由武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室（籌）完成的“大型金屬零件高效激光選區(qū)熔化增材制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備（俗稱激光3D打印技術(shù)）”順利通過了湖北省科技廳成果鑒定。深度融合了信息技術(shù)和制造技術(shù)等特征的激光3D打印技術(shù)，由4臺(tái)激光器同時(shí)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(shù)難題，解決了航空航天復(fù)雜精密金屬零件在材料結(jié)構(gòu)功能一體化及減重等“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜金屬零件的高精度成形、提高成形效率、縮短裝備研制周期等目的。

 

據(jù)了解， 華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室教授曾曉雁領(lǐng)導(dǎo)的激光先進(jìn)制造研究團(tuán)隊(duì)，在國家863和自然科學(xué)基金項(xiàng)目等資助下，經(jīng)過十年的長期努力，在SLM成形理論、工藝和裝備等諸多方面取得了重要成果，特別是突破了SLM成形難以高效制備大尺寸金屬零件等瓶頸。此前，我國在SLM技術(shù)領(lǐng)域與國際先進(jìn)水平相比有較大差距，大部分裝備依賴進(jìn)口。項(xiàng)目率先在國際上提出并研制出成形體積為500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造裝備，它由4臺(tái)500W光纖激光器、4臺(tái)振鏡分區(qū)同時(shí)掃描成形，成形效率和尺寸迄今為止同類設(shè)備中世界最大。

 

此外，項(xiàng)目還攻克了多光束無縫拼接、4象限加工重合區(qū)制造質(zhì)量控制等眾多技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜金屬零件的高效率、高精度、高性能成形。首次在SLM裝備中引入雙向鋪粉技術(shù)，其成形效率高出同類裝備的20-40%，標(biāo)志著我國自主研制的SLM成形技術(shù)與裝備達(dá)到了國際先進(jìn)水平，所研制的零件不僅大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，簡化了工序，更重要的是將結(jié)構(gòu)-功能一體化，獲得性能優(yōu)良的、輕質(zhì)的零件。SLM技術(shù)成形精度高、性能好、且不需要工模具，屬于典型的數(shù)字化過程,目前在復(fù)雜精密金屬零件的成形中具有不可替代性，在精密機(jī)械、能源、電子、石油化工、交通運(yùn)輸?shù)葞缀跛械母叨酥圃祛I(lǐng)域都具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。經(jīng)過質(zhì)詢與討論后，鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為該項(xiàng)目在SLM整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中在SLM裝備的成形尺寸和效率達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并建議進(jìn)一步拓展材料與裝備的應(yīng)用范圍。

 

 

中科院福建物構(gòu)所3D打印工程技術(shù)研發(fā)中心林文雄課題組在國內(nèi)首次突破了可連續(xù)打印的三維物體快速成型關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)出了一款超級(jí)快速的連續(xù)打印的數(shù)字投影（DLP） 3D打印機(jī)。該3D打印機(jī)的速度達(dá)到了創(chuàng)記錄的600 mm/h，可以在短短6分鐘內(nèi)，從樹脂槽中“拉”出一個(gè)高度為60 mm的三維物體，而同樣物體采用傳統(tǒng)的立體光固化成型工藝(SLA)來打印則需要約10個(gè)小時(shí)，速度提高了足足有100倍!

 

傳統(tǒng)的SLA技術(shù)采用逐層固化、層層累積的方式來構(gòu)造三維物體，層與層之間需中斷光照射，然后在已固化區(qū)域表面重新覆蓋或填充精確、均勻的光敏樹脂，再進(jìn)行光照射形成新的固化層，這種方式系統(tǒng)復(fù)雜且耗時(shí)。2015年3月，美國Carbon3D公司最早提出“連續(xù)液面生長技術(shù)”（CLIP）。該技術(shù)是通過透氧材料特氟龍引入氧氣作為固化抑制劑，在樹脂底部形成一層薄的液態(tài)抑制固化層，即所謂的“固化死區(qū)”，避免已固化區(qū)域與底部粘連，使固化過程保持連續(xù)性，從而比傳統(tǒng)的3D打印速度快25—100倍，達(dá)到500mm/h。

 

