增材制造工艺(建工)

打印机的优势
.制造复杂物品。（目前已显现） .产品多样化不增加成本。 .生产周期短。（最大的优点） .零技能制造。 .不占空间、便携制造。（战场、灾区） .节省材料 。 .精确的实体复制。（照相馆）
民用消费级打印机
• 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。
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。高纯氩气或氦气 作保护性气氛。
激光增材制造用金属粉末
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，粒度为目。
• 分层厚度： • 市场范围：市场的打印机属
于民用消费级。 • 售价： • 消费人群：设计爱好者、小
企业、学校
民用消费级采用的工艺主要为熔积成型。
现代 技术 技术设计要打印的 各种物品的数字模 型。
计算机数控技术软件或系统 把数字模型切片。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。
数。 .凝固组织、内部缺陷质量
谢谢大家！
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。
金属零部件增材制造
国外金属材料增材制造的主要研究组织
• 美国 • 美国
• 、罗罗(英国)、、波音、洛马、诺格 • 西屋核电
• 公司 （占世界打印机销量的一半，年为万台） • 公司（世界最大的商用打印机） • 公司 • 、、
.目前用的原料粉末，都是已经冶炼好的钢的粉 末。
.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。
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，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。
大型客机主风挡窗框
“双曲面窗框，钛合金，只有欧洲有有家 公司能做，周期年，先付万美元模具费，而且 零件非常贵。而我们天就做好了，大件，件已 经装上了飞机。”
飞机起落架
一种超高强钢飞机起落架的制造方法 专利号： 发明（设计）人：王云阁;王向明;王华明
年某飞机起落架的关键零部件，目前已经批生 产，已经受多个起落。
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。”
纸 生物墨水
钛合金 塑胶 钨
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。
打印市场情况
年全球打印产业产值为亿美元，国内为亿 人民币。年增长率。
目前打印产品的主要应用领域
.快速模具制造（汽车） .高端零部件（航空零部件） .产品设计（电子消费品等，苹果手机） .医疗保健（牙科、假肢、骨骼）
王华明
增材制造金属部件有多贵
• 增材制造的金属部件每克售价元元,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,成本万.
• 外国记者 报道，中国用于增材制造的国防研发 费用约在万美元。
增材制造技术生产的家用金属用具成本是传 统生产成本的倍。
为什么增材制造航空零部件还能 降低成本
华中科技大学设备成型空间： ．米×．米。公司：． 米×．米。系统公司：．米×．米。使我国在激光烧结 快速制造领域达到世界领先水平。
西北工业大学制造的航空零部件
中央翼缘条 长度超过米 飞机主承力梁 长度米
金属增材技术的发展方向
.飞机结构件一体化制造（翼身一体） .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。”
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，我们做出来公斤，锻件公斤，节省材料。 年，已经做完了性能测试，比锻件还要好。年做出图示零件需 要天，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。所做零件经过小时 以上的抗疲劳测试。
增材制造（打印） （）
钢铁研究总院 科技运营部
背景打印成为关注热点
• 奥巴马宣布美国“制造创新国家网络”计 划，成立个制造创新中心组成网络，每年 投资亿美元。经过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。
• 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打印产业化。 科技部表示在制定打印的战略规划。
传统方法制造航空结构件：
.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，费用万，每一个零件的模具分摊费 就是几十万。
.设备贵。热锻用的万吨水压机投资亿。
.材料浪费多，材料利用率。 飞机零部件非常昂贵，这是飞机尤其是军用飞机贵的 原因。
金属材料增材制造的瓶颈 .成本太高,而且不具备规模
经济的优势。 .材料研发滞后。 .功率源开发滞后。 .各种金属材料最佳烧结参
激光增材制造技术工艺优势
.增材制造技术出来的部件组织细密，非常均匀。锻造（）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。
.周期短、成本低、柔性高效。 .节省材料，较常规制造方法提高倍以上。
激光增材制造技术工艺难点
.由于冷却速度太快，内应力大，容易内部缺陷。 .裂纹一旦形成，高速扩展。 . 晶粒组织难以控制。
.激光一走，温度迅速下降，容易出缺陷，做 不了大零件。
.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。
在大.缺尺乏寸复大杂型钛装合备金。整体结构件在上做试验失败年后，
公司倒闭。
国内增材制造的研究组织
编 号
单位
北航
代表 人物
王华明
专业
铸造 材料
工艺
激光 熔融
产品 航空部件
国家认可
国家技术发 明奖一等奖
华中 科大
西北 工大
清华
西安 交大
史玉升 黄卫东 颜永年 卢秉恒
பைடு நூலகம்
材料 铸造 机械 机械
激光 烧结
航空部件、 汽车部件、 骨骼、牙齿
激光 熔融
航空部件
容积 成型
塑料
光固 树脂、骨骼、 化 芯片
国家技术发 明奖二等奖
应用
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。 年进入 金属激光增材制造领域。
为国产、、、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。
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。
王华明激光快速成型装备，做了五代。
打印概念
• “增材制造”“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 打所印需机制，造都的是立“体分的层零制造件，。逐层叠加”。
打印的工艺 .熔积成型 ( ) 石蜡、金属、塑料、低熔
点合金丝 . 选择性激光烧结。（ ） 尼龙、腊、、金属和陶瓷
• 分层厚度： • 市场范围：市场的打印机属
于商用级。
• 售价：万万 • 消费人群：大中型生产制造
企业研发设计部门
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。
打印生产的假肢在欧美已经有人 以上在应用。
工业级打印机
涡轮引擎部件 钛合金
打印不是泡沫也非“神器”
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
王华明完成直径达、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，叶片度疲劳强度可以比第二代单 晶高。
王华明的增材制造技术总体评价
.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。
. 大部分零部件经过装机检验。
.在部分零部件性能上，增材制造>锻造>铸造。
.发动机叶盘整体制造，还未装机试验，但表现 出很大的潜力。
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。甚至.
新材料技术 打印材料的研发目前还在初级阶段。
商用级打印机
• 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。
高性能难加工大型复杂整体关
键构件激光直接制造技术
“钛框，面积平方米。万吨水压机模锻件能达到平 方米，万吨能达到平方米。 传统方法，铸锭，制胚，模具，模锻。美国的一个飞机 零件，压成一个饼吨，到最后加工完成只有公斤，材料 利用率不到。增材制造，材料利用率左右。
我们通过增材技术制造的最大的整体结构件平方米， 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，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。”
美国国防部资助了一系列的计划。 这些研究组织做出了大量的飞机零部件。例如：实验室做航 空发动机叶片。泵壳体尺寸左右， 作出高温合金管。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、重达的大型整体筋板加强钛合金发动机框、机翼拼接接头等 已经在及上得到批量应用。
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。