进一步削减材料的耗用量和机械加工的需求, 与此同时其还可保留电子束快速成型打印速度快的优势。
这类区域熔融的技术, 需要大尺度的腔体, 来提供零件加工所需的真空环境, 这限制了加工零件的尺寸, 激光熔融区的大小, 和功率直接相关, 越大形的构件, 加工能力要求越高, 由于电子束对金属的热效应深度比较大, 而激光热效应深度较小, 激光成形时胚体受热和散热状况, 要好于电子束, 因此它能形成很薄的熔化区, 和更细密均匀的沉积构造, 凝固过程中的金相结构, 更容易控制, 热应力复杂度要低很多, 可以制造更精确的形状, 和更复杂零件, 也能制造较薄壁的零件类型。于2013年进行演示的先进制造DM概念, 是基于这类技术基础的, 该概念由美国DRAPA, 洛克希德先进制造技术中心, 以及飞利浦、宾州大学等共同完成的。
激光3D打印几乎可直接加工出工业零件
目前主流的激光打印机通过硒鼓静电来吸附墨粉, 利用激光对其进行扫描。扫描使得墨粉熔融从而形成图像, 这种打印方式具备一定精度。在技术组合方面, 它将激光打印与粉末冶金技术相结合。新一代的、最有希望的、最精密成型的技术, 是以直接金属激光烧结（metal laser, DMLS）以及选区激光烧结（laser, SLS）作为代表的激光精密数字成形。这两者都存在于在基底之上布设金属粉末的情况, 是经由激光进行扫瞄烧结而成的, 不一样的地方在于, 直接烧结呈现为一边铺粉一边烧结的状态, 然而选区烧结则是先铺设一整层的粉末, 之后利用激光来扫描烧结。
这种烧结时, 每次沉积厚度大概约20至100微米, 经反复多次沉积, 最终获取三维立体的零件。激光精密成形优点是精度高, 成形点阵能够小于0.01毫米, 可得到近似平滑的表面, 能处理空腔、薄壁等复杂空间扭转体, 以及相互交叉穿透的复杂空腔和管路, 几乎能加工出可直接应用的工业零件。
图为3D打印飞机零件技术的应用说明。
激光3D打印零件强度略小于锻造机加件
高精度激光烧结，对激光功率要求处于中等程度, 烧结点的温度是高的, 然而, 点阵却小, 每一个点阵当中, 金属熔融凝固的量是很少的, 在整个过程里, 热释放低, 材料胚体的温度接近常温区域, 较少出现形成复杂热应力的情况, 金属凝固之后, 形成的金相彼此比较均匀细密, 大多呈现为细小的晶格状态, 类似经过锻造的金属构件, 所获得的金属零件, 其强度略微小于锻造机加件。
1986年时, 最早提出SLS专利的是美国德州大学奥斯汀分院。当时其商用设备由DTM公司提供。1988年, 美国麻省理工提出了DMLS的概念与专利。然而现如今, 那些商用化设备的主要供应商皆源自欧洲, 在那儿德国EOS稍稍占据优势, MTT公司与Laser公司也具备很强的竞争能力。中国在1998年之后着手开展SLS方面的研究, 自2000年往后, 鉴于商品化光纤激光器走向成熟, 国内于SLS方面收获了一定成果, 从2004年起始, 存在至少3家公司以及单位提出SLS技术应用化的专利, 在航空领域由于材料强度方面存有问题, 早期的应用主要是在快速建立冶金应用模具方面。
中国已能用3D打印技术加工5米大零件
2008年, SLS技术于航空制造领域收获巨大进展, 对钛合金的激光烧结成形产品, 头一回在强度性能上靠近锻造产品, 2010年前后, SLS成型技术里激光冲击强化、热处理以及快速淬火等技术领域取得理论层面的成果。
1999年, 中国航空工业在航空制造研究所建立激光成形技术研究分部, 同时, 在航空材料研究所也建立了激光成形技术研究分部。随后, 在北京航空航天大学建立重点实验室, 接着, 又在西北工业大学建立重点实验室。在这个领域, 与国际同步开展了一系列研究。2006年之后, 便开始有一套系列产品踏入试用阶段, 到了2010年之后, 在大型构件的成形应力控制层面取得进展, 接着开始朝着大型构件激光成形领域进行扩张。当下, 最大的加工零件能够达到大约5平米, 处于世界领先位置, 跟美国、欧洲等处于相同的起跑线上。当前, 在商用领域已经有具备加工能力的设备在售卖, 对于更大加工尺度的产品是能够定制的。
