最优化设计显著提升产品功能都是增材制造的重要应用方向

陈笑 · 发表于 2019-7-14 10:44:44

作为互联网和制造业深度结合的产物，3D打印技术正在为传统制造业转型升级带来无限新的可能。国际数据公司IDC预计，未来5年，全球3D打印市场将以22.3%的年复合增长率扩大，2020年达到289亿美元。

精确制造复杂零件

美国材料与试验协会增材制造技术委员会将“采用打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料沉积的方法制造物体”定义为3D打印。近年来，3D打印技术得到了快速发展。

3D打印通常是指利用低成本、功能简单的桌面级设备进行的增材制造，即面向大众的、普及版的增材制造。那么，什么是增材制造？西安铂力特增材技术股份有限公司北方区域经理左全杉介绍道，通过数字化增加材料的方式进行的制造即为增材制造。对应地，传统的机械加工方法是“减材制造”，锻造或铸造方法是“等材制造”。

“增材制造具有无模具快速自由成形、全数字化、高柔性等技术特征，可以制造近乎无限复杂的几何结构，可应用于绝大多数材料种类的制造。”左全杉表示，新产品的快速开发、个性化制造、传统技术难以应对的极端复杂结构件、*优化设计显著提升产品功能都是增材制造的重要应用方向。

尽管增材制造技术有着广阔的应用前景，但仍有人认为，3D打印存在致命的缺点，因为其所打印实物的结构中存在孔隙。对此，清华大学天津高端装备研究院增材制造技术研究所副所长郭超从技术和应用层面作出了解释。郭超表示，“这种现象确实存在，但并不是所有的材料都会出现这种现象。通过X射线断层扫描进行检测，我们发现，电子束3D打印的致密度达到了99.96%，已经非常高了，接近于全致密度。”

郭超所言的电子束3D打印其实是金属3D打印的一种方式。郭超表示，3D打印是一种变革式的生产方式，而金属3D打印就是这种“变革式生产方式”的重要类型。

“金属3D打印可以分为熔覆类和粉床类两种类型。”郭超介绍道，“前者具有较高的生产效率，通常适用于大型零件的打印，但是它的精度不够高，可以看出非常明显的分层现象；后者*大的特点是精确，可用于中小零件及形状复杂零件的制作。”从能量源的角度划分，粉床类打印又可以分为激光和电子束。“目前使用激光打印的零件长度大概为一米左右。”

获得更高力学性能

随着金属3D打印技术逐渐应用到产业，一些相应的力学性能问题也引发了学界和业内人士的思考。在技术构思期，常见的质疑如金属增材制造技术能够实现极高力学性能吗？有原型制造专家甚至断言：已有的快速成形技术所获零件性能都不高，只能用于原型制造。而技术发展期，人们又会问，铸态材料如何实现锻件性能？

事实上，伴随着金属3D打印技术应用转化的深入推进，这些问题的答案也逐渐清晰。左全杉表示，金属增材制造产品的力学性能主要表现为三个方面：成分均匀，从粉末成形到小熔池凝固基本无宏观偏析；材质致密，固/液界面平滑，能够实现充分补缩；组织细小，可以达成快速凝固。由此看出，“增材成形原理并不排除实现极高力学性能的可能性，只要成形点的材料性能高，而且点与点、道与道、层与层之间良好结合，金属增材制造技术完全可以实现极高力学性能”。

针对铸态材料与锻件性能的优劣问题，左全杉说，“为什么一般情况下锻件性能优于铸件性能？从材料学角度讲，造成铸件性能低的原因主要是缩松、组织粗大、杂质集中分布等方面的因素，而金属3D打印的激光立体成形件具有明显的成分均匀、材质致密、组织细小、杂质均匀分布的特点，补足了铸态材料的缺陷。”

此外，也有质量专家对金属3D打印构件在工程应用期的使用性能表示忧虑，指出逐点制造如何保持整体性能的一致性？铸件和锻件的成形条件真的是处处一致吗？对此，左全杉表示，由于金属增材制造的逐点成形提供了逐点控制的条件，反而更有机会实现整个零件成形条件的高度一致性。“当然，这种高度一致性的前提是对构件的成形过程以及装备的高控制精度有着全面深刻的科学认识。”左全杉补充道，“获得更高力学性能的前景其实是发展增材制造的专用合金体系。”

3D打印的力学问题也是郭超在研究过程中遇到的重要问题。“了解3D打印，特别是金属3D打印的人，都知道3D打印一个特别重要的考量就是要降低应力，避免打印过程中的变形。”郭超表示，“温度相差越大，应力越大。而目前的金属电子束技术具有更高的能量密度和粉床温度，可以实现制造、热处理一体化，在打印过程中已经特别不容易变形或开裂，不需要传统制造方式中后续进行的金属材料的热处理工艺。”

解决传统工艺难题

目前，金属3D打印技术主要应用于航空航天、医疗植入体等领域。郭超表示，在航空航天领域，激光3D打印有很多应用，“因为它可以制造一些轻量化的、复杂的结构，而电子束的一个‘杀手锏级’的应用，也是目前工业上非常经典的应用，就是航空发动机的低压涡轮叶片。”航空钛铝合金叶片的制造成本与精密铸造接近，而重量轻30%，“可以预见的是，未来十年，铸造行业传统工艺被3D打印替代是不可阻挡的潮流”。

左全杉介绍道，金属增材制造技术在航空航天领域的应用体现为高性能修复、极端复杂的结构件制造、功能强化、减重四个方面。以美国AeroMet公司为例，该公司采用金属增材制造中的激光立体成形技术使F15战斗机中机翼梁的检修周期缩短为1周，F15飞机腐蚀损伤零件的更换周期大幅度缩短。而瑞士洛桑联邦理工学院采用激光立体成形技术修复单晶涡轮叶片，单晶涡轮叶片修复中损伤叶片的激光修复时间仅为1~3分钟/片。

近年来，医疗植入体沿着从标准化到个性化的轨迹快速发展。郭超说，“目前来讲，国内外市场上普遍使用的都还是标准化的植入体，下一步的趋势是个性化，即每一个骨骼植入体不仅尺寸相异，形状和外观也不同。”通过与CT扫描技术紧密结合，3D电子束打印可以根据患者的具体情况定做骨头。“扫描出来的结果通过数字化方法很快形成需要的修复体，把图纸发过去即可直接制作实体构件，72小时之内，这个植入体就能到达医生手上，为患者进行手术。”

“3D打印的骨骼构件有一个非常明显的特点就是其表面特殊的二级网格状结构，是一种仿生结构，模拟人体的骨骼。这种结构植入到人体之后，骨头可以直接生长到电子束打印的构件中，形成非常好的生物固定。这也是电子束3D打印目前在医疗行业应用非常火爆的原因。”郭超认为，“只需五到六年，3D打印在骨科方面的应用会快速覆盖到整个医疗行业。”

未来，郭超希望金属3D打印技术更加注重核心零部件的自主化，包括电子枪、配套电源、聚焦扫描线圈、高度线圈驱动。“3D打印是系统化的工程，是一套完整的解决方案，要注重核心材料工艺自主化，从粉末材料到工艺参数包再到粗糙度、致密度、化学成分以及强度、疲劳等性能，形成‘材料—参数—性能’数据库。”此外，郭超表示，“希望‘3D打印+’注重更加民用化的方向，这也是3D打印未来发展的一个重要趋势。”

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