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【解析】激光立体成形:高性能增材制造技术的代表

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本帖最后由 小软熊 于 2017-8-8 11:59 编辑

1892年,一个立体地形模型制造的美国专利首创了叠层制造原理,在其后的一百年间,类似的叠层制造专利有数百个之多,实践中的技术探索也层出不穷。但以立体光刻技术的诞生为标志,以快速满足柔性化需求为主要应用目标的现代增材制造技术才真正形成。可以说,如果没有CAD实体模型和对其进行分层剖分的软件技术,没有能够控制激光束按任意设定轨迹运动的振镜技术、数控机床或机器手,增材制造技术的柔性化特征就只能停留在一种理想的原理上。因此,增材制造技术应该被称为信息化增材制造技术或数字化增材制造技术。
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作为信息化时代的代表性制造技术,增材制造技术是应该得到大力支持的前沿技术,是使我国在信息化时代,特别是当前回归实体制造业的世界潮流中占领制造技术领域国际制高点的优先发展方向。  激光立体成形是能够满足成形成性一体化极限需求的增材制造技术    自立体光刻技术诞生以来,产生了很多构思奇妙的增材成形制造技术,对社会生产力的发展起到了极大的推动作用。

但大多数增材成形技术主要是应用于快速原型制造,所以一度被冠以“快速原型”技术的名称。但增材成形原理绝非只能用于成形,也可以解决高性能的需求。激光立体成形技术就是一种兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化制造技术。激光立体成形技术是将增材成形原理与激光熔覆技术相结合,集激光技术、计算机技术、数控技术和材料技术诸多现代先进技术于一体的一项实现高性能致密金属零件快速自由成形的增材制造技术。   
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20世纪90年代以来,材料加工技术发展前沿呈现了一个明显的趋势,即追求短流程、低消耗、高柔性、环境友好、成形与组织性能控制一体化的先进技术。这种趋势反映的是需求的极限化要求,即同时满足多方面高端需求。这种极限化的需求在很多领域反映出来,而尤以航空航天领域为典型。航空航天领域的金属材料加工技术的典型前沿需求是兼顾高精度、高性能、高柔性与快速反应,成形结构十分复杂的薄壁金属零件。


尽管铸、锻、焊、粉末冶金等各种传统技术都被努力发挥到近于极限,但由于其各自的技术原理所带来的根本性限制,依然难以满足这种极限化需求,这常常成为制约航空航天整体技术发展的瓶颈。激光立体成形技术,作为一种快速自由成形高性能致密金属零件的新技术,为解决同时满足上述多方面高端需求的难题提供了一条全新的技术途径。这项技术在医学植入体、船舶、机械、能源、动力领域复杂整体构件的高性能直接成形和快速修复等领域也都有广阔的应用前景。   
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同批量化制造相比,满足多样化需求的个性化制造本质上是高成本的。信息化增材制造与采用常规制造技术来满足多样化和个性化需求相比,成本已经得到了极大的降低,但同批量化制造相比其成本仍然更高。因此,除了在新品研制和航空航天等可以承受较高制造成本的高端领域外,激光立体成形技术在其他领域的应用发展还受到较大的限制。


但任何新技术的发展都有一个从初期的高成本逐渐降至低成本的过程。激光立体成形有进一步降低制造成本的广阔空间。一方面,激光器及其运行成本在不断降低;另一方面,随着人力成本越来越高,激光立体成形相对于需要大量人力的传统加工技术的成本会变得越来越低。在现阶段,激光立体成形还主要是在要求高性能、小批量、快速反应的零件生产的场合具有竞争力,而未来在批量生产领域的竞争力也会逐渐增强。   
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增材制造/激光立体成形技术的发展现状与趋势    近年来,激光立体成形技术得到发达国家政府、大企业和研究机构的高度重视。作为美国制造业振兴计划“We Can,t Wait”项目的一部分,美国政府于2013年8月高调宣布成立国家增材制造创新研究所(NAMII:National Additive Manufacturing Innovation Institute),其第一阶段的政府和民间投资为7000万美元。奥巴马总统强调这个研究所的成立是强化美国制造业的步骤。在空客于2006年启动的集成机翼计划(Integrated Wing ATVP,第一阶段总经费3400万英镑)中,英国焊接研究所(TWI)承担起落架激光成形研发工作,经费400万英镑,TWI为此建立了两套激光成形装备。


