1、增材制造（3D打?。?Additive Manufacturing（3-D printing）,鋼鐵研究總院 科技運(yùn)營部 2013.4,背景:3D打印成為關(guān)注熱點(diǎn),奧巴馬宣布美國“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃，成立15個(gè)制造創(chuàng)新中心組成網(wǎng)絡(luò)，每年投資10億美元。經(jīng)過5個(gè)多月的論證最后選了“增材制造”作為第一個(gè)中心的研究方向。 經(jīng)濟(jì)學(xué)人 “第三次工業(yè)革命”。南方周末 “野蠻神器”要革制造業(yè)的命。 工信部副部長蘇波表示將推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)化；科技部表示在制定3D打印的戰(zhàn)略規(guī)劃。,3D打印概念,“增材制造”=“3D打印”=“快速原型制造技術(shù)” 根據(jù)零件的形狀，每次制做一個(gè)具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然

2、后再把它們逐層粘結(jié)起來，就得到了所需制造的立體的零件。,3D打印機(jī)，都是“分層制造，逐層疊加”。,3D打印的工藝 1.熔積成型 FDM(Fused Deposition Modeling) 石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲 2. 選擇性激光燒結(jié)。SLS（Selective Laser Sintering）尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末。 3.立體光固化成型法SLA(Stereo Lithography Appearance)液態(tài)光敏材料,1.制造復(fù)雜物品。（目前已顯現(xiàn)） 2.產(chǎn)品多樣化不增加成本。 3.生產(chǎn)周期短。（最大的優(yōu)點(diǎn)） 4.零技能制造。 5.不占空間、便攜制造。（戰(zhàn)場、災(zāi)區(qū)） 6.節(jié)

3、省材料 。 7.精確的實(shí)體復(fù)制。（3D照相館）,3D打印機(jī)的優(yōu)勢,民用消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī),打印材料：塑料絲、少量金屬絲 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、精度低、物品表面粗糙、不考慮力學(xué)性能。 分層厚度：0.1mm-0.5mm 市場范圍：市場80%的3D打印機(jī)屬于民用消費(fèi)級(jí)。 售價(jià)：3000-20000RMB 消費(fèi)人群：設(shè)計(jì)愛好者、小企業(yè)、學(xué)校,民用消費(fèi)級(jí)采用的工藝主要為熔積成型FDM。,現(xiàn)代CAD/CAM 技術(shù) CAD技術(shù)設(shè)計(jì)要打印的各種物品的3D數(shù)字模型。,計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)軟件或系統(tǒng) 把3D數(shù)字模型切片。并根據(jù)每片的形狀，分解成一條條的打印指令傳給伺服電機(jī)和噴頭，并保證各個(gè)伺服電機(jī)精確確配合。,精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

4、 伺服電機(jī)根據(jù)指令要精確控制打印頭的移動(dòng)位置和平臺(tái)移動(dòng)，使每個(gè)時(shí)刻都在精確的位置打印。精度要達(dá)到0.1mm。甚至20um.,新材料技術(shù) 打印材料的研發(fā)目前還在初級(jí)階段。,商用級(jí)3D打印機(jī),打印材料：樹脂、金屬、石膏、尼龍、玻璃等。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、物品表面質(zhì)量好、基本不考慮力學(xué)性能。 分層厚度：0.1mm-0.5mm 市場范圍：市場20%的3D打印機(jī)屬于商用級(jí)。 售價(jià)：100萬-400萬 RMB 消費(fèi)人群：大中型生產(chǎn)制造企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)部門,打印出來的物品，一般不出售，只作外觀設(shè)計(jì)、模型研發(fā)用，縮短研發(fā)周期。,生物工程級(jí)3D打印機(jī),打印材料：鈦合金、特殊與活體能相容的材料。 市場范圍：打印

5、機(jī)的用量很少。 主要產(chǎn)品：人體植入物、假肢、假牙、骨骼等。在歐美已經(jīng)有很廣泛的應(yīng)用。 消費(fèi)人群：醫(yī)療保健企業(yè)和醫(yī)院。 特點(diǎn)：一對(duì)一滿足有需求的人。,3D打印生產(chǎn)的假肢在歐美已經(jīng)有30000人 以上在應(yīng)用。,工業(yè)級(jí)3D打印機(jī),渦輪引擎部件 鈦合金,3D打印不是泡沫也非“神器”,3D打印能制造的物品，常常令人驚嘆！，但這些打印件沒有生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，沒有質(zhì)量檢測，沒有安全認(rèn)證，屬于“三無”產(chǎn)品。大部分外觀、質(zhì)量、性能都趕不上常規(guī)生產(chǎn)方法制造出的物品。,2011年全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為17億美元，國內(nèi)為3億人民幣。年增長率25%。,3D打印市場情況,目前3D打印產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域,1.快速模具制造（汽車）

