增材制造技術

1、增材制造增材制造（3D3D打?。┐蛴。?Additive ManufacturingAdditive Manufacturing（3-D printing3-D printing）鋼鐵研究總院 科技運營部2013.4背景背景:3D:3D打印成為關注熱點打印成為關注熱點 奧巴馬奧巴馬宣布美國宣布美國“制造創(chuàng)新國家網絡制造創(chuàng)新國家網絡”計計劃，成立劃，成立15個制造創(chuàng)新中心組成網絡，每個制造創(chuàng)新中心組成網絡，每年投資年投資10億美元。經過億美元。經過5個多月的論證最個多月的論證最后選了后選了“增材制造增材制造”作為作為第一個第一個中心的研中心的研究方向。究方向。 經濟學人經濟學人 “第三次工業(yè)革命

2、第三次工業(yè)革命”。南方周南方周末末 “野蠻神器野蠻神器”要革要革制造業(yè)制造業(yè)的命。的命。 工信部副部長蘇波工信部副部長蘇波表示將推動表示將推動3D打印產業(yè)打印產業(yè)化；化；科技部科技部表示在制定表示在制定3D打印的戰(zhàn)略規(guī)劃。打印的戰(zhàn)略規(guī)劃。3D3D打印概念打印概念 “增材制造增材制造”= =“3D3D打印打印”= =“快速原快速原型制造技術型制造技術” 根據根據零件零件的形狀，每次制做一個具有的形狀，每次制做一個具有一定一定微小厚度微小厚度和和特定形狀特定形狀的截面，然的截面，然后再把它們逐層粘結起來，就得到了后再把它們逐層粘結起來，就得到了所需制造的立體的零件。所需制造的立體的零件。3D打印機

3、，都是“分層制造，逐層疊加”。3D3D打印的工藝打印的工藝1.熔積成型熔積成型 FDM(Fused Deposition Modeling)石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲2. 選擇性激光燒結選擇性激光燒結。SLS（Selective Laser Sintering）尼龍、臘、）尼龍、臘、ABS、金、金屬和陶瓷粉末屬和陶瓷粉末。3.立體立體光固化光固化成型法成型法SLA(Stereo Lithography Appearance)液態(tài)光敏液態(tài)光敏材材料料1.制造復雜物品。（目前已顯現(xiàn)）制造復雜物品。（目前已顯現(xiàn)）2.產品多樣化不增加成本。產品多樣化不增加成本。3.生

4、產周期短。（最大的優(yōu)點）生產周期短。（最大的優(yōu)點）4.零技能制造。零技能制造。5.不占空間、便攜制造。（戰(zhàn)場、災區(qū)）不占空間、便攜制造。（戰(zhàn)場、災區(qū)）6.節(jié)省材料節(jié)省材料 。7.精確的實體復制。（精確的實體復制。（3D照相館）照相館）3D打印機的優(yōu)勢民用消費級3D打印機 打印材料打印材料：塑料絲、少量金塑料絲、少量金屬絲屬絲 特點特點：結構簡單、精度低、：結構簡單、精度低、物品表面粗糙、物品表面粗糙、不考慮力學不考慮力學性能。性能。 分層厚度分層厚度：0.1mm-0.5mm 市場范圍市場范圍：市場：市場80%的的3D打打印機屬于民用消費級。印機屬于民用消費級。 售價售價：3000-20000R

5、MB 消費人群消費人群：設計愛好者、?。涸O計愛好者、小企業(yè)、學校企業(yè)、學校民用消費級采用的工藝主要為民用消費級采用的工藝主要為熔積成型熔積成型FDM。現(xiàn)代CAD/CAM 技術CAD技術設計要打印的技術設計要打印的各種物品的各種物品的3D數字模數字模型。型。計算機數控技術計算機數控技術軟件或系統(tǒng)軟件或系統(tǒng)把把3D數字模型切片。并根據每片的形狀，數字模型切片。并根據每片的形狀，分解成一條條的打印指令傳給伺服電機和分解成一條條的打印指令傳給伺服電機和噴頭，并保證各個伺服電機精確確配合。噴頭，并保證各個伺服電機精確確配合。精密伺服驅動技術精密伺服驅動技術 伺服電機根據指令要精確控制打印頭伺服電機根據指

