增材製造是以（yǐ）數字模型為基礎，將（jiāng）材料逐層堆積製造出實（shí）體（tǐ）物品的新興製造技術，體現了信息網絡技術與先進材料技術、數（shù）字製造技術的密切結合，是先進製造業的重要組（zǔ）成（chéng）部分。

 

為（wéi）落（luò）實（shí）國務院（yuàn）關於發展戰略性新興產業的決策部署，搶抓新一輪科技革命和產業（yè）變革的重大機遇，加（jiā）快推進我國增材製造（又稱“3D打印”）產業健康有序發展，工信部、科技部提出（chū）了促進產業發展的措施，製（zhì）定了（le）國家“增材製造產業發展推進計劃（2015-2016年）”推進計劃，其中對（duì）於金屬材料增材製造工藝（yì）技術製定了具體方案和規劃，包括激光選區熔（róng）化（SLM）、激光近淨成形（LENS）、電子束選區熔化（EBSM）和電子束熔絲沉積（EBDM）。

 

目（mù）前，金屬材料增材製造技（jì）術已經廣泛應用於（yú）航空航天複（fù）雜金屬構件、醫用植入物、金（jīn）屬牙冠、航空航天大型金屬構件等領域，經過多年的發展技術相對成熟，對於製造業創新提升具有（yǒu）重（chóng）要（yào）作用，因此成（chéng）為各國重點規劃領域。

 

 

我國造出世界最大金屬零件高精度激光3D打印裝備

 

4月，由武漢（hàn）光電國家實驗室（shì）完成的“大型金屬（shǔ）零件（jiàn）高效激光選區（qū）熔化增（zēng）材製造（zào）關（guān）鍵技術與裝備（俗稱激光3D打印技（jì）術）”順（shùn）利通過了（le）湖北省（shěng）科技廳成果鑒定。深度（dù）融合了信（xìn）息技術和製造技術等特征（zhēng）的激光3D打印技術，由4台激光（guāng）器（qì）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，解決了航空航天複雜精密金屬零件在材料結構功能一體化（huà）及減重等“卡脖子”關鍵技（jì）術難題，實現了（le）複雜金屬零件的高（gāo）精度成形、提高成形效率、縮短裝備研製周期等目的。

 

隨著航空航天裝（zhuāng）備不斷向輕量化、高可靠性、長（zhǎng）壽命、低成本方向發展，一些關鍵金屬零件複雜程度（dù）越來越高，製造周（zhōu）期要求越來越短，使得我國現有製造技術麵臨係（xì）列（liè）共性（xìng）難題，如複雜薄壁（bì）精密零件結（jié）構-性能一體（tǐ）化製造技術，航（háng）空航天發動機葉片、渦（wō）輪等（děng）複雜精密零件的成形技術等，嚴重製約了航空航天裝備技術水平的提高。

 

金屬零件的激光3D打印技（jì）術是各（gè）種3D打（dǎ）印技術中難度係（xì）數最大也最受國（guó）內外關注的方向之一。其中（zhōng）基於自動（dòng）鋪粉的激光選區（qū）熔化成形（xíng）技（jì）術（Selective Laser Melting，SLM），主要特點是加（jiā）工（gōng）精（jīng）度高、後續幾乎不需要機械加工，可以製造各（gè）種複雜精密金屬零（líng）件，實現結（jié）構功能一體（tǐ）化、輕量化，在航空（kōng）航天領域有廣泛的應用需（xū）求。但是，成形效率（lǜ）低、成形尺寸有限是該類技術的發展瓶頸。此前，我國在（zài）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。

 

華中科技大學（xué）武漢光電國家實（shí）驗室教授曾曉雁領導的激光（guāng）先進（jìn）製（zhì）造研究團（tuán）隊（duì），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（zhū）多方麵取得了重要（yào）成果，特別是（shì）突破了SLM成（chéng）形難以高效製備大尺寸金屬零件等瓶頸。

 

項目率（lǜ）先在國際上提（tí）出並研製出成形體積為500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材製造裝備，它由4台500W光纖激光器、4台振鏡（jìng）分區同時掃描（miáo）成形，成形效率和尺寸迄今（jīn）為止同類設備中世界最（zuì）大（dà）。而（ér）此前，該裝備最多使用兩台光纖激（jī）光（guāng）器，成形效率低。項目攻克了（le）多光束無縫拚接、4象限加工重合區製造質量控製等眾多技術難題，實現了大型複雜金屬零件的（de）高效率、高精度（dù）、高性能成形。先後自主研製出SLM係列多種裝備，並（bìng）采用國產的鈦合（hé）金、不鏽鋼、高溫（wēn）合金、鋁合金、鎂合金粉末，實現了各種複雜精密零件（jiàn）的成形，其關鍵（jiàn）技術指標與國外水平相當。首次在（zài）SLM裝備中引（yǐn）入雙向鋪粉技術，其成形效率高出同類裝備的20-40%，標誌著我國自主研（yán）製的SLM成形技術與（yǔ）裝備達到了國際先（xiān）進（jìn）水平。已經有45種零件在20餘種航天型號研製中得到應用，先後為航天發動機、運載火箭、衛星及導彈等（děng）裝備中6種型號20餘種產品（pǐn）進行了樣件研製，5種（zhǒng）產品通（tōng）過了熱試（shì）車，其中4種產品已經定型。先後有多台SLM裝備被航天科（kē）技集團三大總體研究院用（yòng）於航天（tiān）零件（jiàn）的研（yán）製與批產，所研製的零件不僅大大縮（suō）短了產品的研製周期，簡化了工序，更重要的是將結（jié）構-功能一體化，獲（huò）得性能優（yōu）良的、輕質的零件。