福建物構(gòu)所提出了一種特殊的半滲透性透明元件，作為樹脂槽內(nèi)底面的一部分，固定于打印光源的照射路徑上。該類型半滲透性透明元件對(duì)氧氣的透過率比一般高分子聚合物高，最高可達(dá)到5—10倍，因此氧氣或空氣均可作為固化抑制劑使用。具體的打印技術(shù)原理是：利用DLP投影系統(tǒng)提供照射光源，照射樹脂槽底部的構(gòu)建區(qū)域形成固化區(qū)域；同時(shí)通入氧氣或空氣，氧氣或空氣透過半滲透性透明元件進(jìn)入樹脂槽，在內(nèi)底面和固化區(qū)域之間形成一層幾十微米厚的抑制固化層。由于液態(tài)抑制固化層的存在，固化區(qū)域與樹脂槽底部能輕松無損傷分離，實(shí)現(xiàn)全程固化的高速連續(xù)性，獲得最大打印速度超過600 mm/h，比美國Carbon3D公司發(fā)布的連續(xù)3D打印設(shè)備速度快約20%。

 

 

由中國華中某科技大學(xué)研發(fā)的大型3D打印技術(shù)應(yīng)經(jīng)通過了國家驗(yàn)收，這說明這種世界上效率最高，打印尺寸最大的高進(jìn)度金屬零件加工技術(shù)已經(jīng)可以進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用中。而且這種大型裝備可以為我國的航空航天高精尖金屬零件的研制和生產(chǎn)上鋪平道路，甚至起到推倒”把脖子“技術(shù)瓶頸的至關(guān)重要的作用。這對(duì)中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造來說絕對(duì)是個(gè)好消息！

 

未來這種大型3D打印技術(shù)最主要的應(yīng)用就是在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵金屬部件上使用，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，航天火箭燃料泵的渦輪等加工要求精度高，加工復(fù)雜的金屬件上。一次性高精度成型，無論是樣品試制的時(shí)間或者直接量產(chǎn)時(shí)間都會(huì)成倍的縮短。尤其是現(xiàn)在航空航天設(shè)備都要求輕量化、可靠性要求高，壽命要長、成本更低的方向發(fā)展，所以這種大型3D打印設(shè)備的應(yīng)用空間非常廣泛。這回中國攻克3D激光打印技術(shù)，全稱為“大型金屬零件高效激光選區(qū)熔化增材制造裝備“，其實(shí)是一種采用自動(dòng)鋪金屬粉末堆疊后使用激光融化后再成型技術(shù)，簡單的說就是類似于玩蠟燭一樣。加工精度高，后期不需要過度加工，所以廣受國際上新材料領(lǐng)域的追捧，不過大家也都清楚的了解到這種技術(shù)在制造大型設(shè)備領(lǐng)域存在成型效率低，成型尺寸小的缺陷，所以誰能率先攻克大尺寸高效率的3D打印技術(shù)，誰就可以獲得領(lǐng)先地位。

 

目前歐美國家已經(jīng)開始試驗(yàn)使用3D金屬打印技術(shù)來打印發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工藝，不過受制于效率問題，只是處于試驗(yàn)階段尚未拖入量產(chǎn)，這正是中國可以大有作為的領(lǐng)域。由于中國在大功率激光器領(lǐng)域具備國際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，所以在核心部件上不存在被人制約的情況。而且打印所需的鈦合金、不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金粉末都可以完全自主國產(chǎn)，所以中國在3D金屬打印領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的成績?，F(xiàn)在國產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、20多個(gè)號(hào)產(chǎn)品上都有中國3D金屬打印產(chǎn)品。長期以來，在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片要承受高溫和高壓的持續(xù)炙烤和離心拉伸。而且要求具備良好的抗氧化性能和耐疲勞程度和拉伸韌性。以前發(fā)動(dòng)葉片生產(chǎn)是需要采用定向凝固法才可以實(shí)施，加工復(fù)雜成型難度大。這種加工方法是正常澆注時(shí)配合電磁鐵產(chǎn)生定向磁場讓高溫合金緊密排列。加工難度大，制造復(fù)雜，所以最適合先進(jìn)3D打印技術(shù)進(jìn)行替換升級(jí)。中國目前掌握的這項(xiàng)技術(shù)，不僅可以為中國的戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行升級(jí)改造，同時(shí)對(duì)于中國大飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)研制和其他結(jié)構(gòu)件的制造打開一片新的思路。

 