6、令要精確控制打印頭的移動位置和平臺移動，使每個時刻都在的移動位置和平臺移動，使每個時刻都在精確的位置打印。精度要達到精確的位置打印。精度要達到0.1mm。甚。甚至至20um.新材料技術打印材料的研發(fā)目前還在初級階段。商用級3D打印機 打印材料打印材料：樹脂、金屬、石：樹脂、金屬、石膏、尼龍、玻璃等。膏、尼龍、玻璃等。 特點特點：結構復雜、精度高、：結構復雜、精度高、物品表面質量好、物品表面質量好、基本不考基本不考慮力學性能。慮力學性能。 分層厚度分層厚度：0.1mm-0.5mm 市場范圍市場范圍：市場：市場20%的的3D打打印機屬于商用級。印機屬于商用級。 售價售價：100萬萬-400萬萬 R

7、MB 消費人群消費人群：大中型生產制造：大中型生產制造企業(yè)研發(fā)設計部門企業(yè)研發(fā)設計部門打印出來的物品，一般不出售，只作外觀設計、打印出來的物品，一般不出售，只作外觀設計、模型研發(fā)用，模型研發(fā)用，縮短研發(fā)周期?？s短研發(fā)周期。生物工程級3D打印機 打印材料打印材料：鈦合金、特殊與活：鈦合金、特殊與活體能相容的材料。體能相容的材料。 市場范圍市場范圍：打印機的用量很少。：打印機的用量很少。 主要產品主要產品：人體植入物、假肢、：人體植入物、假肢、假牙、骨骼等。在歐美已經有假牙、骨骼等。在歐美已經有很廣泛的應用。很廣泛的應用。 消費人群消費人群：醫(yī)療保健企業(yè)和醫(yī)：醫(yī)療保健企業(yè)和醫(yī)院。院。 特點特點：一

8、對一滿足有需求的人。：一對一滿足有需求的人。3D打印生產的假肢在歐美已經有打印生產的假肢在歐美已經有30000人人以上在應用。以上在應用。工業(yè)級3D打印機渦輪引擎部件渦輪引擎部件 鈦合金鈦合金3D打印不是泡沫也非“神器”PBS塑料塑料陶瓷陶瓷不銹鋼不銹鋼紙紙樹脂樹脂尼龍尼龍玻璃玻璃生物墨水生物墨水高強鋼高強鋼鋁鋁鈦鈦鈦合金鈦合金鈷鉻合金鈷鉻合金鎳鋁合金鎳鋁合金青銅合金青銅合金ABS塑膠塑膠木材木材細胞細胞黃金黃金鎢鎢3D打印能制造的物品，常常令人驚嘆！，但這些打印能制造的物品，常常令人驚嘆！，但這些打印件打印件沒有生產標準，沒有質量檢測，沒有安全沒有生產標準，沒有質量檢測，沒有安全認證認證，屬

9、于，屬于“三無三無”產品。大部分產品。大部分外觀、質量、外觀、質量、性能性能都趕不上常規(guī)生產方法制造出的物品。都趕不上常規(guī)生產方法制造出的物品。 2011年全球年全球3D打印產業(yè)產值為打印產業(yè)產值為17億美元億美元，國內為國內為3億人民幣億人民幣。年增長率。年增長率25%。3D打印市場情況目前目前3D3D打印產品的主要應用領域打印產品的主要應用領域1.快速模具制造（汽車）快速模具制造（汽車）2.高端零部件（航空零部件）高端零部件（航空零部件）3.產品設計（電子消費品等，蘋果手機）產品設計（電子消費品等，蘋果手機）4.醫(yī)療保?。ㄑ揽?、假肢、骨骼）醫(yī)療保?。ㄑ揽啤⒓僦?、骨骼）這些應用集中在不計成本

10、的設計行業(yè)、尖端制造、以及一對一的個性化服務方面。金屬零部件增材制造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構國外金屬材料增材制造的主要研究機構 美國美國Los Alamos 美國美國 Sandia AeroMet GE、羅羅、羅羅(英國英國)、IBM、波音、洛馬、諾格、波音、洛馬、諾格 西屋核電西屋核電- Stratasys 公司公司 （占世界（占世界3D打印機銷量的一半，打印機銷量的一半，2011年為年為2萬臺）萬臺） Objet公司（世界最大的商用公司（世界最大的商用3D打印機）打印機） 3D systems 公司公司 EOS 、 Arcam AB、 Gmb

