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3D打印手艺最新发展与2018年宏大事故回想

  3D 打印技术,亦称增材制造技术,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属材料,通过逐层堆叠累积的方式来制造任意复杂形状物体的技术。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、以及其他领域都有所应用。

  金属3D打印技术起源于 20 世纪 80 年代后期的美国,1986年,美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。1993年,麻省理工学院获3D印刷技术专利。随后传入了日本和欧洲,并于 20 世纪 90 年代传入我国。欧美在3D打印技术领域一直处于世界领先地位。

  选区激光熔化技术(SLM)最早由德国Fraunhofer研究所在1995年提出,2003年英国MCP公司研制出世界第1台SLM打印机。欧美等发达国家在激光选区熔化(SLM)设备的研发及商业化进程上处于世界领先地位。

  SLM设备主要由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几部分组成。3D打印时,先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。

  SLM成型不受零件形状和尺寸限制,它的最大优势就是打印结构复杂的零部件,因为结构复杂的零部件无法采用传统的铸造或焊接等成型方法直接成型制造,在制造复杂零件方面它具有得天独厚的优势。据报道,目前SLM激光束的光斑直径可以聚集到0.1-0.5mm,致密度接近100%,尺寸精度达到10-50μm,表面粗糙度达到Ra20-30μm。

  2015年,英国RENISHAW公司发布了两款金属3D打印设备,其中RenAM500M成形尺寸最大,为250 mm×250 mm×350 mm,并且拥有多种功能,包括一个带动态调焦的光学系统、自动粉末筛分和再循环系统、19英尺触摸屏界面和500 W光纤激光器;另一款AM400的构建尺寸为250 mm×250 mm ×300 mm,具有一个更大的筛选器和改进的光学控制软件,以及一个新的400 W光学系统,可以将激光直径减少至70 μm。

  钢研院屈华鹏等人报道,3D打印技术并非普适于所有的金属材料结构件,受到自身工艺流程和技术特点所限,也具有其适用范围和局限性。判断 3D 打印技术是否适用于金属材料的高性能结构件的制造,取决于其3D打印结构件的微观组织能否保证足够的力学、耐蚀、物理等性能指标。金属材料的微观组织决定了性能的优劣。3D打印技术更适合结构复杂需要一体化成型的构件。

  ● 空客3D打印出世界首个自加强机身壁板。空客旗下Stelia航宇公司的工程人员创造出了世界首个自加强机身壁板,他们以增材制造集成加筋结构以提供结构加强。工程人员使用的是丝束电弧增材制造,将加筋铝丝沉积到壁板的内表面。目前,机身内部网状的加筋结构均是通过手工紧固或者焊接上去的。新制造工艺被Stelia称作DEFACTO(面向拓扑组件的增材制造开发)。项目持续3年,由法国民航总局共同出资。Stelia航宇CEO塞德里克·戈蒂尔表示:“研发工作是增材制造广泛研究的一部分。我们希望结果可以用于新的设计、减重、更好的功能集成、通过使用更少材料而对生态造成更小影响,以及减少制造成本。”

  ● 赛峰电气与电源公司与英国增材制造软件Betatype公司合作开发3D打印的电机外壳。德国飞机零配件制造商Premium Aerotec、戴姆勒汽车集团和3D打印巨头EOS公司展开合作,推动3D打印技术在航空制造领域的应用。三方已经在德国北部城市瓦雷尔设立了试验工厂,以对3D打印技术在工业化量产中的适用性进行测试。

  ● 超大3D打印钛合金复杂零件试制成功,一个接近设备成形空间极限的超大尺寸钛合金复杂零件,在昆明理工大学增材制造中心试制成形,这也是迄今为止使用激光选区熔融方法成形的最大单体钛合金复杂零件。

