增材制造技术

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翼拼接接头等已经在F22及F-18E/F上得到批量应
用。
但美国激光快速成型全都集中在小体积高价
值的零件,还包括表面修复,表面涂层。
1.激光一走,温度迅速下降,容易出缺陷,做不了 大零件。 2.由于力学性能差,激光成型再去热等静压,性能 不如锻件,激光成型再去锻造,还是不如锻件。 3.缺乏大型装备。 美国人没办法提出了“损伤容限”的概念。 在大尺寸复杂钛合金整体结构件在F18上做试验失败3 年后,Aeromet公司倒闭。
为什么增材制造航空零部件还能 降低成本
传统方法制造航空结构件:
1.开模具费用昂贵。一个很小的零件,宝钢做一套
等温锻造模具,费用7000万,每一个零件的模具
ຫໍສະໝຸດ Baidu
分摊费就是几十万。
2.设备贵。热锻用的3万吨水压机投资25亿。
3.材料浪费多,材料利用率5%-50%。
飞机零部件非常昂贵,这是飞机尤其是军用飞机贵的 原因。
高性能难加工大型复杂整体关键 构件激光直接制造技术
“翅膀根的受力件,我们做出来136公斤,锻件1706公斤,节 省材料90%+。2010年,已经做完了性能测试,比锻件还要好。 05年做出图示零件需要5天,现在只要几小时。” 我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激 光快速成形技术,并实现装机应用的国家。所做零件经过 8000小时以上的抗疲劳测试。
金属零部件增材制造
Since 1985
国外金属材料增材制造的主要研究机构
• • • • • 美国Los Alamos 美国 Sandia AeroMet GE、罗罗(英国)、IBM、波音、洛马、诺格 西屋核电
------------------------------------------------------------------------------• Stratasys 公司 (占世界3D打印机销量的一半,2011年为 2万台) • Objet公司(世界最大的商用3D打印机) • 3D systems 公司 • EOS 、 Arcam AB、 GmbH
激光增材制造技术工艺难点
1.由于冷却速度太快,内应力大,容易内部缺陷。 2.裂纹一旦形成,高速扩展。 3. 晶粒组织难以控制。
高性能难加工大型复杂整体关 键构件激光直接制造技术
“F22钛框,面积5.53平方米。3万吨水压机模锻件 能达到0.8平方米,8万吨能达到4.5平方米。 传统方法,铸锭,制胚,模具,模锻。美国的一个飞机 零件,压成一个饼3吨,到最后加工完成只有144公斤, 材料利用率不到5%。增材制造,材料利用率80%左右。 我们通过增材技术制造的最大的整体结构件5平方 米,美国做不了。激光成型的零件,超过或者等同于锻 件的性能,抗疲劳强度,比锻件高32-53%,疲劳裂纹 扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多,但 高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。”
06年某飞机起落架的关键零部件,目前已经批 生产,已经受2000多个起落。
航空发动机叶盘
高温合金涡轮盘
“未来发动机就是一肚子 的整体叶盘,叶片和盘子分开 的重量太重。而我们现在可以 叶片和盘子同时出来,而且叶 片我们可以随心所欲控制组织, 让它长成柱状晶,他的高温性 能就很好,这里我们让它长成 等轴晶,低周耐疲性能就很好, 如果温度再高,我们就可以换 材料,它可以做到随心所欲, 一种零件可以用很多种材料来 做。”
• 经济学人 “第三次工业革命”。南方周 末 “野蛮神器”要革制造业的命。 • 工信部副部长苏波表示将推动3D打印产业 化;科技部表示在制定3D打印的战略规划。
3D打印概念
• “增材制造”=“3D打印”=“快速原
型制造技术”
• 根据零件的形状,每次制做一个具有 一定微小厚度和特定形状的截面,然 后再把它们逐层粘结起来,就得到了 所需制造的立体的零件。
3D打印机,都是“分层制造,逐层叠加”。
3D打印的工艺
1.熔积成型 FDM(Fused Deposition Modeling) 石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝 2. 选择性激光烧结。SLS(Selective Laser Sintering)尼龙、腊、ABS、金 属和陶瓷粉末。 3.立体光固化成型法SLA(Stereo Lithography Appearance)液态光敏材料
3D打印机的优势