11、H 美國國防部資助了一系列的計劃。美國國防部資助了一系列的計劃。 這些研究機構做出了大量的飛機零部件。例這些研究機構做出了大量的飛機零部件。例如：如：SandiaSandia實驗室做實驗室做航空發(fā)動機葉片航空發(fā)動機葉片；泵殼體泵殼體尺尺寸寸300mm300mm左右，左右，Los Los alamosalamos 作出作出高溫合金管高溫合金管。AerometAeromet利用激光快速成型技術制造的利用激光快速成型技術制造的多個鈦合多個鈦合金關鍵大型承力結構件金關鍵大型承力結構件；如尺寸達到；如尺寸達到2.5m2.5m、重達、重達130kg130kg的大型整體筋板加強鈦合金的大型整體筋板加強鈦合金

12、發(fā)動機框發(fā)動機框、機機翼拼接接頭翼拼接接頭等已經在等已經在F22F22及及F-18E/FF-18E/F上得到批量應上得到批量應用。用。 但美國激光快速成型全都集中在但美國激光快速成型全都集中在小體積高價小體積高價值值的零件，還包括的零件，還包括表面修復表面修復，表面涂層表面涂層。 1. 1.激光一走，激光一走，溫度迅速下降溫度迅速下降，容易出缺陷容易出缺陷，做不了，做不了大零件。大零件。 2. 2.由于由于力學性能差力學性能差，激光成型再去熱等靜壓，性能，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。不如鍛件，激光成型再去鍛造，還是不如鍛件。 3. 3.缺乏大型裝備。缺乏

13、大型裝備。 美國人沒辦法提出了美國人沒辦法提出了“損傷容限損傷容限”的概念。的概念。在大尺寸復雜鈦合金整體結構件在在大尺寸復雜鈦合金整體結構件在F18上做試驗失敗上做試驗失敗3年后，年后，Aeromet公司倒閉。公司倒閉。國內國內增增材制造的研究機構材制造的研究機構編編號號單位單位代表代表人物人物專業(yè)專業(yè)工藝工藝產品產品國家認可國家認可1北航北航王華明王華明鑄造鑄造材料材料激光激光熔融熔融 航空部件航空部件 國家技術發(fā)國家技術發(fā)明獎一等獎明獎一等獎2華中華中科大科大 史玉升史玉升材料材料激光激光燒結燒結 航空部件、航空部件、汽車部件、汽車部件、骨骼、牙齒骨骼、牙齒 國家技術發(fā)國家技術發(fā)明獎二等

14、獎明獎二等獎3西北西北工大工大 黃衛(wèi)東黃衛(wèi)東鑄造鑄造激光激光熔融熔融 航空部件航空部件C919應用應用4清華清華顏永年顏永年機械機械容積容積成型成型 塑料塑料5西安西安交大交大盧秉恒盧秉恒機械機械 光固光固化化 樹脂、骨骼、樹脂、骨骼、芯片芯片院士院士 國內增材制造簡單概括：國內增材制造簡單概括：五大派系，三種工藝五大派系，三種工藝 王華明，北航材料學院材料王華明，北航材料學院材料加工工程系主任。加工工程系主任。 1995年進入年進入金屬激光增材制造領域。金屬激光增材制造領域。王華明王華明2012年，憑借年，憑借“大型復雜整體鈦合金結構件激大型復雜整體鈦合金結構件激光成型制造技術及裝備光成型制

15、造技術及裝備”獲得國家技術發(fā)明獎獲得國家技術發(fā)明獎一等獎。一等獎。為國產為國產C919、J15、J20、J31提供航空結構件。提供航空結構件。還包括少量的還包括少量的航空發(fā)動機整體葉盤航空發(fā)動機整體葉盤，材料主要，材料主要為為鈦合金、鎳基高溫合金、少量高強鋼鈦合金、鎳基高溫合金、少量高強鋼。王華明激光快速成型裝備，做了王華明激光快速成型裝備，做了五代五代。 激光成形技術的主要工藝參數為：激光束激光成形技術的主要工藝參數為：激光束功率：功率：激光束斑直徑：激光束斑直徑：掃描速度：掃描速度：粉末流量范圍：單層沉粉末流量范圍：單層沉積厚度：積厚度：不高于不高于。99.99-99.99999.99-9