 

SLM技術成形精度高、性能好、且不需（xū）要工模具，屬於典型的數字化過程，目前在複雜精密金屬零件的成形中具（jù）有不可替代性，在精密機械、能源、電子、石油（yóu）化工（gōng）、交通運輸（shū）等幾乎所有的高端製造領域（yù）都（dōu）具有廣闊的工業應用前景（jǐng）。

 

選擇性激光熔化技術的發（fā）展趨勢

 

目（mù）前我國正在大力發展飛機製造業，選擇（zé）性激光熔化技術（shù）在飛機零件製造上具有不可比擬的（de）優（yōu）勢，不僅可以快速地（dì）生產出小批量飛機零件，而且在產品開發階段可大大縮（suō）短樣件加（jiā）工（gōng）時間，節省大量開發費用。

 

通過以上的分析，SLM技術（shù）的優點總結如下：

 

（1）能將CAD模型直接製成終端金（jīn）屬產品，隻需（xū）要簡單的後處理或表（biǎo）麵處理工（gōng）藝。

 

（2）適合各種複雜形狀的工（gōng）件，尤其適合內部（bù）有複雜異型結構（如（rú）空腔、三維網格）、用傳統機械加工方法（fǎ）無法製造（zào）的複雜（zá）工件。

 

（3）能（néng）得到具有（yǒu）非平衡態過飽和（hé）固溶體及均勻（yún）細（xì）小金相組織的實體，致（zhì）密（mì）度幾乎能達到100％，SLM零件機械性能與鍛造工藝所得相當。

 

（4）使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束加工金屬，使得加工（gōng）出來的金屬零件具有很高的尺寸精（jīng）度（達0．1mm）以（yǐ）及很好的表麵粗（cū）糙度（dù）值（Ra=30 u m～50um）。

 

（5）由於激光光斑直徑很小，因（yīn）此能以較低的功率熔化高（gāo）熔（róng）點金屬，使得用單一（yī）成分的金（jīn）屬粉末來製造零件成為可能，而且可供選用的金屬粉末種類也大大拓展了。

 

（6）能采用（yòng）鈦（tài）粉、鎳基高溫合金粉加工解決在（zài）航空航（háng）天中應用廣（guǎng）泛的、組織均勻的高溫（wēn）合金零（líng）件複雜件加（jiā）工難的問題；還能解決生物醫學上組分連續變化（huà）的梯度（dù）功能材料（liào）的加工問題（tí）。

 

由（yóu）於SLM技術具有以上優點（diǎn），它具有廣闊的應用前景和廣泛的應用範圍，如機械領域（yù）的工具（jù）及模（mó）具（微（wēi）製（zhì）造零件、微器件、工具插件、模具等）、生物醫療（liáo）領域（yù）的生物植入零件或替代零件（jiàn）（齒、脊椎骨等）、電子領域的（de）散熱器件、航空航天領域的超輕結構件以及梯度功能複合材料零件等。

 

特別是（shì）在航空航天領域，應用較多的是典（diǎn）型的多品（pǐn）種小批量生產過程（chéng），尤其是在其研發階（jiē）段，SLM技術具有不可（kě）比擬的（de）優勢（shì）。有些（xiē）複雜的工件，采用機加工不但浪費時間，而且嚴重浪費（fèi）材料，一些複雜結構甚（shèn）至無法製造；鑄造能解決複雜結構（gòu）的製造（zào）問題並提（tí）高材料利（lì）用率，但鈦和鎳等特殊（shū）材料的鑄造工藝非常複雜（zá），製件性能難以控製；鍛造可有效（xiào）提高製件性能，但需要昂貴的精密模具和大型的專用裝（zhuāng）備，製造（zào）成本（běn）很高。而采用SLM方法則可以很方便、快捷地製造（zào）出這些複雜工件，在產品開發階段（duàn）可以大大縮短樣件的加工生產時（shí）間，節省大（dà）量（liàng）的開發費用。我國正在（zài）全力推進（jìn）大飛機的研發工作，SLM技術將可以在其中發揮巨大的作用。

 

可以說，SLM技術代表了（le）快速製造領域的發（fā）展方向，運用該技術能直接成型高複雜結構、高尺寸精度、高表麵質量的致密金屬零件，減少製造金（jīn）屬零（líng）件的工藝過程，為產（chǎn）品的設計、生產提供更加快捷的途徑，進而加快產品的市場響應速度，更新（xīn）產品（pǐn）的設計理念和生產周期。SLM技術在未來將會得到更好、更快（kuài）的發（fā）展。但是，由於巨大的市場價值（zhí）與商業機（jī）密，目前SLM技術的發展與（yǔ）推廣還存在一些問題。主要是SLM設備十分（fèn）昂貴（guì），工作（zuò）效率低（dī）；並且由於（yú）大工作台範圍內的預熱溫度場難以控（kòng）製，工藝軟件不完善，製件翹曲變形大，因而無法直接製作大尺寸零件，目前還隻能製作一些尺（chǐ）寸較小（xiǎo）的工件。隻有解（jiě）決以上問（wèn）題（tí），研發出可靠性和技術指標達到國（guó）際先進水平、價格低廉、具有自（zì）主知（zhī）識（shí）產（chǎn）權的SLM設備、成型材料和配套的工藝路線（xiàn）等，才（cái）能在我（wǒ）國推廣這項技術（shù）。