2022年行業(yè)分析金屬零件的直接快速制造技術(shù)及發(fā)展趨勢

金屬零件的直接快速制造技術(shù)及發(fā)展趨勢增材快速成形與制造技術(shù)在高外形簡單度、高功能簡單度零件的制造方面獨具特色，被認為是現(xiàn)代制造技術(shù)進展史上的一個里程碑，并正向高功能、高性能材料零件直接制造方向進展,對制造業(yè)產(chǎn)生著深遠的影響[1-2]。其中，金屬零件的直接快速制造(DirectRapidMetalManufacturing)需求范圍最廣，也是其主要進展方向之一。目前主要有采納激光束、電子束、等離子束的高能三束，以及非高能束的成形方法，該技術(shù)可直接由零件CAD模型，完成難加工簡單外形金屬零件的快速成形，還可依據(jù)零件不同部位的工作條件與特別性能要求實現(xiàn)梯度功能材料零件的快速成形。因此，這是一種零件結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計、新材料制備、成形、加工一體化的創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)并行的短流程、數(shù)字化制造技術(shù)，代表著先進制造技術(shù)的進展方向。由于該技術(shù)和裝備在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景,受到發(fā)達國家政府和企業(yè)的高度重視和大力支持,但目前尚處在工業(yè)規(guī)模有用化的前夜。

高能束金屬零件直接快速制造技術(shù)現(xiàn)狀

因篇幅所限，本課題主要分析廣泛使用的致密金屬零件的直接快速制造技術(shù)現(xiàn)狀，其中，采納高能束流的直接制造主要有選區(qū)激光熔化/燒結(jié)成形法（SLM/SLS）和激光近終成形法（LENS）、電子束成形法（EBM）、等離子束熔積成形法(PDM)，以及其它派生的技術(shù)。

1、SLM技術(shù)

SLM（SelectiveLaserMelting）技術(shù)是在SLS技術(shù)基礎(chǔ)上進展起來的，與SLS方法的相同之處是，因掌握熱變形困難等限制而只適于成形簡單外形小型件；不同之處是將粉末燒結(jié)改良成粉末熔化，省去了SLS法后續(xù)的低熔點金屬浸滲致密化環(huán)節(jié)，較SLS方法可直接成形密度顯著提高的金屬產(chǎn)品。然而，對于成形過程中消失的熔化金屬“聚球”現(xiàn)象，需嚴格掌握材料參數(shù)、工藝參數(shù)和掃描方式才能減輕[3]。要得到高致密度零件需采納熱等靜壓技術(shù)，但這往往需要后續(xù)加工來保證精度，從而增加了制造難度、時間和成本。SLM/SLS技術(shù)皆因采納層層鋪粉的送料方式而難以制造梯度功能材料FGM零件。圖1為MTT公司采納SLM技術(shù)制造的金屬零件[4]。

PHENIXSYSTEMS公司討論開發(fā)了與SLS方法相像的激光燒結(jié)方法，不同之處在于采納了激光固相燒結(jié)的專利技術(shù)，并使用了光纖激光器。公司宣稱：金屬粉末成形無后續(xù)熱處理工序[5]，但未見其對成形件密度數(shù)據(jù)影響的報道；其開發(fā)的PM250機型的圓柱成形室空間為直徑250mm，高300mm，成形材料采納高溫合金、不銹鋼、模具鋼等粉末。

2、LENS技術(shù)

由美國Sandia國家試驗室與AlliedSignalInc．，EastmanKodakCo．，HasbroInc．，LaserFareInc．等公司合作開發(fā)，已勝利制造了316、304不銹鋼，Inconel625、690、718鎳基高溫合金，H13工具鋼，Ti-6Al-4V鈦合金以及鎳鋁金屬間化合物等材料零件，還制備了316-304不銹鋼、304不銹鋼-A690合金、Fe-Cu、Ti-V和Ti-Mo梯度材料零件，顯示出其在功能梯度材料制備方面的獨特優(yōu)勢。目前，Optomec公司特地從事該技術(shù)的商業(yè)化工作，已開發(fā)出1kW的LENS850商業(yè)機，運動定位精度在X-Y方向為0.05mm，Z方向0.5mm，成形最小層厚0.0756mm，最大成形速度8.19cm3/h[6]。圖2為Optomec公司開發(fā)的LENS850成形機成形腔內(nèi)狀況和成形零件。

此外，還有一些基于LENS技術(shù)原理的激光成形技術(shù)。如LosAlamos國家試驗室與SyntheMet合作開發(fā)的DLF（DirectedLightFabrication）技術(shù)，與LENS技術(shù)的不同之處是它可直接由CAD模型分層獲得加工路徑格式文件，避開了STL文件格式的數(shù)據(jù)冗余和錯誤?？捎玫某尚尾牧嫌蠥ISI316和400不銹鋼、FeNi合金、AlCu、Ag、Cu合金，P20工具鋼、Ti、W、Re合金，以及鈦鋁、鎳鋁、鉬硅等金屬間化合物等[7]。Michigan高校J.Mazumder教授等提出的DMD技術(shù)（DirectMetalDeposition）與LENS技術(shù)的區(qū)分主要是增加了實時反饋系統(tǒng)[8]。