图为美国公司制作的3D打印部件。
3D打印零件强度还难以作为飞机受力构件
3D打印概念呈现为制造工业领域一项具革命性的新技术, 当下诸多成形手段与方法均有各自特定优点及缺陷, 于航空领域, 挑选烧结SLS技术貌似潜力最为巨大, 应用前景最为广阔, 其材料适应范围最宽广, 涵盖铝合金、钛合金、高强度钢、高温合金乃至陶瓷均可处理, 然而它归属于微观粉末冶金范畴, 在快速成形里, 粉末冶金技术因熔融——凝固进程过快, 成形体易夹杂空穴、未完全熔融的粉末, 胚体缺陷还可能包含激光扫描线方向形成的熔融——凝固不均匀金相微观线状晶格排列, 这些均会严重要影响成形件的强度。
此刻, 借助激光选区成型而生成的构件, 在数量上占大多的情形下, 仅仅能够实现跟同牌号金属铸造所具备的强度水准相等同, 虽说这个已然能够促使该构件顺利进入到正常的应用范畴里面, 然而很明显的是, 要去承担类似飞机这种主要承担结构受力的构件, 还是存在着极大的限制的。
3D金属打印零件表面还需进一步机械加工
直接金属激光烧结DMLS技术, 是凭借直接用激光熔融金属丝沉积, 金属自身为致密体重熔, 不容易产生粉末冶金那种成形时的空穴, 此技术所生产的构件致密度能够达到99％以上, 近乎锻造的材料胚体, 当下国际国内主要依托这种技术制造高受力构件, 它能达成同牌号金属最高强度的90～95％上下的水准, 接近于一般锻造构件。
当前的金属3D打印构件, 均无法直接造就符合要求的零件表面, 它都得历经表面的机械加工, 将表面多余的、不连续的、不光滑的金属予以去除, 才能够作为最终投入使用的零件, 所以, 就算3D打印能够获取复杂的空间结构以及一些复杂的管路和腔体, 然而这些管路和腔体的机械加工极有可能无法开展, 其零件在重量效率、管路流动效率等层面不一定能够契合实际需求, 故而, 即便3D打印或许能够一步直接达成诸多复杂零件的成形, 但其仍旧不具备直接替代传统机械加工的能力。
3D打印对飞机大型构件制造还存在问题
生产过程中, 直接成形的金属零件, 因反复经受局部接近熔点温度受热, 内部热应力状态复杂, 在成形某些大型细长体、薄壁体金属构件时, 应力处理和控制不能满足要求, 而实际上迄今为止一直影响 3D 在在航空业应用的正是这个原因。
美国自1992年起, 便持续运用这类技术, 期望可以直接制造飞机所用的大型框架、粱绗以及整体壁板等。只因应力繁杂, 在大型构件成形期间或者成形之后, 会产生严重变形, 严重到没法使用。故而, 尽管3D打印技術很早便已出现, 然而国外航空工业界依旧持有颇为保守的态度, 这也是存在缘由的。
现在3D打印技术还只是露出第一缕曙光
新的制造方法, 它是需要新的那一系列处理工艺相辅相成的, 3D打印, 目前呢只是能算作是一丝曙光罢了, 而真正要达成大规模应用并且产生效益, 那还得需要很长的时间去发展以及积累。
3D打印技术的出现, 是信息革命在攻克传统工业 的最后堡垒时发出的终结冲锋号, 由此引发了一系列科学技术领域研究的新课题, 像激光粉末冶金、微沉积金相学、微观淬火、锻造、激光冲击强化等一系列机械制造和冶金等领域的课题, 将会使已暮气沉沉的传统冶金科学以及制造科学领域重新充满发展动力, 在未来数十年间, 谁能在这些技术领域取得应用化实际成果, 或许会影响并颠覆现有的制造工业基本面貌。
呈现在眼前的较大图片所展示的是歼20战机, 此歼20战机已然采用了3D打印部件。而较小的那张图片呈现的是美国F-22战机的钛合金整体式承力框。
中国或在激光熔覆成形方面取得突破
现阶段, 在国内航空范畴内, 最存在也许性达成的冲破源自激光熔覆成形LCF（Laser）, 该技术把直接金属激光烧结DMLS与选区激光烧结SLS予以结合, 其工作模式跟SLS相像。依旧是事先铺展粉末, 然而LCF会借助激光把粉末毫无遗漏地熔融并积淀掩盖于上一层基体之上, 此项技术要更为深化地把控激光光斑尺寸、形态、扫描速率、扫描模式, 另外还得更严谨精准地把控粉末颗粒大小、激光熔覆厚度, 这会对打印的数字化分层的取值起到决定作用。