1.制造复杂物品。(目前已显现) 2.产品多样化不增加成本。 3.生产周期短。(最大的优点) 4.零技能制造。 5.不占空间、便携制造。(战场、灾区) 6.节省材料 。 7.精确的实体复制。(3D照相馆)
民用消费级3D打印机
• 打印材料:塑料丝、少量金 属丝
• 特点:结构简单、精度低、 物品表面粗糙、不考虑力学 性能。 • 分层厚度:0.1mm-0.5mm • 市场范围:市场80%的3D打 印机属于民用消费级。 • 售价:3000-20000RMB • 消费人群:设计爱好者、小 企业、学校
3D打印生产的假肢在欧美已经有30000人 以上在应用。
工业级3D打印机
涡轮引擎部件 钛合金
3D打印不是泡沫也非“神器”
PBS塑料 树脂 高强钢 钴铬合金 木材 陶瓷 尼龙 铝 镍铝合金 细胞 不锈钢 玻璃 钛 青铜合金 黄金 纸 生物墨水 钛合金 ABS塑胶 钨
3D打印能制造的物品,常常令人惊叹!,但这些 打印件没有生产标准,没有质量检测,没有安全 认证,属于“三无”产品。大部分外观、质量、 性能都赶不上常规生产方法制造出的物品。
华中科技大学的增材制造技术进展
广西玉柴运用该技术生产六 缸发动机缸盖,7天内可以整体 成形四气门六缸发动机缸盖砂芯。 而采用传统的砂型铸造试制方法, 需要5个月左右。
为空客和欧洲航天局制作飞机、 卫星、航空发动机用大型复杂钛 合金零部件的铸造蜡模。
华中科技大学设备成型空间: 1.2米×1.2米;EOS 公司:0.73米×0.38米;3D系统公司:0.55米×0. 55米。使我国在激光烧结快速制造领域达到世界领先水 平。
增材制造金属部件有多贵
• 增材制造的金属部件每克售价10元-100元,价格在 黄金和白银之间. • 王华明利用增材制造技术生产的飞机次承力结构 件,几十公斤,成本120万. • 外国记者John Newman 报道,中国用于增材制造 的国防研发费用约在8000万美元。
增材制造技术生产的家用金属用具成本是传 统生产成本的1000倍。
板材、棒材或锻件机械加工后的细棒氩 气雾化制成粉末,以粉末雾化态真空罐装供 应,其中粉末70%为球形粉末,需筛分和 干燥,粒度为100-300目。
激光增材制造技术工艺优势
1.增材制造技术出来的部件组织细密,非常均匀;锻造( forging)都会有一个压力的均匀问题。铸造中心偏析,晶粒 粗大,组织不均匀。 2.周期短、成本低、柔性高效。 3.节省材料,较常规制造方法提高5倍以上。
3D打印市场情况
2011年全球3D打印产业产值为17亿美元, 国内为3亿人民币。年增长率25%。
目前3D打印产品的主要应用领域
1.快速模具制造(汽车) 2.高端零部件(航空零部件) 3.产品设计(电子消费品等,苹果手机) 4.医疗保健(牙科、假肢、骨骼)
这些应用集中在不计成本的设计行业、尖端制造、 以及一对一的个性化服务方面。
Additive Manufacturing(3-D printing)
钢铁研究总院 科技运营部 2013.4
增材制造(3D打印)
背景:3D打印成为关注热点
• 奥巴马宣布美国“制造创新国家网络”计 划,成立15个制造创新中心组成网络,每 年投资10亿美元。经过5个多月的论证最 后选了“增材制造”作为第一个中心的研 究方向。
美国国防部资助了一系列的计划。 这些研究机构做出了大量的飞机零部件。例 如:Sandia实验室做航空发动机叶片;泵壳体尺 寸300mm左右,Los alamos 作出高温合金管。 Aeromet利用激光快速成型技术制造的多个钛合 金关键大型承力结构件;如尺寸达到2.5m、重达
130kg的大型整体筋板加强钛合金发动机框、机
王华明完成直径达550mm、具有快速凝固 径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金 发动机涡轮盘样件,叶片900度疲劳强度可以比 第二代单晶高40%。
王华明的增材制造技术总体评价
1.在内部缺陷控制、组织控制及定向凝固等关键 技术方面取得了突破。 2. 大部分零部件经过装机检验。 3.在部分零部件性能上,增材制造>锻造>铸造。 4.发动机叶盘整体制造,还未装机试验,但表现 出很大的潜力。 5.目前用的原料粉末,都是已经冶炼好的钢的粉 末。 6.现有的文献、新闻、专利、报告都没有提到过 废品率,猜想应该不会太低。
民用消费级采用的工艺主要为熔积成型FDM。
现代CAD/CAM 技术
CAD技术设计要打印的 各种物品的3D数字模 型。
计算机数控技术软件或系统 把3D数字模型切片。并根据每片的形状, 分解成一条条的打印指令传给伺服电机和 喷头,并保证各个伺服电机精确确配合。
精密伺服驱动技术 伺服电机根据指令要精确控制打印头 的移动位置和平台移动,使每个时刻都在 精确的位置打印。精度要达到0.1mm。甚 至20um.
