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卢秉恒增材制造推动中国制造业发生颠覆性变

2019/08/15 来源:张掖信息港

导读

近日,河北省增材制造产业技术研究院论证会在河北科技大学成功举办。中国工程院院士卢秉恒指出,作为战略性新兴产业,高端制造特别是增材制造,必将推

  近日,河北省增材制造产业技术研究院论证会在河北科技大学成功举办。中国工程院院士卢秉恒指出,作为战略性新兴产业,高端制造特别是增材制造,必将推动中国制造业发生颠覆性变化。

  增材制造被国际社会誉为第三次工业革命的重要标志,美、英、法、德、日、澳等发达国家都制定了相应的增材制造国家计划。工信部、科技部提出了促进产业发展的措施,制定了《国家增材制造发展推进计划(年)》(征求意见稿),并提出了16字发展方针和五大发展方向。

  随着制造业全球化及市场的激烈竞争, 产品快速开发已成为竞争的重要手段之一。为满足制造业日益变化的客户需求,制造技术必须具有高柔性,能够以小批量甚至单件生产迎合市场。传统金属零件去材或受迫成形制造方法往往工序多、工模具成本高、从设计到零件制造周期长,且对具有复杂内腔结构的零件往往无能为力,难以满足新产品的快速响应制造需求。20 世纪90 年代以来,随着技术、计算机技术、CAD/CAM 技术以及机械工程技术的发展,金属零件激光增材制造技术在技术和快速原型技术基础上应运而生,迅速成为快速成形领域内有发展前途的先进制造技术之一。本文将主要从激光熔覆和快速原型技术基础上阐述金属零件激光增材技术的技术原理及特点,并综述其国内外发展和应用。

  激光增材制造技术不仅可实现激光熔覆制备耐磨涂层和功能梯度材料,而且可修复高附加值的金属件和直接制造任意复杂结构的金属零部件。随着其成形工艺和装备不断地成熟和提高,成形材料从钛合金、镍基合金、不锈钢、钴铬合金等成熟材料种类,不断推出新材料。通过拓扑优化设计结构,激光选区熔化技术可制造出大幅减轻重量的金属结构件。目前,金属零件激光增材技术面临的主要挑战包括成形过程应力及变形、材料组织及性能控制、质量检测及标准建立等。

  产品创新是我国制造行业可持续发展的基础,而快速成形技术对新产品的开发速度和质量将起到十分重要作用。金属零件激光增材制造技术开创了一个崭新的设计、制造概念。它以相对低的成本、高速造型、可修改性强的特点,独特的工艺过程,为提高产品的设计质量、降低成本、缩短设计及制造周期,为将产品尽快推向市场提供了有效的方法,尤其适合于形状复杂的零件。

  激光熔覆技术是利用将合金粉末与基体表面迅速加热并熔化,快速凝固后形成稀释率低、呈冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体表面的耐磨、耐蚀等性能的表面改性技术,其材料供应方式分预置法和同步送粉法2种。该技术具有热影响区小、可获得具有良好性能的支晶微观结构、熔覆件变形比较小、过程易于实现自动化等优点,已广泛应用于耐磨涂层和新材料制备。若同种金属材料多层熔覆,熔覆层间仍属于良好的冶金结合,这为制造和修复高性能致密金属零部件提供了可能性。

  快速原型技术是一种基于离散/ 堆积成形思想的新型制造技术,是集成计算机、数控、激光和新材料等技术而发展起来的先进产品研究与开发技术。其基本过程是将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片;根据每层轮廓信息,进行工艺规划,选择加工参数,自动生成数控代码;成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来,得到三维物理实体。这样将一个物理实体的复杂三维加工离散成一系列层片的加工,大大降低了加工难度,且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。该技术的主要特点有:高柔性,可以制造任意复杂形状的三维实体;CAD模型直接驱动,设计制造高度一体化;成形过程无需专用夹具或工具;无需人员干预或只需较少干预,是一种自动化的成形过程;成形全过程的快速响应,适合现代激烈的产品市场。快速原型技术有20 多种,其典型技术包括立体印刷(Stereo Lithography LOM)、熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)、选择性(Selective Laser Sintering,SLS)等。然而,受成形原理与工艺设备的制约, 早期快速原型技术存在着致命的局限性, 即只能制造出少数几种材料的原型, 如光敏树脂、塑料、纸、特种蜡及聚合物包覆金属粉末等, 这些材料在密度和性能上与所需求的金属功能零件差距甚远,一般只能作为原型看样和对设计、装配进行验证, 还不能作为终功能性零件或模具直接使用,这大幅削弱了制造业采用该技术 缩短新产品开发周期、节省开发费用、 降低产品开发风险 的原始初衷和动机,大大限制了其在现代装备制造业中的推广应用。

  金属零件激光增材制造技术以高功率或高亮度激光为热源,逐层熔化金属粉末或丝材,直接制造出任意复杂形状的零件,其实质就是CAD软件驱动下的激光三维熔覆过程。该技术具有如下独特的优点:(1)制造速度快,节省材料, 降低成本 ;(2)不需采用模具, 使得制造成本降低15%~ 0%,生产周期节省45%~70%;( )可以生产用传统方法难于生产甚至不能生产的形状复杂的功能金属零件;为代表,粉末材料预先铺展在沉积区域,其层厚一般为20~100 m,利用高亮度激光按照预先规划的扫描路径轨迹逐层熔化金属粉末,直接净成形出零件,其零件表面仅需光整即可满足要求,被称为激光选区熔化增材制造技术。

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