虽LCF技术发展较晚, 不过它能获取极为致密的材料, 且能得到与锻造不相上下的材料。它是LCF市场上商用设备的主要供应商, 中国还有6－7个大学以及科研机构在研究此项技术。LCF是现今在高强度构件领域最具能直接应用希望的技术。
对航空航天工业来说说, 激光快速成形技术是一项全新的技术增长点, 此项技术现阶段中国和世界之其他国家处于相同起步的平行时期, 维持住领先的态势能够让中国航空工业的制造水准快速从跟随世界发展进步至领先发展的水准。
激光3D打印工业化面临精细度难题
目前, 激光成形技术面临工业化的两个方向, 这两个方向相互矛盾, 其一为打印精细度, 当前打印精细度方面, SLS最高, 基本处于1至0.1毫米左右，然而其他技术加工生成的零件表面精度在0.8至5毫米之间, 目前市场销售的2D激光打印机点阵精度在左右, 也就是0.02毫米, 此精度能够获得近似光滑的曲面, 提高精度受打印耗材粉末的粒径粗细以及激光熔融金属液态滴状表面张力影响, 要将精度提升到0.1毫米以下存在很大困难。不过, 铺粉预处理、激光超快速融化——凝固等技术的出现, 会对提高激光成形的精度有很大帮助。
展现的是, 由美国公司制造的F/A – 18E战斗机上安有的激光增材超大尺寸整体框, 鉴于强度方面的缘由, 于试验期间测试遭遇失败。
激光3D打印工业化面临打印速度难题
还有一个发展方向是提升打印速度, 当下激光打印的速度速率仍旧较为迟缓, 每小时需要经历打出来的重量大多状况都处在1公斤之下范围区域以内, 最为处于优势的水平也仅仅只有9公斤／小时高低上下的程度左右, 要是想要达成工业化生产制造, 特别是大规模的工业生产环节工作情景之下意义, 这样的速度快慢程度是远远不够充足充分完备的状态, 目前眼下的激光成形基本上情形还是单光头单层铺粉作业整个过程流程, 未来往后为了能够提高提升打印速度快慢的情况, 以及有能力应对超大型构件打印这种状况, 已经出现有了可以实现多光头多层铺粉同步打印的设计规划方案构想。
目前, 激光成形尚是单一技术应用, 然而在工业界, 冶金方面应用激光冲击强化有10几年历史了, 激光打印成形实际上很有希望直接集成激光冲击强化、激光淬火等技术, 它能使激光成形的构件更致密, 且具备高级别强度, 事实上激光3D打印机通过软件控制皆能轻易实现激光冲击强化功能。
电脑打印机和粉末将取代庞大的重型工厂
无论怎么样, 要是把冲击强化以及打印时的烧结和熔融维持于一种相对来讲还算合理的速度之情形下, 并且还要保障这个速度能够强化锻造的效果, 这依旧是一个亟待去研究的课题, 激光冶金技术目前正方兴未艾。进一步来讲, 目前锻造以及淬火这双方所涉及的方面, 还没有形成一种成其所规定或自成体系的理论连同实验体系。然而一旦这些理论以及实验积累到了足以支撑设计需求之后, 会怎样在接下来发生的情境是, 激光在高强度超高强度构件领域里三维成形的被应用的前途就彻彻底底地变得很光明了。并且还要说明的是, 它把传统工业里冶金、铸造、锻造、成形诸如此类, 那些本是属于一个庞大重工业工厂的全部工作, 集中起来进行微缩处理, 最终到了一台连接到电脑的打印机当中。再一点是, 只要有人购买打印设备以及相应适用的粉末, 就出现了一种情况是, 任何工厂甚至是个人, 皆能够以方便直接的方式去设计并且产生顶尖水平的机械产品。
3D打印的技术层面以及前景并非仅止于此, 当前打印无法适配所有金属牌号, 原因在于当下受困于激光熔炼技术的掌握程度, 只能单纯应用部分塑形较高、热加工性能良好、内部含联结元素较高的金属材料。
大的那张图呈现的是美军的F – 22战机, 小的那张图展示的是美国F – 22战机的钛合金整体式承力框, 它往昔曾是世界上最大的一体式钛合金构件。
打印粉末还有待进一步研究以制作出更强材料
有待进一步研究的是用于打印的粉末, 打印粉末细究竟细到啥程度才会是最为有利的, 这还需要大量的实验去证明。另一方面, 粉末熔融打印的方式, 目前仍是单一粉末, 和彩色打印相同, 激光打印具备极大潜力, 能实现多种粉末混合打印, 这种混合形式或许是分层混合, 又或许要分行混合, 亦或是空间点阵混合, 多种牌号金属粉末混合，会生成诸多奇妙金属构造, 尤其是 3D 打印可把这些金属构造细微至 20－100 微米这般大小的级别, 这甚至会催生一门金属设计学科, 用以设计与研究各类金属在不同熔炼混合以及分层混合状态下的奇妙性能。
