由武漢光電國(guó)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(chēng)激光3D打印技術(shù)）”順利通過(guò)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(guó)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(guó)家863和自然科學(xué)基金項(xiàng)目等資助下，經(jīng)過(guò)十年的長(zhǎng)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(guó)在SLM技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平相比有較大差距，大部分裝備依賴(lài)進(jìn)口。項(xiàng)目率先在國(guó)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(lèi)設(shè)備中世界最大。

 

此外，項(xiàng)目還攻克了多光束無(wú)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(lèi)裝備的20-40%，標(biāo)志著我國(guó)自主研制的SLM成形技術(shù)與裝備達(dá)到了國(guó)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(jiǎn)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(guò)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(guò)質(zhì)詢(xún)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(guó)際先進(jìn)水平，其中在SLM裝備的成形尺寸和效率達(dá)到國(guó)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(guó)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(kāi)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(shù)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(lái)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(lái)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(shù)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(guó)Carbon3D公司最早提出“連續(xù)液面生長(zhǎng)技術(shù)”（CLIP）。該技術(shù)是通過(guò)透氧材料特氟龍引入氧氣作為固化抑制劑，在樹(shù)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(guò)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(shù)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(lèi)型半滲透性透明元件對(duì)氧氣的透過(guò)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(shù)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(guò)半滲透性透明元件進(jìn)入樹(shù)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(shù)脂槽底部能輕松無(wú)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(guò)600 mm/h，比美國(guó)Carbon3D公司發(fā)布的連續(xù)3D打印設(shè)備速度快約20%。

 

 

由中國(guó)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(guò)了國(guó)家驗(yàn)收，這說(shuō)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(guó)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(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造來(lái)說(shuō)絕對(duì)是個(gè)好消息！

 

未來(lái)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(wú)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(zhǎng)、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(guó)攻克3D激光打印技術(shù)，全稱(chēng)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(jiǎn)單的說(shuō)就是類(lèi)似于玩蠟燭一樣。加工精度高，后期不需要過(guò)度加工，所以廣受?chē)?guó)際上新材料領(lǐng)域的追捧，不過(guò)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(shuí)能率先攻克大尺寸高效率的3D打印技術(shù)，誰(shuí)就可以獲得領(lǐng)先地位。

 

目前歐美國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始試驗(yàn)使用3D金屬打印技術(shù)來(lái)打印發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工藝，不過(guò)受制于效率問(wèn)題，只是處于試驗(yàn)階段尚未拖入量產(chǎn)，這正是中國(guó)可以大有作為的領(lǐng)域。由于中國(guó)在大功率激光器領(lǐng)域具備國(guó)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(guó)產(chǎn)，所以中國(guó)在3D金屬打印領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的成績(jī)。現(xiàn)在國(guó)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(guó)3D金屬打印產(chǎn)品。長(zhǎng)期以來(lái)，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(chǎng)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(guó)目前掌握的這項(xiàng)技術(shù)，不僅可以為中國(guó)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(guó)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(kāi)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(guó)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(méi)有把它列為國(guó)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(guó)展開(kāi)技術(shù)合作。當(dāng)聽(tīng)說(shuō)中國(guó)把3D打印技術(shù)列為國(guó)家戰(zhàn)略后，甚至相當(dāng)迫切的直接找上門(mén)來(lái)跟中國(guó)在這些領(lǐng)域建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)研究。此次俄羅斯總統(tǒng)普京在訪(fǎng)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(guó)制造對(duì)俄再出口，這無(wú)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(guó)首臺(tái)空間3D打印機(jī)，并于日前在法國(guó)波爾多完成了拋物線(xiàn)失重飛行試驗(yàn)，其可打印最大零部件尺寸超過(guò)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)3月26日運(yùn)至國(guó)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(lèi)型的零部件，包括扳手、螺帽、連接桿等。無(wú)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(zhǎng)、3D打印技術(shù)研究中心主任段宣明介紹，經(jīng)過(guò)兩年努力，該院與空間應(yīng)用中心研發(fā)出我國(guó)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(guò)今年3月26日NASA運(yùn)至國(guó)際空間站的升級(jí)版3D打印機(jī)打印尺寸。“我們?cè)诜▏?guó)波爾多完成了拋物線(xiàn)失重飛行試驗(yàn)，通過(guò)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(lèi)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(guó)2020年完成空間站建造及后期運(yùn)營(yíng)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(lái)深空探測(cè)任務(wù)的必要保證。在沒(méi)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(guò)貨運(yùn)飛船運(yùn)抵空間站，時(shí)間長(zhǎng)，花費(fèi)高。段宣明說(shuō)，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(yíng)、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(lèi)、數(shù)量及運(yùn)營(yíng)成本，降低空間站對(duì)地面補(bǔ)給的依賴(lài)性。

 

 

年初，西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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(jiǎn)稱(chēng)：“二零二廠(chǎng)”）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(xiàn)，國(guó)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(kāi)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(hù)手中完成3D打印產(chǎn)品，更是國(guó)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(chǎng)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(guò)金屬3D打印技術(shù)快速、精密成形的制造方式，向中國(guó)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(lái)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(guò)逐層熔化金屬粉末的制造方式，完成傳統(tǒng)機(jī)械加工無(wú)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(kāi)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(kāi)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(guò)驗(yàn)收合格后，BLT-S300將為二零二廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)提供更多技術(shù)服務(wù)，精誠(chéng)合作攜手為中國(guó)的核工業(yè)共創(chuàng)輝煌。

 

 

近日，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司一院211廠(chǎng)利用激光同步送粉3D打印技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)等問(wèn)題。面對(duì)新型號(hào)減重的迫切需求，該廠(chǎng)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(guò)系統(tǒng)工藝研究，該廠(chǎng)試制的產(chǎn)品順利通過(guò)了成分、組織性能、表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量等各類(lèi)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(guó)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(guò)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(guò)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(lái)的增重、密封性差和結(jié)構(gòu)件整體強(qiáng)度剛度低等問(wèn)題，為具有溫度梯度結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與制造開(kāi)辟了新的研制途徑；同時(shí)，開(kāi)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。