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激光增材制造破茧而出
关键词:激光增材制造
2020-02-25

伴随“中国制造2025”及“增材制造推进计划”的出台和实施,近几年来,增材制造在全球迅速升温,成为行业热议和焦点之一,该技术已被广泛应用于航空航天、汽车、医疗、金属、模具等工业领域,更成为制造业向智能化快速转型的核心加工要素。总体来说,工业化的增长以及对具有复杂设计的产品的需求提升推动了全球增材制造市场的快速发展。

增材制造技术通过获取物体的3d打印模型,从而使具有复杂设计的产品在增材制造的帮助下轻易通过概念化手段,以更高的精度被打造出来。增材制造(3d打印)也被广泛视为生产定制化产品的理想手段。

不同的技术可用于实现增材制造,如直写成型、熔融沉积成型、光固化立体造型、电子束熔炼、选择性热烧结(shs)、选择性激光烧结(sls)、选择性激光熔化(slm)、直接金属激光烧结、分层实体制造和粉床法等。

当前,汽车、制造、航空航天,食品饮料和医疗等行业的增长正加速全球增材制造市场的发酵。据预测,2016-2026年间,该市场的复合年增长率将达到18-22%。其中,牙科和医疗行业的增材制造需求将最为显著。未来,3d打印或增材制造技术有望为零部件及成品设计提供更多用武之地。

激光增材制造破茧而出

市场收入方面,预计亚太地区的增材制造市场在预测期内将获得显著的年复合增长率。同时,汽车、医疗保健和制造等行业的增长将持续推动这一地区增材制造业的拓展。西欧和北美的市场预计也将大放异彩。

中国激光增材制造领域突破不止

这几年,增材制造无疑是热门词儿。而激光增材制造技术也在多个行业破茧而出,逐渐崭露头角。在过去的2016年,我们欣喜地看到,中国激光增材制造领域已悄然迎来了多项突破性成果。首先,由华中科技大学曾晓雁教授领导的研究团队完成的“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备”项目通过了湖北省科技厅成果鉴定。这一深度融合了信息和制造技术的激光3d打印技术,由4台激光器同时扫描,是目前全球效率和尺寸最大的高精度金属零件激光3d打印装备。项目攻克了多光束无缝拼接、4象限加工重合区制造质量控制等众多技术难题,实现了大型复杂金属零件的高效、高精成形。首次在slm装备中引入双向铺粉技术,成形效率比同类装备高出20-40%。

其次,浙工大的姚建华教授带领其团队开发了一种 “超音速冷喷涂+激光技术”的新型3d打印技术,3d打印与超音速冷喷涂技术创新融合发挥出超音速激光沉积技术结合冷喷涂和各自的优势,在很大程度上攻破现有金属零部件增材制造的技术瓶颈,为实现高端装备关键零部件高效、优质、低成本及智能化增材制造提供了完整的银河网站的解决方案。

那么,该技术在航空航天领域有哪些创新突破呢?中国航天科技集团利用激光同步送粉3d打印技术成功实现了长征五号火箭钛合金芯级捆绑支座试验件的快速研制,使该3d打印技术首次被应用于大型主承力部段关键构件。激光同步送粉3d打印技术不仅实现了难加工金属材料的快速成形,也为箭体主承力部段的轻量化结构设计与制造提供了强有力的技术支撑。

无独有偶,中国航天科工三院306所也采用融合了激光3d打印与梯度结构复合制造两种工艺的激光3d打印技术试制出具有大温度梯度一体化钛合金结构进气道试验件,继而实现了结构功能一体化零部件的设计与制造。

formnext 2016展上的那些激光增材制造技术

说完了国内,再来看看国外市场的动态吧! 在2016年11月于法兰克福举行的精密成型及 3d 打印制造展formnext上,全球激光增材制造技术领域的领头羊们也带来了一系列颇具看点的产品,或将引领该技术在未来实现新一轮飞跃和突破。

例如,德国3d打印巨头eos首次展示了“eos共享模块”概念性产品,该模块体系中的3d打印设备配置了四个可实现金属零件规模化生产的激光器,结合系统和自动化的外部设备以及运输物流模块,可确保数台金属3d打印系统实现同步高效的运行,将直接金属激光烧结(dmls)技术融入工业生产。这一革新产品对当前全球生产商面临的如何实现扩展式、自动化生产,以及如何将增材制造无缝整合到现有生产环境中的种种挑战给出了完美的银河网站的解决方案。

