2016年我國增材制造技術七大成果

做為先進制造技術的代表，增材制造在我國高端產品的研發領域擁有不少“不可磨滅”的功績。隨著我國3D打印技術的不斷發展，在高端工業領域的應用也逐漸增多，如航空部件的加工制造，工業級產品的設計制造以及核工業等領域的各類應用成果，都凸顯了我國增材制造技術正在邁向一個新的“臺階”！

　　領跑全球：武漢造最大激光3D打印設備

　　由武漢光電國家實驗室（籌）完成的“大型金屬零件高效激光選區熔化增材制造關鍵技術與裝備（俗稱激光3D打印技術）”順利通過了湖北省科技廳成果鑒定。深度融合了信息技術和制造技術等特征的激光3D打印技術，由4臺激光器同時掃描，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。該裝備攻克了多重技術難題，解決了航空航天復雜精密金屬零件在材料結構功能一體化及減重等“卡脖子”關鍵技術難題，實現了復雜金屬零件的高精度成形、提高成形效率、縮短裝備研制周期等目的。

　　據了解， 華中科技大學武漢光電國家實驗室教授曾曉雁領導的激光先進制造研究團隊，在國家863和自然科學基金項目等資助下，經過十年的長期努力，在SLM成形理論、工藝和裝備等諸多方面取得了重要成果，特別是突破了SLM成形難以高效制備大尺寸金屬零件等瓶頸。此前，我國在SLM技術領域與國際先進水平相比有較大差距，大部分裝備依賴進口。項目率先在國際上提出并研制出成形體積為500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造裝備，它由4臺500W光纖激光器、4臺振鏡分區同時掃描成形，成形效率和尺寸迄今為止同類設備中世界最大。

　　此外，項目還攻克了多光束無縫拼接、4象限加工重合區制造質量控制等眾多技術難題，實現了大型復雜金屬零件的高效率、高精度、高性能成形。首次在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%，標志著我國自主研制的SLM成形技術與裝備達到了國際先進水平，所研制的零件不僅大大縮短了產品的研制周期，簡化了工序，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，屬于典型的數字化過程,目前在復雜精密金屬零件的成形中具有不可替代性，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制造領域都具有廣闊的工業應用前景。經過質詢與討論后，鑒定委員會一致認為該項目在SLM整體技術達到國際先進水平，其中在SLM裝備的成形尺寸和效率達到國際領先水平，并建議進一步拓展材料與裝備的應用范圍。

　　國內3D打印光固化技術獲重大進展

　　中科院福建物構所3D打印工程技術研發中心林文雄課題組在國內首次突破了可連續打印的三維物體快速成型關鍵技術，并開發出了一款超級快速的連續打印的數字投影（DLP） 3D打印機。該3D打印機的速度達到了創記錄的600 mm/h，可以在短短6分鐘內，從樹脂槽中“拉”出一個高度為60 mm的三維物體，而同樣物體采用傳統的立體光固化成型工藝(SLA)來打印則需要約10個小時，速度提高了足足有100倍!　

　　傳統的SLA技術采用逐層固化、層層累積的方式來構造三維物體，層與層之間需中斷光照射，然后在已固化區域表面重新覆蓋或填充精確、均勻的光敏樹脂，再進行光照射形成新的固化層，這種方式系統復雜且耗時。2015年3月，美國Carbon3D公司最早提出“連續液面生長技術”（CLIP）。該技術是通過透氧材料特氟龍引入氧氣作為固化抑制劑，在樹脂底部形成一層薄的液態抑制固化層，即所謂的“固化死區”，避免已固化區域與底部粘連，使固化過程保持連續性，從而比傳統的3D打印速度快25—100倍，達到500mm/h。

　　福建物構所提出了一種特殊的半滲透性透明元件，作為樹脂槽內底面的一部分，固定于打印光源的照射路徑上。該類型半滲透性透明元件對氧氣的透過率比一般高分子聚合物高，最高可達到5—10倍，因此氧氣或空氣均可作為固化抑制劑使用。具體的打印技術原理是：利用DLP投影系統提供照射光源，照射樹脂槽底部的構建區域形成固化區域；同時通入氧氣或空氣，氧氣或空氣透過半滲透性透明元件進入樹脂槽，在內底面和固化區域之間形成一層幾十微米厚的抑制固化層。由于液態抑制固化層的存在，固化區域與樹脂槽底部能輕松無損傷分離，實現全程固化的高速連續性，獲得最大打印速度超過600 mm/h，比美國Carbon3D公司發布的連續3D打印設備速度快約20%。

　　中國航發破世界頂級技術

　　由中國華中某科技大學研發的大型3D打印技術應經通過了國家驗收，這說明這種世界上效率最高，打印尺寸最大的高進度金屬零件加工技術已經可以進入到實際應用中。而且這種大型裝備可以為我國的航空航天高精尖金屬零件的研制和生產上鋪平道路，甚至起到推倒”把脖子“技術瓶頸的至關重要的作用。這對中國航空發動機制造來說絕對是個好消息！