在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，俄羅斯確實(shí)是中國師傅輩，但是在新型材料和制造技術(shù)領(lǐng)域，俄羅斯卻一直是個(gè)短板，尤其是3D打印領(lǐng)域，俄羅斯一直沒有把它列為國家戰(zhàn)略。所以俄羅斯很多有技術(shù)積累的公司都主動(dòng)和中國展開技術(shù)合作。當(dāng)聽說中國把3D打印技術(shù)列為國家戰(zhàn)略后，甚至相當(dāng)迫切的直接找上門來跟中國在這些領(lǐng)域建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研究。此次俄羅斯總統(tǒng)普京在訪華行程中，就會(huì)有關(guān)于新型制造業(yè)的合作討論，有充分理由相信大型3D金屬打印技術(shù)也會(huì)列入此番合作意向中，很有可能會(huì)實(shí)現(xiàn)中國制造對(duì)俄再出口，這無疑將會(huì)是繼船用發(fā)動(dòng)機(jī)、大型補(bǔ)給設(shè)備后另一項(xiàng)突破性進(jìn)展。

 

 

中科院重慶研究院與中科院空間應(yīng)用中心近日共同研制成功我國首臺(tái)空間3D打印機(jī)，并于日前在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗(yàn)，其可打印最大零部件尺寸超過美國國家航空航天局(NASA)3月26日運(yùn)至國際空間站的升級(jí)版3D打印機(jī)打印尺寸。一臺(tái)保險(xiǎn)箱大小的3D打印機(jī)，打印出不同類型的零部件，包括扳手、螺帽、連接桿等。無論如何傾斜，這臺(tái)空間3D打印機(jī)都能正常工作。

 

中科院重慶研究院智能制造技術(shù)研究所副所長、3D打印技術(shù)研究中心主任段宣明介紹，經(jīng)過兩年努力，該院與空間應(yīng)用中心研發(fā)出我國首臺(tái)空間3D打印機(jī)，可打印最大零部件尺寸達(dá)到200×130mm，該尺寸是NASA首臺(tái)空間在軌打印機(jī)打印尺寸的2倍以上，并超過今年3月26日NASA運(yùn)至國際空間站的升級(jí)版3D打印機(jī)打印尺寸。“我們?cè)诜▏柖嗤瓿闪藪佄锞€失重飛行試驗(yàn)，通過93次失重測(cè)試，驗(yàn)證了微重力環(huán)境下3D打印裝備的關(guān)鍵技術(shù)與工藝，實(shí)現(xiàn)了塑料和復(fù)合材料兩種材料，以及失重、超重和正常重力3類工藝參數(shù)的4種模型的微重力打印，獲得了微重力環(huán)境對(duì)3D打印工藝參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為我國2020年完成空間站建造及后期運(yùn)營奠定了基礎(chǔ)。”

 

空間在軌3D打印制造是解決空間站維修保障需求的有效方法，是完成未來深空探測(cè)任務(wù)的必要保證。在沒有空間在軌3D打印制造技術(shù)前，空間站需要準(zhǔn)備和儲(chǔ)存?zhèn)溆昧悴考糜诰S修和更換，如果缺乏備用件，只能通過貨運(yùn)飛船運(yùn)抵空間站，時(shí)間長，花費(fèi)高。段宣明說，空間3D打印制造技術(shù)的打印速度為10—30毫米/秒，可以在一到兩天內(nèi)打印出需要更換的零部件，且適用于絕大部分零部件，在空間站運(yùn)營、深空探測(cè)等任務(wù)中有不可或缺的作用，能方便、快捷地幫助宇航員在失重環(huán)境下自制所需的實(shí)驗(yàn)和維修工具及零部件，大幅度提高空間站實(shí)驗(yàn)的靈活性和維修的及時(shí)性，減少空間站備品備件的種類、數(shù)量及運(yùn)營成本，降低空間站對(duì)地面補(bǔ)給的依賴性。

 

 

年初，西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司（以下簡稱“鉑力特”）自主研發(fā)的SLM系列設(shè)備BLT-S300，為中核北方核燃料元件有限公司（以下簡稱：“二零二廠”）3D打印 CAP1400自主化燃料原型組件下管座（核燃料元件）順利下線，國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了3D打印核燃料元件（CAP1400下管座）的技術(shù)應(yīng)用。為3D打印技術(shù)應(yīng)用于核燃料元件制造開發(fā)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。這是鉑力特BLT-S300設(shè)備首次在客戶手中完成3D打印產(chǎn)品，更是國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)3D打印核燃料元件。BLT-S300完美首秀，得到二零二廠的一致認(rèn)可。在核燃料元件產(chǎn)品日益“多元化”的今天，鉑力特BLT-S300通過金屬3D打印技術(shù)快速、精密成形的制造方式，向中國核工業(yè)闡釋著3D打印與核燃料元件制造、與智能制造融合。