6、2.高端零部件（航空零部件） 3.產(chǎn)品設(shè)計(jì)（電子消費(fèi)品等，蘋果手機(jī)） 4.醫(yī)療保?。ㄑ揽?、假肢、骨骼）,這些應(yīng)用集中在不計(jì)成本的設(shè)計(jì)行業(yè)、尖端制造、以及一對(duì)一的個(gè)性化服務(wù)方面。,金屬零部件增材制造,Since 1985,國外金屬材料增材制造的主要研究機(jī)構(gòu),美國Los Alamos 美國 Sandia AeroMet GE、羅羅(英國)、IBM、波音、洛馬、諾格 西屋核電 - Stratasys 公司 （占世界3D打印機(jī)銷量的一半，2011年為2萬臺(tái)） Objet公司（世界最大的商用3D打印機(jī)） 3D systems 公司 EOS 、 Arcam AB、 GmbH,美國國防部資助了一系列的計(jì)劃。

7、 這些研究機(jī)構(gòu)做出了大量的飛機(jī)零部件。例如：Sandia實(shí)驗(yàn)室做航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片；泵殼體尺寸300mm左右，Los alamos 作出高溫合金管。Aeromet利用激光快速成型技術(shù)制造的多個(gè)鈦合金關(guān)鍵大型承力結(jié)構(gòu)件；如尺寸達(dá)到2.5m、重達(dá)130kg的大型整體筋板加強(qiáng)鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)框、機(jī)翼拼接接頭等已經(jīng)在F22及F-18E/F上得到批量應(yīng)用。,但美國激光快速成型全都集中在小體積高價(jià)值的零件，還包括表面修復(fù)，表面涂層。 1.激光一走，溫度迅速下降，容易出缺陷，做不了大零件。 2.由于力學(xué)性能差，激光成型再去熱等靜壓，性能不如鍛件，激光成型再去鍛造，還是不如鍛件。 3.缺乏大型裝備。 美國人沒辦法提出

8、了“損傷容限”的概念。,在大尺寸復(fù)雜鈦合金整體結(jié)構(gòu)件在F18上做試驗(yàn)失敗3年后，Aeromet公司倒閉。,國內(nèi)增材制造的研究機(jī)構(gòu),國內(nèi)增材制造簡單概括：五大派系，三種工藝,王華明，北航材料學(xué)院材料加工工程系主任。 1995年進(jìn)入金屬激光增材制造領(lǐng)域。,王華明,2012年，憑借“大型復(fù)雜整體鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成型制造技術(shù)及裝備”獲得國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。,為國產(chǎn)C919、J15、J20、J31提供航空結(jié)構(gòu)件。還包括少量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤，材料主要為鈦合金、鎳基高溫合金、少量高強(qiáng)鋼。,王華明激光快速成型裝備，做了五代。,激光成形技術(shù)的主要工藝參數(shù)為：激光束功率：激光束斑直徑：掃描速度：粉末流量范圍

9、：單層沉積厚度：不高于。99.99-99.999%高純氬氣或氦氣作保護(hù)性氣氛。,板材、棒材或鍛件機(jī)械加工后的細(xì)棒氬氣霧化制成粉末，以粉末霧化態(tài)真空罐裝供應(yīng)，其中粉末為球形粉末，需篩分和干燥，粒度為100-300目。,激光增材制造用金屬粉末,激光增材制造技術(shù)工藝優(yōu)勢,1.增材制造技術(shù)出來的部件組織細(xì)密，非常均勻；鍛造（forging）都會(huì)有一個(gè)壓力的均勻問題。鑄造中心偏析，晶粒粗大，組織不均勻。 2.周期短、成本低、柔性高效。 3.節(jié)省材料，較常規(guī)制造方法提高5倍以上。,1.由于冷卻速度太快，內(nèi)應(yīng)力大，容易內(nèi)部缺陷。 2.裂紋一旦形成，高速擴(kuò)展。 3. 晶粒組織難以控制。,激光增材制造技術(shù)工藝難

10、點(diǎn),高性能難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光直接制造技術(shù),“F22鈦框，面積5.53平方米。3萬噸水壓機(jī)模鍛件能達(dá)到0.8平方米，8萬噸能達(dá)到4.5平方米。 傳統(tǒng)方法，鑄錠，制胚，模具，模鍛。美國的一個(gè)飛機(jī)零件，壓成一個(gè)餅3噸，到最后加工完成只有144公斤，材料利用率不到5%。增材制造，材料利用率80%左右。 我們通過增材技術(shù)制造的最大的整體結(jié)構(gòu)件5平方米，美國做不了。激光成型的零件，超過或者等同于鍛件的性能，抗疲勞強(qiáng)度，比鍛件高32-53%，疲勞裂紋擴(kuò)散速率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。常規(guī)性能和鍛件差不多，但高溫、持久、抗疲勞性能比鍛件好很多?！?高性能難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光直接制造技術(shù),我國成為目