打印出来的物品,一般不出售,只作外观设计、 模型研发用,缩短研发周期。
生物工程级3D打印机
• 打印材料:钛合金、特殊与活 体能相容的材料。 • 市场范围:打印机的用量很少。
• 主要产品:人体植入物、假肢、 假牙、骨骼等。在欧美已经有 很广泛的应用。
• 消费人群:医疗保健企业和医 院。 • 特点:一对一满足有需求的人。
5 西安 卢秉恒 交大
激光 铸造 航空部件 熔融 容积 机械 塑料 成型 光固 树脂、骨骼、 机械 化 芯片
院士
国内增材制造简单概括:五大派系,三种工艺
王华明
王华明,北航材料学院材料 加工工程系主任。 1995年进入 金属激光增材制造领域。 为国产C919、J15、J20、J31提供航空结构件。 还包括少量的航空发动机整体叶盘,材料主要 为钛合金、镍基高温合金、少量高强钢。 2012年,凭借“大型复杂整体钛合金结构件激 光成型制造技术及装备”获得国家技术发明奖 一等奖。
西北工业大学制造的航空零部件
C919 中央翼缘条 长度超过3米
飞机主承力梁 长度5米
金属增材技术的发展方向
1.飞机结构件一体化制造(翼身一体) 2.重大装备大型锻件制造(核电锻件)
“金属增材制造技术,不能包打天下,适 合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不 出来的零件,优势是成本、周期、性能,这个 方面我们走到了美国人前面。” -王华明
C919大型客机主风挡窗框
“双曲面窗框,Ti-6Al-4V钛合金,只有欧 洲有有家公司能做,周期2年,先付200万美 元模具费,而且零件非常贵。而我们55天就做 好了,4大件,2件已经装上了飞机。”
飞机起落架
一种300M超高强钢飞机起落架的制造方法 专利号:200810010308 发明(设计)人:王云阁;王向明;王华明
新材料技术 打印材料的研发目前还在初级阶段。
商用级3D打印机
• 打印材料:树脂、金属、石 膏、尼龙、玻璃等。
• 特点:结构复杂、精度高、 物品表面质量好、基本不考 虑力学性能。 • 分层厚度:0.1mm-0.5mm • 市场范围:市场20%的3D打 印机属于商用级。 • 售价:100万-400万 RMB • 消费人群:大中型生产制造 企业研发设计部门
金属材料增材制造的瓶颈
1.成本太高,而且不具备规模经济的优势。
国内增材制造的研究机构
编 单位 号 代表 人物
专业 铸造 材料 材料 工艺 激光 熔融 激光 烧结 产品 航空部件 航空部件、 汽车部件、 骨骼、牙齿 国家认可 国家技术发 明奖一等奖 国家技术发 明奖二等奖 C919应用 1 北航 王华明 2 华中 史玉升 科大
西北 3 黄卫东 工大
4 清华 颜永年
王华明激光快速成型装备,做了五代。
激光成形技术的主要工艺参数为:激光束 功率:3.0~10kW 激光束斑直径:φ 3~6mm扫描速度:5~10mm/min 粉末流量范围:10~30g/min单层沉 积厚度:不高于0.8mm。99.99-99.999% 高纯氩气或氦气作保护性气氛。
激光增材制造用金属粉末
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