 

核燃料元件制造是集設(shè)計(jì)與加工于一體的高端精密制造，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需多種工序交叉作業(yè)加工才能完成 。3D打印技術(shù)，自提出以來就定位于精密制造，能直接利用計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任意形狀的零件。BLT-S300采用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，通過逐層熔化金屬粉末的制造方式，完成傳統(tǒng)機(jī)械加工無法制造的復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)零件，制備的成形產(chǎn)品擁有致密性好、尺寸精度高的特點(diǎn)。同時(shí)金屬3D打印快速制造的技術(shù)特點(diǎn)，能夠縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)與制造成本，快速、高性能的實(shí)現(xiàn)核燃料元件開發(fā)與制備。

 

目前中核北方核燃料元件有限公司使用的3D設(shè)備為SLM-S300激光成型設(shè)備，在鋪粉精密成型方面具有很大優(yōu)勢(shì)，目前設(shè)備正處于預(yù)驗(yàn)收階段，該階段將對(duì)設(shè)備成形質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，后續(xù)將進(jìn)行星形架、格架及測(cè)高儀零部件等各種復(fù)雜零件的3D打印技術(shù)的應(yīng)用。在制備產(chǎn)品性能經(jīng)過驗(yàn)收合格后，BLT-S300將為二零二廠3D打印各種復(fù)雜零件建造提供重要的裝備支持。求新創(chuàng)新，二零二廠讓3D打印技術(shù)在核燃料元件制造提供更多可能性，鉑力特用3D打印精密成形設(shè)備為二零二廠提供更多技術(shù)服務(wù)，精誠合作攜手為中國的核工業(yè)共創(chuàng)輝煌。

 

 

近日，中國航天科技集團(tuán)公司一院211廠利用激光同步送粉3D打印技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了長征五號(hào)火箭鈦合金芯級(jí)捆綁支座試驗(yàn)件的快速研制，這是激光同步送粉3D打印技術(shù)首次在大型主承力部段關(guān)鍵構(gòu)件上應(yīng)用。該產(chǎn)品的試制成功對(duì)拓展3D打印技術(shù)在箭體結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的應(yīng)用、豐富大型難加工金屬結(jié)構(gòu)件研制技術(shù)手段具有重要意義。

 

據(jù)悉，捆綁支座為運(yùn)載火箭主承力構(gòu)件，綜合力學(xué)性能要求高，目前主要采用加工性能較好的高強(qiáng)鋼，通過鍛造再機(jī)加的方式成形。但這一加工方式存在材料去除量大、加工周期長等問題。面對(duì)新型號(hào)減重的迫切需求，該廠提出采用具有更高比強(qiáng)度的鈦合金材料，利用激光同步送粉3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)捆綁支座的整體成形。經(jīng)過系統(tǒng)工藝研究，該廠試制的產(chǎn)品順利通過了成分、組織性能、表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量等各類檢測(cè)，整體綜合性能達(dá)到鍛件水平，且較原設(shè)計(jì)減重30%。

 

激光同步送粉3D打印技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了難加工金屬材料的快速成形，同時(shí)還為箭體主承力部段的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

 

 

近日，中國航天科工三院306所技術(shù)人員成功突破TA15和Ti2AlNb異種鈦合金材料梯度過渡復(fù)合技術(shù)，其采用激光3D打印試制出的具有大溫度梯度一體化鈦合金結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道試驗(yàn)件順利通過了力熱聯(lián)合試驗(yàn)。

 

該技術(shù)成功融合了激光3D打印與梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合制造兩種工藝，解決了傳統(tǒng)連接方式（如法蘭連接、焊接等工藝方法）帶來的增重、密封性差和結(jié)構(gòu)件整體強(qiáng)度剛度低等問題，為具有溫度梯度結(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)與制造開辟了新的研制途徑；同時(shí)，開創(chuàng)了一種異種材料間非傳統(tǒng)連接的制造模式，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化零部件的設(shè)計(jì)與制造。