美國JohnsHopkins高校、PennState高校和MTS公司合作開發(fā)的LasForm工藝，與LENS技術(shù)不同之處是采納了19kW大功率CO2激光器和穩(wěn)定的快速供粉系統(tǒng)，單道積累寬度和厚度分別達13mm和4mm，工作空間達3m×3m×1.2m，成形速度明顯高于LENS激光成形工藝[9]。但MTS公司成立的AeroMet子公司的教訓(xùn)表明，即使經(jīng)熱等靜壓（HIP）、模鍛后加工之后，成形件的疲憊等關(guān)鍵力學(xué)性能仍低于鈦合金鍛件，故未能有效解決激光成形大型鈦合金結(jié)構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能掌握等關(guān)鍵技術(shù)難題，加之成本過高，最終導(dǎo)致該公司關(guān)閉。

國內(nèi)西北工業(yè)高校、北京航空航天高校、有色金屬討論院、清華高校、南京航空航天高校、上海交通高校等單位都開展了基于LENS技術(shù)的激光直接成形技術(shù)討論。北京航空航天高校王華明教授討論小組開發(fā)了激光快速成形雙相鈦合金“特種熱處理”新工藝，提出“熱應(yīng)力離散掌握”新方法，制造出的大型整體鈦合金飛機結(jié)構(gòu)試驗件[10]。

3、EBM電子束成形技術(shù)

瑞典Chalmers工業(yè)高校與Arcam公司合作開發(fā)了電子束熔化（ElectronBeamMelting，EBM）技術(shù)，并以CAD-to-Metal申請了專利[11]。EBM技術(shù)采納粉末成形，成形零件尺寸250mm×250mm×200mm，成形速度1cm3/min，最小孔隙率可掌握在0.5％以內(nèi)，適于簡單小型近終件成形，為提高成形效率，最近還開發(fā)了多束電子束成形機。因其對硬件和環(huán)境的要求高，整個成形過程須在真空室內(nèi)進行，設(shè)備和運行成本高；也存在表面熔化金屬“聚球”現(xiàn)象，且與層層鋪粉的SLS/SLM法相像，難以成形梯度功能材料零件，且成形精度尚不足。圖3為美國宇航局蘭利討論中心(NASALangleyResearchCenter)采納EBM成形或經(jīng)后加工的樣品及特點。最大尺寸為15.24cm×15.24cm×15.24cm，層厚為0.5mm～1.27mm，沉積率為80cm3/h，零件精度:±1.27mm~2.54mm。

圖3美國宇航局蘭利討論中心(NASALangleyResearchCenter)采納EBM成形與后加工的樣品

麻省理工學(xué)院的MatzJ.在美國海軍討論局（ONR）的資助下討論了電子束實體自由成形（Electron-beamSolidFreeformFabrication，EBSFF）技術(shù)，其與EBM技術(shù)的不同之處是采納電子束熔化同步輸送的金屬絲材，其成形的組織較鑄造方法細小。國內(nèi)清華高校開發(fā)的電子束選區(qū)同步燒結(jié)工藝，可在整體成形區(qū)域內(nèi)，材料同步升溫、燒結(jié)、沉積和降溫，減小了熱應(yīng)力，提高了零件成形的精度和質(zhì)量[12]。

4、PDM等離子束成形法

等離子熔積（PDM）成形方法是利用經(jīng)電磁、幾何和熱壓縮的轉(zhuǎn)移電弧產(chǎn)生高溫高速的等離子束流，使金屬達到熔融態(tài)，并按設(shè)定的三維空間軌跡逐層熔積成形。本課題開發(fā)了PDM成形工藝與設(shè)備[13]，討論結(jié)果表明：該方法冶金過程充分，組織性能明顯優(yōu)于真空鑄件，密度與鍛件相當(dāng)；成形效率、材料和能量利用率高，設(shè)備投資和運行成本遠低于激光束和電子束成形方法，但因弧柱較這兩種方法粗，成形精度不及這兩者。所以，上述三種高能束直接成形方法在成形精度、成形效率、成本和功能等方面各有優(yōu)缺點，難以全面兼顧。

最近，對空間圓管、彈簧等平面輪廓環(huán)沿空間引導(dǎo)線掃掠形成的空間掃掠式簡單結(jié)構(gòu)實體直接成形進行討論，采納成形方向沿引導(dǎo)軸線切向且不斷變化的楔形切片方式進行路徑規(guī)劃，開發(fā)了變向變厚楔形切片的算法，直接快速成形了圖4所示的變向漸縮式不銹鋼空間螺旋管，表明白該技術(shù)具有成形簡單外形零件成形性的力量。

非高能束直接快速制造技術(shù)

1、超聲波固結(jié)成形技術(shù)

超聲波固結(jié)成形技術(shù)，由Solidica公司（AnnArbor，Michigan）開發(fā)。與采納熱能束的金屬零件快速成形過程的區(qū)分在于：第一，不采納金屬粉末作為原材料，采納多種金屬薄帶，如鋁帶等；其次，無成形熱源，而是采納超聲波技術(shù)，將各層鋁帶固結(jié)在一起，制作金屬零件。此外，可將成形與銑削結(jié)合，保證零件精度和表面質(zhì)量。該技術(shù)能制作深槽、空洞、網(wǎng)格、內(nèi)部蜂巢狀結(jié)構(gòu)體，以及外形簡單而傳統(tǒng)去除型工藝無法制造的金屬零件[14]。

２、其他技術(shù)

由MIT開發(fā)3DP（3Dinkjetprinting）技術(shù)，授權(quán)給ExOne公司及其Prometal子公司開發(fā)應(yīng)用，類似