16、9.999%高純氬氣或氦氣作保護性氣氛。高純氬氣或氦氣作保護性氣氛。 板材、棒材或鍛件機械加工后的細棒板材、棒材或鍛件機械加工后的細棒氬氬氣霧化氣霧化制成粉末，以粉末霧化態(tài)真空罐裝供制成粉末，以粉末霧化態(tài)真空罐裝供應，其中粉末為球形粉末，需篩分和應，其中粉末為球形粉末，需篩分和干燥，粒度為干燥，粒度為100-300100-300目目。激光增增材制造用金屬粉末激光激光增增材制造技術工藝優(yōu)勢材制造技術工藝優(yōu)勢1.增材制造技術出來的部件增材制造技術出來的部件組織細密，非常均勻組織細密，非常均勻；鍛造（；鍛造（forging）都會有一個壓力的均勻問題。鑄造中心偏析，晶粒）都會有一個壓力的均勻問題。鑄造

17、中心偏析，晶粒粗大，組織不均勻。粗大，組織不均勻。2.周期短、成本低、柔性高效周期短、成本低、柔性高效。3.節(jié)省材料，較常規(guī)制造方法提高節(jié)省材料，較常規(guī)制造方法提高5倍以上。倍以上。1.由于冷卻速度太快，由于冷卻速度太快，內應力大內應力大，容易內部缺陷。，容易內部缺陷。2.裂紋一旦形成，裂紋一旦形成，高速擴展高速擴展。3. 晶粒組織難以控制晶粒組織難以控制。激光激光增增材制造技術工藝難點材制造技術工藝難點高性能難加工大型復雜整體關鍵構件激光直接制造技術 “F22鈦框，面積鈦框，面積5.53平方米。平方米。3萬噸水壓機模鍛件萬噸水壓機模鍛件能達到能達到0.8平方米，平方米，8萬噸能達到萬噸能達到

18、4.5平方米。平方米。傳統(tǒng)方法，鑄錠，制胚，模具，模鍛。美國的一個飛機傳統(tǒng)方法，鑄錠，制胚，模具，模鍛。美國的一個飛機零件，壓成一個餅零件，壓成一個餅3噸，到最后加工完成只有噸，到最后加工完成只有144公斤，公斤，材料利用率不到材料利用率不到5%。增材制造，材料利用率。增材制造，材料利用率80%左右。左右。 我們通過增材技術制造的最大的整體結構件我們通過增材技術制造的最大的整體結構件5平方平方米，美國做不了。激光成型的零件，超過或者等同于鍛米，美國做不了。激光成型的零件，超過或者等同于鍛件的性能，抗疲勞強度，比鍛件高件的性能，抗疲勞強度，比鍛件高32-53%，疲勞裂紋，疲勞裂紋擴散速率降低一個

19、數量級。常規(guī)性能和鍛件差不多，但擴散速率降低一個數量級。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。高溫、持久、抗疲勞性能比鍛件好很多。”高性能難加工大型復雜整體關鍵構件激光直接制造技術我國成為目前我國成為目前世界上唯一世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結構件激突破飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成形技術，并實現(xiàn)裝機應用的國家。所做零件經過光快速成形技術，并實現(xiàn)裝機應用的國家。所做零件經過8000小時以上的抗疲勞測試。小時以上的抗疲勞測試?！俺岚蚋氖芰覀冏龀鰜沓岚蚋氖芰?，我們做出來136公斤，鍛件公斤，鍛件1706公斤，節(jié)公斤，節(jié)省材料省材料90%+。2010年，

20、已經做完了性能測試，比鍛件還要好。年，已經做完了性能測試，比鍛件還要好。05年做出圖示零件需要年做出圖示零件需要5天，現(xiàn)在只要幾小時。天，現(xiàn)在只要幾小時。”C919大型客機主風擋窗框 “雙曲面窗框，雙曲面窗框，Ti-6Al-4V鈦合金，只有歐鈦合金，只有歐洲有有家公司能做，周期洲有有家公司能做，周期2年，先付年，先付200萬美萬美元模具費，而且零件非常貴。而我們元模具費，而且零件非常貴。而我們55天就做天就做好了，好了，4大件，大件，2件已經裝上了飛機。件已經裝上了飛機。”飛機起落架一種一種300M超高強鋼飛機起落架的制造方法超高強鋼飛機起落架的制造方法 專利號：專利號：20081001030