3D打印时, 金属沉积生长的进程, 极为近似自然界里动物骨骼发育的进程, 当打印控制精度抵达一定程度之后, 结构设计当中的仿生学设计, 将会显著发光亮眼, 例如类似于骨骼那般, 轻且强度高, 具备弹性与韧性的结构系统, 会逐渐呈现出现。
这些结构效益会比当下的结构学科体系提升极为显著的一大步, 当前的工程机械针对活动关节的设计存在突出弊端, 那就是类似齿轮这样的传动机构在传动效率方面存在明显欠缺, 并且结构支撑效应也相当糟糕, 而3D打印所具有的成形以及多材料合成成形的能力能够构建出仿生学关节, 借此制造出各类当前难以想象的机械化设施。
展现出某一情形之描绘对象乃是F – 35战机的钛合金整体框, 眼下美国依旧借由水压机去开展针对这种构件的制造生产, 然而洛马公司已然同某一公司构建起合作伙伴关系, 会去采用由后者运用3D打印技术所制造产生的襟副翼的翼梁。
3D打印可制造出最难加工的陶瓷基复合材料
激光三维成形当今的打印材料涵盖陶瓷类材料, 像各种氧化物, 拿三氧化二铝来说, 它是一种强度超高的材料, 还是一种极其耐高温的材料, 自上个世纪60年代始便有人想借助陶瓷制作耐高温的涡轮、发动机气缸、活塞等设备, 然而这种材料极难熔炼与成形, 运用激光烧结陶瓷粉末能够获取各类陶瓷零件, 比如普惠与POM试着用激光打印直接制造陶瓷的涡轮叶片, 甚至试着一次性直接打印出整级的带环带冠的陶瓷涡轮。美国GE运用纳米粉末, 开展陶瓷粉末与金属粉末的混合操作, 通过激光烧结的方式进行尝试, 用以制造非冷却或者是低冷却的涡轮叶片, 此项技术对制造推重比处于20至50范围的涡轮喷气发动机具备有利作用。
将粉末冶金与之相结合, 从而达成在激光烧结期间能够实施一定程度的材料复合操作。如此作为现今处于止步不前态势的金属基复合材料发展提供了有力推动。在激光打印之前进行铺粉这一环节里, 在粉层当中铺设纤维, 进而能够直接烧结出单向纤维增强类型的金属基复合材料。这无疑会极大地提升材料的强度。应用此种金属基复合材料, 能够在现有金属构件强度的基础之上, 将结构重量降低百分之三十至百分之五十。
陶瓷基复合材料是制造出超高音速飞机的基础
激光烧结, 并非仅仅可以制造当下难以制造的金属基复合材料, 它甚至能够制造在难度上更胜一筹的陶瓷基复合材料。陶瓷材料, 向来具备强度高、耐高温的特性, 然而其材质脆、弹性差, 有着抗拉强抗剪弱的劣势。利用纤维增强陶瓷, 能够在最大程度上发挥出陶瓷高强度、耐高温的特性, 同时还可避免因弹性差、抗剪差而导致出现的那种易碎易裂的缺陷。这是一项在未来高温材料领域以及航空发动机制造领域极具前瞻性的技术之一。它还是构建推重比超过100的发动机的主要技术之一, 是飞机实现4马赫以上巡航速度的基础之一。
它能引发全球的高度关注以及技术热潮, 原因在于它确确实实能够制造全新的工业革命, 此为3D打印。3D打印可极大地降低制造业建立工厂的基本要求, 还能降低投资额度, 它能引发新一轮小型企业兴旺的潮流, 也能引发扩张潮流, 它能在现有的垄断化、大规模超大规模化工业模式下, 凭借现代工业所缺乏的创新和灵活生产机制，诞生大量有竞争力的小型企业, 未来制造工业的进入瓶颈将会大幅降低, 很多企业将可重新把制造从现在专业分工的OEM状态中解放出来, 现在全球产品近似化、雷同化, “科技以换壳为本”等现象将会被终止。现在中国于这个领域是比较积极的, 可是该技术处在快速进步的时期, 更替时间短, 每隔几个月就会出现一代技术换代, 想要逆向行舟, 稍有停顿就会落后, 与此同时, 中国在取得一定成果之后还必须关注市场化, 未来3D打印的设备市场广阔, 每年超1000亿美元, 而耗材方面更是惊人, 能够达到数千亿的程度能够说掌握了3D就可行使世界统治权。
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