金屬3D列印或引發重大裝備生產模式變革


金屬3D列印或引發重大裝備生產模式變革

2020-12-25 環球網

增材製造(又稱3D列印)技術,是一種通過簡單二維逐層增加材料直接實現三維複雜結構製造的數位化、智能化、低成本、短周期先進位造的技術。它突破了傳統零件成形和加工製造技術的原理限制,從理論上來講,不依賴於傳統工業基礎設施,僅僅通過簡單的「二維數字列印」就可以直接製造出任意內部結構和外形、幾何尺寸的高性能三維複雜結構。

正因爲相較於傳統成形製造技術的變革性優勢,3D列印技術成爲當前裝備先進位造、結構設計和新材料等技術領域的熱點方向,歐美等發達國家紛紛將其列入國家發展戰略。而金屬3D列印技術屬於3D列印技術中的一個重要分支,其對高性能金屬構件的製造有著重要的推動作用。

作爲製造工業及國防重大裝備大型關鍵承力結構的主體,高性能金屬構件的製造將在這場製造業變革中出現怎樣的創新?金屬3D列印技術又將如何實現廣泛應用?就此,記者採訪了中國工程院院士、大型金屬構件增材製造國家工程實驗室主任、北京航空航天大學教授王華明。

發揮新技術「隨心所欲」優勢

記者:金屬可以說是日常生活中最常見的材料之一,就您的了解,傳統金屬製造技術還存在哪些關鍵性的制約問題?

王華明:由於相對非金屬材料具有特殊優勢,金屬被廣泛應用於重大裝備的大型關鍵承力結構中。但大型鑄錠面臨著晶粒粗大、組織疏鬆、化學成分偏析嚴重、塑性成形加工性能差等問題,會影響大型金屬構件成形製造能力和構件性能。可以認爲,在過去幾十年間,大型金屬構件製造能力和性能水平實際上沒有飛躍性進展。

記者:業內普遍認爲3D列印技術將引發一場製造業的變革,您覺得金屬3D列印技術將如何擺脫傳統製造的原理性制約?

王華明:金屬3D列印技術擁有超高溫、強對流的「微區超常冶金」特點,而且能使金屬的凝固冷卻速度高達數十萬攝氏度/秒,具有「激冷快速凝固」的特點。這兩種特點的結合可以使金屬3D列印技術徹底擺脫傳統大型鑄錠熔鑄和鍛造的原理性制約,使增材製造大型/超大型、複雜/超複雜金屬構件具有晶粒細小、成分均勻、結構緻密的快速凝固組織,並能方便地合成製備出傳統冶金製備技術無法製備的新一代金屬結構新材料。

利用金屬3D列印技術製造的構件,其內部質量、晶粒結構、微觀組織及性能,不僅不受零件尺寸、壁厚、位置的影響,而且在金屬構件逐層熔化、逐層凝固的3D列印過程中,還可以「隨心所欲」地控制3D列印合金熔池的熔體冶金狀態、凝固冷卻速度、溫度梯度等金屬結晶條件及固態冷卻等過程中的3D列印環境物理、化學條件,實現對零件不同部位材料的化學成分、晶粒尺寸、形態和取向以及微觀結構的主動控制,充分發揮不同材料的性能優勢,取長補短地把不同材料「按需設計」,定製於零件的不同部位,使增材製造梯度金屬材料構件具有單一材料無法具備的特殊性能。

記者:能否請您具體談談,金屬3D列印技術將對日常生活產生怎樣的影響?

王華明:就飛機製造來說,目前一架大型客機的機體結構零件數量數以萬計。未來如果利用金屬3D列印技術生產大型、複雜、整體、高性能、輕量化構件,一架大型飛機的機身結構零部件數量可能僅需數百個,可變革性地降低飛機自身結構重量。而且,在傳統情況下,飛機生產需要國家強大的重工業能力支撐,設計時間少則5年、多則十幾年。而將來利用金屬3D列印技術配合模擬仿真技術,可能會使飛機的研製生產周期呈現數量級降低。

若能充分發揮金屬3D列印技術低成本、短周期、數位化、智能化的優勢,或將對未來重大裝備的高性能金屬結構材料製備技術、高性能大型複雜整體關鍵金屬構件製造技術、結構設計技術,甚至對裝備生產模式產生變革性影響。

還需在多方面實現突破

記者:正如您所說,金屬3D列印技術確實具有很多傳統製造技術無法比擬的優勢,但從現實生活來看,這些優勢似乎還未發揮出來,在重大裝備研製和生產中的推廣應用還不多。爲推動廣泛應用,我國還應在哪些方面著力?

王華明:金屬3D列印技術的未來發展和在重大裝備中的作用,取決於對金屬增材製造過程中關鍵科學與合金技術等基礎問題的研究水平。

目前金屬3D列印技術主要有「粉牀選區熔化」技術和送粉/送絲「熔化沉積」技術兩類。「粉牀選區熔化」技術適合小型、複雜構件的製造,但如果想在裝備製造中獲得大量應用,就必須在工藝、設備、材料、質量性能控制等方面有重大突破,徹底解決列印零件尺寸受限、列印效率低、零件質量性能差、零件價格超高等瓶頸問題,否則該技術只能局限在很有限的特殊裝備製造中。

而「熔化沉積」技術雖然適合重大裝備大型關鍵承力構件的製造,但其技術難度更大。因此,深入研究熔化沉積列印過程中的熔池冶金、凝固、熱物理、固態相變等超常材料製備與成形基礎問題,發展高效、高精度、高性能大型關鍵金屬構件增材製造技術,研發基於增材微區冶金的新一代高性能金屬結構新材料,是該技術的重要發展方向。

(原載於《前沿科學》2019年第4期,內容有刪減)