21、8 發(fā)明（設計）人：王云閣發(fā)明（設計）人：王云閣;王向明王向明;王華明王華明06年某飛機起落架的關鍵零部件，目前已經批年某飛機起落架的關鍵零部件，目前已經批生產，已經受生產，已經受2000多個起落。多個起落。航空發(fā)動機葉盤 高溫合金渦輪盤高溫合金渦輪盤 “未來發(fā)動機就是一肚子未來發(fā)動機就是一肚子的整體葉盤，葉片和盤子分開的整體葉盤，葉片和盤子分開的重量太重。而我們現(xiàn)在可以的重量太重。而我們現(xiàn)在可以葉片和盤子同時出來，而且葉葉片和盤子同時出來，而且葉片我們可以隨心所欲控制組織，片我們可以隨心所欲控制組織，讓它長成柱狀晶，他的高溫性讓它長成柱狀晶，他的高溫性能就很好，這里我們讓它長成能就很好，這里

22、我們讓它長成等軸晶，低周耐疲性能就很好，等軸晶，低周耐疲性能就很好，如果溫度再高，我們就可以換如果溫度再高，我們就可以換材料，它可以做到隨心所欲，材料，它可以做到隨心所欲，一種零件可以用很多種材料來一種零件可以用很多種材料來做。做。” 王華明完成直徑達王華明完成直徑達550mm、具有快速凝固、具有快速凝固徑向定向微細柱狀晶梯度組織的鎳基高溫合金徑向定向微細柱狀晶梯度組織的鎳基高溫合金發(fā)動機渦輪盤發(fā)動機渦輪盤樣件樣件，葉片，葉片900度度疲勞強度可以比疲勞強度可以比第二代單晶高第二代單晶高40%。王華明的增材制造技術總體評價1.在在內部缺陷控制內部缺陷控制、組織控制組織控制及及定向凝固定向凝固等

23、關鍵等關鍵技術方面取得了突破。技術方面取得了突破。2. 大部分零部件經過裝機檢驗。大部分零部件經過裝機檢驗。3.在部分零部件性能上，在部分零部件性能上，增材制造增材制造鍛造鍛造鑄造鑄造。4.發(fā)動機葉盤整體制造，還發(fā)動機葉盤整體制造，還未裝機試驗未裝機試驗，但表現(xiàn)，但表現(xiàn)出很大的潛力。出很大的潛力。5.目前用的原料粉末，都是已經目前用的原料粉末，都是已經冶煉好的鋼的粉冶煉好的鋼的粉末末。6.現(xiàn)有的文獻、新聞、專利、報告都沒有提到過現(xiàn)有的文獻、新聞、專利、報告都沒有提到過廢品率廢品率，猜想應該不會太低。，猜想應該不會太低。華中科技大學設備成型空間：華中科技大學設備成型空間： 12米米12米；米；E

24、OS公司：公司：073米米038米；米；3D系統(tǒng)公司：系統(tǒng)公司：055米米055米。使我國在米。使我國在激光燒結激光燒結快速制造領域達到快速制造領域達到世界領先水世界領先水平平。 廣西玉柴運用該技術生產六廣西玉柴運用該技術生產六缸發(fā)動機缸蓋，缸發(fā)動機缸蓋，7天內可以整體天內可以整體成形四氣門六缸發(fā)動機成形四氣門六缸發(fā)動機缸蓋砂芯缸蓋砂芯。而采用傳統(tǒng)的砂型鑄造試制方法，而采用傳統(tǒng)的砂型鑄造試制方法，需要需要5個月左右。個月左右。 為空客和歐洲航天局制作飛機、為空客和歐洲航天局制作飛機、衛(wèi)星、航空發(fā)動機用大型復雜鈦衛(wèi)星、航空發(fā)動機用大型復雜鈦合金零部件的鑄造合金零部件的鑄造蠟模蠟模。華中科技大學的增材制造技術進展華中科技大學的增材制造技術進展C919 中央翼緣條中央翼緣條 長度超過長度超過3米米西北工業(yè)大學制造的航空零部件西北工業(yè)大學制造的航空零部件飛機主承力梁飛機主承力梁 長度長度5米米金屬增材技術的發(fā)展方向金屬增材技術的發(fā)展方向1.1.飛機結構件一體化制造（飛機結構件一體化制造（翼身一體）2.2.重大裝備大型鍛件制造（重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件核電鍛件） “金屬增材制造技術，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，這個方面我們走到