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机械制造之增材制造技术的研究《资讯》

发布时间:2020-08-17 13:52:10 阅读: 来源:阿胶厂家

2016-11-16 09:29:15来源: 贤集网

增材制造技术是一种利用激光或电子束等手段,依据三维CAD建模,在计算机自动控制下通过材料逐层添加堆积而直接快速精确形成零件的制造技术,也称为“添材制造”、“添加式制造”、“3D打印”、“实体自由制造”等。增材制造技术是对传统切削加工技术的原理性颠覆,不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序,在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决了许多过去难以实现的复杂结构零件的制造问题,因此在武器装备研制生产中显示出不可替代的作用和广阔应用前景,成为世界国防前沿技术的研究热点和重点。美国《时代》周刊已将增材制造技术列为“美国十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志则认为它将与其他数字化生产模式一起推动实现新的工业革命。

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(一)研究进展

近年来,增材制造技术持续升温,世界许多国家均通过制定制造业发展战略、制定技术路线图等多种措施,促进增材制造技术的发展和应用。增材制造工艺过程检测技术取得重要进展,成形效率和质量显著提高。近年来,随着工艺过程不断优化,适用材料品种不断增加,设备加工检测能力不断提升,制造效率、产品精度和质量获得稳步提升,增材制造技术应用范围迅速扩展。

2013年,DST Control公司利用熔融堆积成形技术成功制造了COLIBRI微型高性能光电万向支架中的20个塑料零件,该光电万向支架用于无人系统的成像,并已装备一个球形地面无人车Groundbot。预计COLIBRI支架最初的年产量为50个,交货周期由10-12周减少到4周。2016年,Promolding公司通过利用Stratasys PolyJet 3D打印解决方案,将注塑模具的生产时间缩短了93%,空客公司等航空航天制造企业也有望大规模应用这一技术。

增材制造技术的标准规范日益完善,标志着该项技术开始走向成熟应用。目前,增材制造技术标准与规范的制订日益受到重视,将促进该技术的健康持续发展。2012年,美国材料实验协会(ASTM)国际委员会针对Ti-6Al-4V的增材制造制订了F2924-12标准。2013年9月,美国国家标准与技术研究院(NIST)公布了总额740万美元的资金援助项目,以解决增材制造在测量和标准方面面临的重大问题。2015年7月,欧盟“增材制造标准化支持行动(SASAM)”项目发布了增材制造标准化路线图,明确阐述了标准化对增材制造技术发展和应用的重要性。

增材制造技术和生物制造技术深度交叉融合,叠加优势效应开始显现。生物3D打印能直接打印出活体组织,甚至直接打印活体替代器官。2010年6月,美国Organovo公司成功研制出“按需打印”患者所需的人体活器官的机器,对未来战场及时救援具有巨大潜在意义。2013年2月20日,美国康奈尔大学的研究人员利用牛耳细胞3D打印出人造耳朵。2016年,美国海军研究实验室(NRL)化学部门负责人Ringeisen发明的生物激光打印机(BioLP)目前已经获得专利批准,美国海军研究实验室希望借此技术治疗一些常见战场伤病,如创伤性脑损伤、烧伤以及听力损伤等。

(二)发展趋势

增材制造技术代表着生产模式和先进制造技术发展的趋势,产品生产将逐步从大规模制造向定制化制造发展,满足社会多样化需求。其间接作用和未来前景难以估量。增材制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制、结构复杂零件制造。增材制造技术相对传统制造技术还面临许多新挑战,还存在使用成本高(10元/g~100元/g),制造效率低。例如金属材料成形为100g/h~3000g/h,制造精度尚不能令人满意;其工艺与装备研发尚不充分,尚未进入大规模工业应用等问题。

目前,增材制造技术还只是传统大批量制造技术的一个补充,未来将会与传统技术优选、集成,形成新的发展增长点。向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉,逐层堆积金属,形成金属直接成形技术。该技术可以直接制造复杂结构金属功能零件,制件力学性能可以达到锻件性能指标。随着技术的不断成熟,增材制造的使用成本不断降低,其应用重点已经由最初的设计和原型工具的应用,转向了功能部件和产品的生产,进一步提高精度和性能,同时向陶瓷零件的增材制造技术和复合材料的增材制造技术发展。

向智能化装备发展。目前,增材制造设备在软件功能和后处理方面还有许多问题需要优化。例如,成形过程中需要加支撑,软件智能化和自动化需要进一步提高;制造过程,工艺参数与材料的匹配性需要智能化;加工完成后的粉料或支撑需要去除等问题,这些问题直接影响设备的使用和推广。

向组织与结构一体化制造发展。增材制造下一步是实现从微观组织到宏观结构的可控制造。例如,在制造复合材料时,将组织设计制造与外形结构设计制造同步完成,在微观到宏观尺度上实现同步制造,实现结构体的“设计—材料—制造”—体化。支撑生物组织制造、复合材料等复杂结构零件的制造,给制造技术带来革命性发展。

(三)重大影响

增材制造技术可显著改善装备制造流程,提高装备的战术适应性,不仅将为装备研制带来重大变革,而且可能从根本上影响国防工业基础,甚至会对战争形态和作战样式产生颠覆性影响。增材制造将实现复杂装备轻质、高强、低成本及敏捷化质的飞跃。目前,使用3D打印钛合金零件的F-35已经进行了试飞。

据估计,未来如果3000多架战机都使用增材制造技术生产零部件,不仅大大提高“难产”的F-35战机的部署速度,而且还能节省数十亿美元成本,如原本相当于材料成本1~2倍的加工费现在只需原来的10%。增材制造可大幅降低贵重资源消耗,实现国防稀缺资源高效利用。采用增材制造方式超过90%的原材料可以回收再利用,这对于国防工业的稀缺资源来说,具有重要的战略意义。例如在航空航天领域,为实现零件的高性能,需要大量使用钛合金和镍基合金等昂贵的战略材料。F-22战机的钛合金框材料利用率仅为4.8%,如运用增材制造技术,可节约2/3以上的昂贵钛合金原材料。

增材制造将激发新型装备设计理念,创造更加卓越的价值链体系。增材制造不仅是一种先进的制造技术,它还将对现有的设计理念、生产方式和研发模式产生冲击,使得制造和设计被整合成为“精确研发”模式。这不但会影响制造业本身,还将改变整个装备研发体系。借助信息技术所形成的“信息物理系统”,增材制造所具有的开放型和大众性,将为未来的创新搭建了广阔的舞台。

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