11、前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家。所做零件經(jīng)過8000小時(shí)以上的抗疲勞測試。,“翅膀根的受力件，我們做出來136公斤，鍛件1706公斤，節(jié)省材料90%+。2010年，已經(jīng)做完了性能測試，比鍛件還要好。05年做出圖示零件需要5天，現(xiàn)在只要幾小時(shí)?！?C919大型客機(jī)主風(fēng)擋窗框,“雙曲面窗框，Ti-6Al-4V鈦合金，只有歐洲有有家公司能做，周期2年，先付200萬美元模具費(fèi)，而且零件非常貴。而我們55天就做好了，4大件，2件已經(jīng)裝上了飛機(jī)。”,飛機(jī)起落架,一種300M超高強(qiáng)鋼飛機(jī)起落架的制造方法專利號(hào)：200810010308發(fā)明（設(shè)計(jì)）人：王云閣;

12、王向明;王華明,06年某飛機(jī)起落架的關(guān)鍵零部件，目前已經(jīng)批生產(chǎn)，已經(jīng)受2000多個(gè)起落。,航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤,高溫合金渦輪盤 “未來發(fā)動(dòng)機(jī)就是一肚子的整體葉盤，葉片和盤子分開的重量太重。而我們現(xiàn)在可以葉片和盤子同時(shí)出來，而且葉片我們可以隨心所欲控制組織，讓它長成柱狀晶，他的高溫性能就很好，這里我們讓它長成等軸晶，低周耐疲性能就很好，如果溫度再高，我們就可以換材料，它可以做到隨心所欲，一種零件可以用很多種材料來做?！?王華明完成直徑達(dá)550mm、具有快速凝固徑向定向微細(xì)柱狀晶梯度組織的鎳基高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤樣件，葉片900度疲勞強(qiáng)度可以比第二代單晶高40%。,王華明的增材制造技術(shù)總體評(píng)價(jià),1.在內(nèi)

13、部缺陷控制、組織控制及定向凝固等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破。 2. 大部分零部件經(jīng)過裝機(jī)檢驗(yàn)。 3.在部分零部件性能上，增材制造鍛造鑄造。 4.發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤整體制造，還未裝機(jī)試驗(yàn)，但表現(xiàn)出很大的潛力。 5.目前用的原料粉末，都是已經(jīng)冶煉好的鋼的粉末。 6.現(xiàn)有的文獻(xiàn)、新聞、專利、報(bào)告都沒有提到過廢品率，猜想應(yīng)該不會(huì)太低。,華中科技大學(xué)設(shè)備成型空間： 12米12米；EOS公司：073米038米；3D系統(tǒng)公司：055米055米。使我國在激光燒結(jié)快速制造領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。,廣西玉柴運(yùn)用該技術(shù)生產(chǎn)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，7天內(nèi)可以整體成形四氣門六缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯。而采用傳統(tǒng)的砂型鑄造試制方法，需要5個(gè)月左右。

14、為空客和歐洲航天局制作飛機(jī)、衛(wèi)星、航空發(fā)動(dòng)機(jī)用大型復(fù)雜鈦合金零部件的鑄造蠟?zāi)！?華中科技大學(xué)的增材制造技術(shù)進(jìn)展,C919 中央翼緣條 長度超過3米,西北工業(yè)大學(xué)制造的航空零部件,飛機(jī)主承力梁 長度5米,金屬增材技術(shù)的發(fā)展方向,1.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件一體化制造（翼身一體） 2.重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）,“金屬增材制造技術(shù)，不能包打天下，適合難加工的、高性能的、貴的、別的方法做不出來的零件，優(yōu)勢是成本、周期、性能，這個(gè)方面我們走到了美國人前面?！?-王華明,增材制造金屬部件有多貴,增材制造的金屬部件每克售價(jià)10元-100元,價(jià)格在黃金和白銀之間. 王華明利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)件,幾十公斤,成本120萬. 外國記者John Newman 報(bào)道，中國用于增材制造的國防研發(fā)費(fèi)用約在8000萬美元。,增材制造技術(shù)生產(chǎn)的家用金屬用具成本是傳統(tǒng)生產(chǎn)成本的1000倍。,為什么增材制造航空零部件還能降低成本,傳統(tǒng)方法制造航空結(jié)構(gòu)件： 1.開模具費(fèi)用昂貴。一個(gè)很小的零件，寶鋼做一套等溫鍛造模具，費(fèi)用700