　　未來這種大型3D打印技術最主要的應用就是在發動機關鍵金屬部件上使用，比如航空發動機的葉片，航天火箭燃料泵的渦輪等加工要求精度高，加工復雜的金屬件上。一次性高精度成型，無論是樣品試制的時間或者直接量產時間都會成倍的縮短。尤其是現在航空航天設備都要求輕量化、可靠性要求高，壽命要長、成本更低的方向發展，所以這種大型3D打印設備的應用空間非常廣泛。這回中國攻克3D激光打印技術，全稱為“大型金屬零件高效激光選區熔化增材制造裝備“，其實是一種采用自動鋪金屬粉末堆疊后使用激光融化后再成型技術，簡單的說就是類似于玩蠟燭一樣。加工精度高，后期不需要過度加工，所以廣受國際上新材料領域的追捧，不過大家也都清楚的了解到這種技術在制造大型設備領域存在成型效率低，成型尺寸小的缺陷，所以誰能率先攻克大尺寸高效率的3D打印技術，誰就可以獲得領先地位。

　　目前歐美國家已經開始試驗使用3D金屬打印技術來打印發動機葉片的工藝，不過受制于效率問題，只是處于試驗階段尚未拖入量產，這正是中國可以大有作為的領域。由于中國在大功率激光器領域具備國際領先優勢，所以在核心部件上不存在被人制約的情況。而且打印所需的鈦合金、不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金粉末都可以完全自主國產，所以中國在3D金屬打印領域取得了相當大的成績。現在國產的火箭發動機、運載火箭、衛星、導彈、20多個號產品上都有中國3D金屬打印產品。長期以來，在渦扇發動機領域的發動機葉片要承受高溫和高壓的持續炙烤和離心拉伸。而且要求具備良好的抗氧化性能和耐疲勞程度和拉伸韌性。以前發動葉片生產是需要采用定向凝固法才可以實施，加工復雜成型難度大。這種加工方法是正常澆注時配合電磁鐵產生定向磁場讓高溫合金緊密排列。加工難度大，制造復雜，所以最適合先進3D打印技術進行替換升級。中國目前掌握的這項技術，不僅可以為中國的戰斗機的發動機葉片進行升級改造，同時對于中國大飛機的發動機研制和其他結構件的制造打開一片新的思路。

　　在傳統發動機領域，俄羅斯確實是中國師傅輩，但是在新型材料和制造技術領域，俄羅斯卻一直是個短板，尤其是3D打印領域，俄羅斯一直沒有把它列為國家戰略。所以俄羅斯很多有技術積累的公司都主動和中國展開技術合作。當聽說中國把3D打印技術列為國家戰略后，甚至相當迫切的直接找上門來跟中國在這些領域建立聯合實驗室開發研究。此次俄羅斯總統普京在訪華行程中，就會有關于新型制造業的合作討論，有充分理由相信大型3D金屬打印技術也會列入此番合作意向中，很有可能會實現中國制造對俄再出口，這無疑將會是繼船用發動機、大型補給設備后另一項突破性進展。

　　我國首臺太空3D打印機正式曝光

　　中科院重慶研究院與中科院空間應用中心近日共同研制成功我國首臺空間3D打印機，并于日前在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗，其可打印最大零部件尺寸超過美國國家航空航天局(NASA)3月26日運至國際空間站的升級版3D打印機打印尺寸。一臺保險箱大小的3D打印機，打印出不同類型的零部件，包括扳手、螺帽、連接桿等。無論如何傾斜，這臺空間3D打印機都能正常工作。

　　中科院重慶研究院智能制造技術研究所副所長、3D打印技術研究中心主任段宣明介紹，經過兩年努力，該院與空間應用中心研發出我國首臺空間3D打印機，可打印最大零部件尺寸達到200×130mm，該尺寸是NASA首臺空間在軌打印機打印尺寸的2倍以上，并超過今年3月26日NASA運至國際空間站的升級版3D打印機打印尺寸。“我們在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗，通過93次失重測試，驗證了微重力環境下3D打印裝備的關鍵技術與工藝，實現了塑料和復合材料兩種材料，以及失重、超重和正常重力3類工藝參數的4種模型的微重力打印，獲得了微重力環境對3D打印工藝參數影響的實驗數據，為我國2020年完成空間站建造及后期運營奠定了基礎。”