德国concept laser公司在集成式增材制造体系领域则进一步着力完善其“明日增材制造工厂(am factory tomorrow)”的概念,遵循“工业4.0”,concept laser的明日工厂涵盖数字网络系统,集成到生产环境和自动化等三个方面。公司推出的新机器架构精准诠释了其“明日工厂”的设计理念:独立的处理站可提供400 x 400 x 400 mm3 的结构空间和拥有1至4个激光器的多激光技术系统(激光源功率介于400w至1,000w),此外还将采用新型2轴涂层工艺来大幅缩短涂层处理时间。

additive industries的集成式增材制造系统metalfab采用模块化设计,基于多激光器的粉末床熔化3d打印是其核心工艺,系统还集成了自动化的热处理、交换及存储模块。当前,该系统可加工钢、钛和镍等金属材料。据银河网站的介绍,2017年该技术将被4家来自汽车制造和航空航天领域的欧洲企业引入其现有的制造体系中。

德国通快继2015年推出了两款金属3d打印设备truprint 1000 和truprint 3000 后,又带来了升级版的truprint 5000 3d设备。该系列采用了多激光器模式,每个激光器功率为500w。公司表示这些设备预计在1年后将进军中国市场。

激光增材制造破茧而出

eos共享模块旨在实现金属零件的规模化生产,并能通过扩展式、自动化生产,与现有生产环境无缝整合。

葡萄牙机床制造商adira则推出了全球首款大型平铺激光熔融金属3d打印机。其亮点是把粉末床熔融、直接金属沉积3d打印,以及金属板材激光切割技术融合在一台机器上,为众多新应用开辟了疆土。

华曙高科与prodways合作开发的promakerp4500 3d打印机则是基于选择性激光烧结3d打印技术,配有先进的高速数字扫描系统和大型的构建平台,提高了打印对象的构建速率,以满足工业生产的需求。

展望未来:亟需攻破的技术瓶颈知多少?

为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)》和《中国制造 2025》等提出的任务,国家重点研发计划启动实施2017“增材制造与激光制造”重点专项,其勾勒出该领域未来的总体目标:突破增材制造与激光制造的基础理论,取得原创性技术成果,超前部署研发下一代技术;攻克增材制造的核心元器件和关键工艺技术,研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器,研制高端激光制造工艺装备;到 2020 年,基本形成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面,促进传统制造业转型升级。

就激光制造而言,未来应尽快开展以下重点研究内容,使增材制造与激光制造能支撑高端制造业发展。

● 超快激光微纳制造机理及新方法

面向国家级新能源、航空航天等领域重大需求和新型功能器件制造,建立超快激光与材料相互作用多尺度理论与观测体系,从电子层面理解光场调控下微纳加工的新现象和新效应; 研究超快激光时域/空域分布对电子动态和材料性质调控的加工新方法和前沿应用,设计若干具有重大应用前景的新型微纳功能器件。

● 制造用大功率光纤激光器

针对激光制造/增材制造装备需求,开发传输组件、功率合束器等大功率光纤激光关键器件;开展光束质量控制、光谱控制、多路光纤激光功率合成等关键技术研究;发展工业化大功率光纤激光器系统集成和模块化组装技术。

● 制造用紫外激光器

开发紫外激光元器件加工工艺,解决抗损伤紫外晶体等光学元件产品化挑战;研究工业激光器数值设计与仿真方法,研究高功率紫外激光器的制造技术和工业化银河网站的解决方案;构建紫外激光器性能验证的加工工艺平台。

● 硬脆材料的激光高效加工装备

研究硬脆材料的微结构成形机理及工艺方法、激光高效精密制造技术及表面质量控制方法;攻克激光脉冲调制、光束稳定性控制、多轴运动协同等技术;研制高精度高速扫描振镜等激光制造用元器件。

● 复杂微细结构的激光加工与测量技术及装备

研究微细激光光束聚焦机理及激光扫描方法;突破激光衍射极限的高深宽比纳米结构的激光加工技术;研究超细激光制造过程监测和加工质量控制方法;开发超细激光聚焦加工样机及质量检测设备。

● 大型构件的激光高效清洗装备

研究激光对材料涂层、污物及微小颗粒等作用的物理机制及激光清洗方法;开发针对大型构件高效激光清洗、复杂构件选区清洗成套装备技术。




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