话说3D打印高新技术:基本原理与工艺

2021年09月06日 10:57 3256次浏览 来源: 中国日博娱乐报   分类: 新材料前沿   作者:

导读: 3D打印的英文为Three-Di-mensional(三维)打印,这种技术是一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置制造零部件与结构的工艺,与我们熟悉的普通打印机工作原理大体相同,不过,普通打印是一种二维(平面)打印,用的是纸与油墨,可称为2D打印,而3D打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层又一层地堆积起来,最终把计算机上的蓝图变成实实在在的物体、机器零部件、结构件与日用品。如今,这一技术在很多领域得到应用,用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力、机械零件、航空航天器结构件。

图1 增材制造的飞机起落架钛合金壳体


 图 2 西南铝业(集团)有限责任公司生产的火箭用10m级铝合金环件,卢院士团队用增减材二合一法打印的与其完全一模一样。

  什么是3D打印技术

3D打印的英文为Three-Di-mensional(三维)打印,这种技术是一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置制造零部件与结构的工艺,与我们熟悉的普通打印机工作原理大体相同,不过,普通打印是一种二维(平面)打印,用的是纸与油墨,可称为2D打印,而3D打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层又一层地堆积起来,最终把计算机上的蓝图变成实实在在的物体、机器零部件、结构件与日用品。如今,这一技术在很多领域得到应用,用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力、机械零件、航空航天器结构件。

简单地说,3D打印分为两步,首先,在需要成型的区域喷洒特殊的胶水,然后均匀地喷洒一层粉末,粉末遇到胶水就会固化黏结,没有胶水的地方仍保持原有的松散状态,一次又一次地重复这一过程,直到实体模型一模一样地被“打印”出来,毫无区别,由于其分层加工的过程与常规的喷墨打印及打印机非常相似,所以被称为“打印机”。

3D打印技术又称为增材制造、增材技术(工艺),美国ASTM国际(International)在其有关材料中将增材制造与3D打印这两个术语等同起来,即“增材制造也被称为3D打印,使用计算机辅助设计逐层制备。”维基百科称:精确度、可重复性和材料范围已增至使3D打印被视为一项工业生产技术,名曰增材制造。也有人认为,增材制造就是3D打印的工业版。

与增材制造对应的就是减材制造,零部件的常规制造工艺就是减材制造技术,例如,成品铸件、压铸件的净质量比投入的原材轻10%-20%,甚至更多,而在增材制造过程中,工件的质量总是在增加的,零件制成时仅进行少量(小于10%)切削加工。

国内外近期制造的

3D打印大型结构件

3D打印技术是当前制造业中一项新的尖端制造技术,近年来,3D打印零部件销售额的年平均增长率大于或等于25%,在铝、镁、钛、不锈钢等结构件制造中获得了相当广泛的应用。此工艺的出现,对工业制造领域传统思维模式和设计理念来说,是一个巨大的冲击与挑战,使设计师的思想与构思得到更加深远与更彻底的释放,产品设计不再受传统加工工艺的局限,所以有人将其称为“第三次工业革命”的典型代表之一。3D打印技术可以顺利实现传统减法制造技术很难或无法达到的设计,更不要说制造了。3D打印作为一项前沿制造技术,在短短数年间其应用范围就迅速扩大到包括航空航天器、交通运输装备、船舶舰艇、医疗器械、体育用品、日常用品、文化创意、高档服饰、创新教育等几十个领域与产业。

3D打印的飞机起落架钛合金组件

众所周知,飞机起落架是一个非常重要的结构组件,降落时会受到巨大的冲击力,它的一些零件过去是用高强度铝合金(如2024合金和7075合金)、钛合金锻造的。2021年初,法国赛峰集团所属的赛峰起落架系统公司采用直接金属激光烧结技术(SLM)打印了公务机的起落架壳体,其尺寸为455mm×295mm×805mm,对3D打印来说,这是一个很大的工件(图1),是用Ti-6Al-4V粉合金打印的,与用传统工艺锻造的铝合金组件相比,其质量下降了15%,同时还具有更高的力学性能,可承受更高的应力。该项目研发技术平台负责人指出:“这是一个承受很大压力的元件,必须能在枢轴上旋转,以便起落架在飞机下方收回,并且它必须吸收来自飞机机轮的机械应力。在这种性质和尺寸下的一个关键零件采用增材制造是世上首次。”

该起落架钛合金壳体是SLM解决方案公司在其SLM 800型增材制造机上打印的,该机床以其四激光技术和可靠性闻名于世。科技人员没有采用6轴机床将壳体组件分为3个单独的零件生产,而是一次制成,从而清除了昂贵且费时的组装。通过适应增材制造的新设计方案,既使壳体的质量降低了15%,又大大缩短了打印时间,做到了双全其美,使赛峰集团达到了他们长期孜孜以求的两个目标。

传统上,这种壳体是用高强高韧变形铝合金锻造的,但是赛峰起落架系统公司考虑到Ti-6Al-4V合金的强度和抗腐蚀性能都优于铝合金的,所以改用久经考验的钛合金。该公司表示,打印好的钛合金壳体的70%表面都没有进行机械加工,仅对少量的功能性表面做了微微的加工,以延长其使用寿命。当下,该公司计划在2022年对打印的壳体进行认证测试,航空器零部件必须经过相关部门的认证,这是关键的一步。

一体化打印的10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件

20211月,国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队采用增材制造技术制成了全球首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件。他们利用电弧熔丝增减材一体化制造工艺,在整体制造工艺的稳定性、精度控制、变形与应力控制等方面都实现了重大技术突破,达到了全球前所未有的新高度与境界。

10m级超大型铝合金环件(图2)是连接重型运载火箭贮箱筒段、前后底与火箭箱间段之间的关键结构件,通常是用2219铝合金打造的,重约1t,卢院士团队创新采用多丝协同工艺装备,大大简化了工艺过程、大幅降低了生产成本、显著缩短了打印周期,仅用1个月就制成了。

卢院士团队目前采用增减材一体化制造技术成功完成超大型环件,属国际首例。该成果将会助力增材制造使我国航天事业更加气势恢弘,同时,也为我国航天事业重大结构件的快速制造提供了强有力的技术支撑。

 

责任编辑:杨一鸣

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