  ● 西门子3D打印燃气轮机燃烧室成功运行8000小时,8000小时的无故障运行,证明了3D打印零部件性能的可靠性。

  ● 惠普正式发布金属3D打印机,惠普官方宣布推出基于粘结剂喷射的金属打印系统,该系统能够实现金属部件高效率、低成本、高品质制造,并能推动金属3D打印大规模批量化生产。目前,惠普已与GKN和Parmatech合作,并在他们的平台上安装了HP金属3D打印机,开始为强生、大众、威乐等企业批量生产金属零件。

  ● 罗罗在Advance3核心机中使用3D打印和CMC材料技术,罗罗公布其集成了约2万个零部件的发动机验证机——Advance3发动机通过100多个小时的测试。Advance3是大涵道比涡扇发动机,齿轮箱使用五个行星齿轮,传动比率为4∶1,该设计允许风扇在气动损失和噪声都较小的较低转速下工作,同时,压气机和涡轮在效率较高的高转速下工作,从而实现发动机涵道比增大,使发动机可靠性提高,耗油率、使用与维修成本、噪声均降低。

  ● GE增材制造(GEAdditive)宣布,美国联邦航空管理局(FAA)已批准3D打印支架用于GEnx-2B发动机,该支架将取代传统制造的电动门打开系统(PDOS)支架。GEnx发动机是GE航空生产的一款先进的双转子轴流式大涵道涡轮风扇发动机,使用于波音787、747-8及空客A350。安装3D打印支架的GEnx-2B发动机将使用于波音747-8机型。这款3D打印支架为GE航空创造了两个“第一”。首先,这是GE第一个获得认证的由Concept Laser选区激光熔融设备生产的3D打印零件。其次,这是GE第一次在10个月内完成一种3D打印零件的开发项目,该零件从设计到生产的全部工作都在这段时期内完成。

  ● 仿生设计与3D打印结合开始发挥重要作用,NASA宣布他们与Autodesk合作,借助AI和3D打印两项先进技术打造了史上最复杂的行星着陆器“spider”,从而使外部结构质量减少35%,性能提高30%。NASA借助AI和3D打印在零风险和使用潜力之间取得了平衡。

  在2017年发布的《重大技术装备关键技术产业化实施方案》中指出由骨干企业牵头,联合相关单位,研制工业级铸造3D打印设备,满足大型发动机、航天航空等领域黑色及铝合金铸件的需求。20世纪80年代中国开始研发快速成型技术的研发,至今已形成北航、华中科大、西安交大、清华大学四大研发中心。据中商产业研究院数据显示,2017年中国3D打印技术专利申请数量达到9809个。在出货量方面,中商产业研究院数据显示,2017年全球3D打印机出货量为39.6万台,同比增长30.1%。中商产业研究院数据显示,2017年中国3D打印市场规模达到17.5亿元,同比增长47.4%。伴随着中国3D打印技术的相应成熟,在航天航空,汽车等行业需求将持续增加。

  随着我国“中国制造 2025”发展战略的提出,制造技术将面临巨大的提档升级与更新换代的历史机遇。增材制造技术是对传统加工技术的有效补充 , 是一项具有划时代意义的战略性技术。3D打印技术在未来将具有更加广泛地应用前景。

  每一项技术都有其技术特点,它都是针对某一特定的问题而诞生的,它的诞生有与生俱来的使命,任何一项技术我们都不能赋予它们超过其本能的期望。

  [3] 屈华鹏等. 金属材料增材制造(3D 打印)技术的局限性. 热加工工艺, 2018.

  [4] 尚广庆等. 金属激光选区熔化(SLM)技术及设备概况. 苏州市职业大学学报,2018.

  [5] 程俊廷等. 浅谈3D打印技术的应用与发展. 机电信息,2018.

  [6] 程俊廷等. 金属增材制造技术研究与应用现状及趋势. 中国设备工程,2018.

  [7] 段望春等. 3D 打印技术在金属铸造领域的研究现状与展望. 铸造技术,2018.

 

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