　　空間在軌3D打印制造是解決空間站維修保障需求的有效方法，是完成未來深空探測任務的必要保證。在沒有空間在軌3D打印制造技術前，空間站需要準備和儲存備用零部件用于維修和更換，如果缺乏備用件，只能通過貨運飛船運抵空間站，時間長，花費高。段宣明說，空間3D打印制造技術的打印速度為10—30毫米/秒，可以在一到兩天內打印出需要更換的零部件，且適用于絕大部分零部件，在空間站運營、深空探測等任務中有不可或缺的作用，能方便、快捷地幫助宇航員在失重環境下自制所需的實驗和維修工具及零部件，大幅度提高空間站實驗的靈活性和維修的及時性，減少空間站備品備件的種類、數量及運營成本，降低空間站對地面補給的依賴性。

　　鉑力特打造中國首個3D打印核燃料元件

　　年初，西安鉑力特激光成形技術有限公司（以下簡稱“鉑力特”）自主研發的SLM系列設備BLT-S300，為中核北方核燃料元件有限公司（以下簡稱：“二零二廠”）3D打印 CAP1400自主化燃料原型組件下管座（核燃料元件）順利下線，國內首次實現了3D打印核燃料元件（CAP1400下管座）的技術應用。為3D打印技術應用于核燃料元件制造開發領域奠定了基礎。這是鉑力特BLT-S300設備首次在客戶手中完成3D打印產品，更是國內首次實現3D打印核燃料元件。BLT-S300完美首秀，得到二零二廠的一致認可。在核燃料元件產品日益“多元化”的今天，鉑力特BLT-S300通過金屬3D打印技術快速、精密成形的制造方式，向中國核工業闡釋著3D打印與核燃料元件制造、與智能制造融合。

　　核燃料元件制造是集設計與加工于一體的高端精密制造，結構復雜，需多種工序交叉作業加工才能完成 。3D打印技術，自提出以來就定位于精密制造，能直接利用計算機圖形數據生成任意形狀的零件。BLT-S300采用選擇性激光熔化（SLM）技術，通過逐層熔化金屬粉末的制造方式，完成傳統機械加工無法制造的復雜金屬結構零件，制備的成形產品擁有致密性好、尺寸精度高的特點。同時金屬3D打印快速制造的技術特點，能夠縮減產品開發周期，降低設計與制造成本，快速、高性能的實現核燃料元件開發與制備。

　　目前中核北方核燃料元件有限公司使用的3D設備為SLM-S300激光成型設備，在鋪粉精密成型方面具有很大優勢，目前設備正處于預驗收階段，該階段將對設備成形質量進行檢測，后續將進行星形架、格架及測高儀零部件等各種復雜零件的3D打印技術的應用。在制備產品性能經過驗收合格后，BLT-S300將為二零二廠3D打印各種復雜零件建造提供重要的裝備支持。求新創新，二零二廠讓3D打印技術在核燃料元件制造提供更多可能性，鉑力特用3D打印精密成形設備為二零二廠提供更多技術服務，精誠合作攜手為中國的核工業共創輝煌。

　　我國航空航天3D打印獲“新成就”

　　近日，中國航天科技集團公司一院211廠利用激光同步送粉3D打印技術成功實現了長征五號火箭鈦合金芯級捆綁支座試驗件的快速研制，這是激光同步送粉3D打印技術首次在大型主承力部段關鍵構件上應用。該產品的試制成功對拓展3D打印技術在箭體結構制造領域的應用、豐富大型難加工金屬結構件研制技術手段具有重要意義。

　　據悉，捆綁支座為運載火箭主承力構件，綜合力學性能要求高，目前主要采用加工性能較好的高強鋼，通過鍛造再機加的方式成形。但這一加工方式存在材料去除量大、加工周期長等問題。面對新型號減重的迫切需求，該廠提出采用具有更高比強度的鈦合金材料，利用激光同步送粉3D打印工藝，實現捆綁支座的整體成形。經過系統工藝研究，該廠試制的產品順利通過了成分、組織性能、表面質量及內部質量等各類檢測，整體綜合性能達到鍛件水平，且較原設計減重30%。

　　激光同步送粉3D打印技術，不僅實現了難加工金屬材料的快速成形，同時還為箭體主承力部段的輕量化結構設計與制造，提供了強有力的技術支撐。

　　航天科工三院306所增材制造實現新突破

　　近日，中國航天科工三院306所技術人員成功突破TA15和Ti2AlNb異種鈦合金材料梯度過渡復合技術，其采用激光3D打印試制出的具有大溫度梯度一體化鈦合金結構進氣道試驗件順利通過了力熱聯合試驗。

　　該技術成功融合了激光3D打印與梯度結構復合制造兩種工藝，解決了傳統連接方式（如法蘭連接、焊接等工藝方法）帶來的增重、密封性差和結構件整體強度剛度低等問題，為具有溫度梯度結構的開發設計與制造開辟了新的研制途徑；同時，開創了一種異種材料間非傳統連接的制造模式，實現了結構功能一體化零部件的設計與制造。