南非科技与工业研究院(CSIR)下属的国家激光中心与南非航空制造公司Aerosud将合作开展Aeroswift项目研究。Aeroswift的目标是,自主开发高速度、大体积的高性能金属零件激光添加材料制造(LAM)系统,为全球航空工业制造钛金属材料配件,并力争在未来三年内,使Aerosud成为全球航空结构材料制造领域的领军者。Aeroswift的目标是直接加工2m×0.5m×0.5m的零件。为此,南非科技部已经投入了2800万兰特(约合1712万元人民币),并且预计他们的LAM制造体系将在2012年底至2013年初完成组建和试验工作,然后开始优化和工艺鉴定,希望从2015年开始全面生产。   
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美国波音公司、洛克希德・马丁公司、通用电气航空发动机公司、Sandia国家实验室和Los Alomos国家实验室、欧洲EADS公司、英国罗罗公司、法国SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大国家研究院、澳大利亚国家科学研究中心等大型公司和国家研究机构都对激光立体成形技术及其在航空航天领域的应用开展了大量研究工作。参与这项研究的世界著名大学更是数不胜数。   


值得注意的是,美国军方对这项技术的发展给予了相当大的关注,在其直接支持下,美国于2000年率先将这一先进技术实用化。应用目标包括先进飞机承力结构件如钛合金支架、吊耳、框、梁等,航空发动机零件如镍基高温合金单晶叶片,战术导弹、人造卫星、超音速飞行器的薄壁结构件如导弹制导部外壳座、导弹姿态控制系统的铼燃烧室等。2002年10月该公司获得美国国防部后勤局(U.S.Defense Logistics Agency)出资1940万美元,资助AeroMet公司由单纯的技术研究开发到成为军用及民用飞机的通过认证的、性能可靠的钛合金结构件激光立体成形制造供应商的转变。   
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我国在激光立体成形技术领域处于世界先进水平。西北工业大学于1995年开始在国内率先提出以获得极高(相当于锻件)性能构件为目标的激光立体成形的技术构思,并在迄今17年的时间里持续进行了激光立体成形技术的系统化研究工作,形成了包括材料、工艺、装备和应用技术在内的完整的技术体系。针对航空航天等高技术领域对结构件高性能、轻量化、整体化、精密成形技术的迫切需求,开展了钛合金、高温合金、超高强度钢和梯度材料激光立体成形工艺研究,突破结构件的轻质、高刚度、高强度、整体化成形,应力变形与冶金质量控制,成形件组织性能优化等关键技术。

激光成形和修复了大量飞机中关键结构件,解决了飞机任务研制过程中迫切需要解决的关键技术难题,为飞机研制与生产提供了有力的技术保障。针对大型钛合金构件的激光立体成形,解决了大型构件变形控制、几何尺寸控制、冶金质量控制、系统装备等方面的一系列难题,并试制成功C919大飞机翼肋TC4上、下缘条构件,该类零件尺寸达450mm×350mm×3000mm(图1),成形后长时间放置后的最大变形量小于1mm,静载力学性能的稳定性优于1%,疲劳性能也优于同类锻件的性能。
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而专用于先进飞机结构件的激光成形修复装备可以修复尺寸达5000mm×600mm×3000mm的零件。激光组合制造和成形修复在航空工业中得到广泛应用。该技术的研究和应用还包括大型机械装备关键零件的高性能快速修复和口腔金属植入体的成形和医学临床研究。在激光立体成形工艺装备建设方面取得重大突破,实现我国商用激光立体成形工艺装备制造的零突破。截至2012年,西工大向航空航天领域内国家大型企业和研究院所,以及GE中国研究中心提供了5台激光立体成形与修复装备,在领域内形成较大影响力。在激光立体成形装备方面,国内除西工大外,目前没有其他单位提供过商用化激光立体成形装备。

目前,西北工业大学已经开发出了系列固定式和移动式激光立体成形工艺装备。针对不同应用特点,分别采用CO2气体激光器,YAG固体激光器,光纤激光器和半导体激光器,成形气氛中氧含量可控制在10ppm以内,具有熔池温度、尺寸和沉积层高度的实时监测和反馈控制系统,配备自主开发的材料送进装置、成形CAPP/CAM及集成控制软件,能够实现各种金属材料,包括高活性的钛合金、铝合金和锆合金复杂结构零件的无模具、快速、近净成形以及修复再制造。图2显示了西北工业大学所研发的LSF-V型激光立体成形与修复再制造商用装备。表1比较了目前国际上技术成熟度比较高的商业化激光立体成形装备的主要特性。可以看到,西北工业大学所研制的LSF系列激光立体成形装备多项指标处于国际领先水平。   
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成形修复是激光立体成形技术受到高度重视的发展方向。有一个十分值得关注的趋势是成形修复技术。虽然激光立体成形技术最初主要是作为一种致密金属零件的高性能快速制造技术而发展起来的,但工业界却越来越关注它作为一种高性能成形修复技术的巨大技术优势。除了航空航天领域外,机械、能源、船舶等领域的大型装备的高性能快速修复都对激光立体成形技术提出了迫切的需求。据报道,美国采用激光立体成形技术维护的军事装备资产达40亿美元/年,其包括飞机、陆基和海基系统都配备了激光立体成形系统。

以制造成本高昂的整体叶盘为例,近几年来包括美国GE公司、美国H&R Technology 公司、Optomec公司以及德国Fraunhofer激光技术研究所在内的多个研究机构开展了整体叶盘的激光成形修复技术研究。2009年3月,作为美国激光修复技术商用化推进领头羊的Optomec公司宣称其采用激光成形修复技术修复的T700整体叶盘通过了军方的振动疲劳验证试验。美军已经在其“野战零件医院”中列装了激光立体成形装备,用于在靠近现场需要位置快速制造战损装备所需金属零件。这些激光立体成形装备已分别布置在科威特、伊拉克和阿富汗的军事基地。   

基于激光立体成形的激光组合制造技术是重要的技术发展方向。同锻造、铸造和机械加工等传统制造技术结合,形成激光组合制造技术,是激光立体成形技术一个十分重要的技术发展方向。没有任何一项技术是十全十美,足以覆盖任何工艺需求的,而相互结合,取长补短则是最适当的选择。激光立体成形技术的工艺灵活性和柔性化的特点,使得以其为基础发展激光组合制造技术具有十分重要的实用价值。

最为重要的是,激光立体成形技术可以把异质材料结合成一个高性能的整体构件,这是激光组合制造的技术思路具有实用性的必要基础。美国Sandia国家实验室采用激光立体成形技术开展了“Feature Addition”(可理解为“特征结构生长制造”)研究,在机械加工的盘上激光直接沉积薄壁复杂结构,实现了电子装置支架的激光复合制造。对于此类结构复杂构件,传统的铸造成形工艺存在的以下几个主要问题:由于结构复杂,铸造本身工艺困难;制造周期长,如电子装置支架的铸造周期长达52周;制造成本高。采用激光组合制造后该结构件的制造周期缩短为3周,成本降低65%,同时结构件的重量得以减轻。   
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进一步深化激光立体成形技术在材料、工艺和装备等方面的基础性研究,对于支撑激光立体成形技术的进一步快速发展和大规模应用具有重要作用。这一特点同激光立体成形是一个涉及到激光、机械、数控、材料的多学科交叉的新技术有关。通过整合形成一支具备上述多学科能力的高水平研究团队,针对影响激光立体成形进一步发展的关键科学和技术问题开展深入系统的研究,这对于激光立体成形技术的发展具有重要意义。   

优先发展领域或重点研究方向建议   
激光立体成形的材料、工艺的基础研究和工程化研究。激光立体成形是一个涉及激光、机械、数控、材料等的多学科交叉新技术,并且发展时间很短,相对于铸、锻、焊、粉末冶金、机械加工等传统的制造技术而言,其技术成熟度还有显著差距,需要开展系统深入的基础研究和工程化研究工作,这是使激光立体成形技术得以在工业与科技实践中广泛应用的必要基础,也是使我国在这项占据战略制高点的新技术方面与西方发达国家长期竞争发展中保持同步以至于争取领先所必须坚持的。   

先进装备技术。任何先进的工业技术必然以先进的装备技术作为其集中体现。激光立体成形装备涉及到激光、机械、数控、工艺软件设计、温度与化学环境检测与控制、成形材料特性等许多方面因素的交互作用与技术集成,需要高度专业化的团队与技术条件的密切协同,才能设计制
造出高水平的装备。具备高水平激光立体成形装备设计与制造技术,也是我国必须在增材制造技术领域必须发展的核心竞争力。   

高性能激光成形修复再制造技术。高性能激光成形修复再制造的市场需求可能比直接成形的市场需求要广阔得多,未来的社会发展必然越来越强调材料、资源的高度节约与循环利用,这方面的发展需要及早规划安排。    激光组合制造技术。激光组合制造能够更充分发挥增材制造技术作为信息化时代的代表性技术的特征。如果我们以激光立体成形技术为核心,结合各种传统制造技术的优势,回避各种技术的短处,必将迎来信息化时代制造技术的跨越式发展。

编辑:南极熊
作者:黄卫东   
(教授,博士生导师。2001年受聘为“长江学者特聘教授”,现任西北工业大学凝固技术国家重点实验室主任,兼任航空科学基金专家委员会委员、中国光学学会激光加工专业委员会委员、中国热处理学会高能密度热处理技术委员会委员和青年工作委员会主任、中国博士联谊会理事,以及校学术委员会学术交流分会主任等。    黄卫东主要从事凝固与晶体生长理论、激光表面处理和激光加工新技术等方面的研究。获国家教委科技进步一等奖1项、二等奖1项,航空工业总公司科技进步二等奖1项,省部级奖4项。1998年获国家杰出青年科学基金,1999年入选国家百千万人才工程,先后获得国家教委及国务院“做出突出贡献的中国博士学位获得者”、航空航天工业部“做出突出成绩的中国博士学位获得者”、航空航天工业部优秀青年教师、航空工业总公司“有突出贡献的中青年科技专家”等荣誉称号)

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