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颜永年:3D打印成就智能制造的未来!

  在4月9日举办的2016河南省智能制造高峰论坛上,来自高校、企业界的专家、学者围绕“中原崛起与智能制造3D打印产业发展的新机遇”的主题分别建言献策。其中,3D打印和机器人产业作为两大智能制造的代表性产业成为专家讨论的焦点。

  清华大学材料成形制造自动化研究所所长、第一任清华大学生物制造研究所所长颜永年教授表示发展智能制造是推进中国制造走向中高端的必经之路。制造业是我国的基础工业,在生产过程中,借助智能制造可节省材料、减少排放、节约时间。3D打印技术本身就属于智能制造,不能为了智能而智能,而需要与传统技术相结合,才能产生很大的经济效益。3D打印在线认为永年激光的3D打印熔覆-挤压就是很好的案例,在此次论坛上,颜永年教授就《3D打印熔覆-挤压的原理、工艺和应用》也给大家做了分享。

  3D打印金属激光熔覆(LC——Laser Cladding/电子束熔覆(EC——Electron beam Cladding) 技术,完成无偏析的高端优质坯件,再与现代热挤压工艺相结合,通过高温高压闭式挤压,获得高端重型和大型结构件。这种金属激光熔覆制坯-热挤压最终成形的创新工艺称为熔覆-挤压(C-E ——Cladding-Extrusion)工艺。C-E先进成形工艺是用于高端装备制造的工艺,在航空、电力、高铁、海洋、核电和军工领域具有广阔的应用前景。

  其中,熔覆(Cladding)是指,在高能量密度的束流(激光束和电子束)作用下,在材料表面产生的冶金过程,其与3D打印的原理相结合,一层又一层地熔覆(增材成形),即形成LCD——Laser Cladding Deposition(激光熔覆沉积)工艺和 EBAM——Electron Beam Additive Manufacturing(电子束增材制造)工艺。在LCD喷头中,激光束经透镜被聚焦到熔覆件的表面,形成微熔池,同时金属粉末也同步送到微熔池中,迅速熔化,并随熔池离去而迅速冷却,完成熔覆,连续进行此过程即LCD过程。EBAM过程与此类似,将激光束流换成电子束流、金属粉换成金属丝即可。

  3D打印熔覆工艺的优势

  采用LCD和EBAM工艺成形金属构件,特别是重型构件,优点明显:熔覆成形过程自动保证了结果的无偏析,熔覆所得坯件结构形状合理,可最好地满足后续热挤压之需,而不是粗造的自由锻件。详细分析如下:

  A. 熔覆工艺以小型冶炼系统生产的金属粉末或丝材为原材料,而不是以数十吨或数百吨真空冶炼和真空铸锭系统而得的重型钢锭为原材料,这就节省了巨额投资和建设周期,大大降低成本,

  B. 熔覆工艺成形制造的无论是坯件还是最终结构件,其材料利用率可从传统自由锻工艺的20~30%(核电结构件)提高到50~60%,节省大量的宝贵材料,节省材料就是节省能源;

  C. 无偏析(Segregation-free),这是以金属粉末和丝材为原材料的3D打印熔覆工艺的共同特点。无数金属粉末在微熔池中迅速熔化并凝固“组装”而成形,就从根本上消除了巨大体量金属熔体,凝固形成之严重偏析,它为获得成分均匀和性能优良的成形件的奠定了基础。既然无偏析,也就无需开坯锻造工艺,节省大量的设备、能源和材料。

  D. LCD和EBAM可完复杂的结构的成形,这是增材成形最重要的优点——“柔性”,可成形形状合理,符合挤压工艺需要的坯件,保证挤压工艺的顺利进行。图3为美Sciaky公司采用EBAM工艺完成的6米×1.2米×1.2米大型构件照片,图4为美Lasertec公司采用LCD技术完成整体叶轮。

  熔覆工艺LCD和EBAM 的“先天不足”

  激光熔覆和激光熔化技术完成的成形件,并不能全部达到高端结构件对机械性能严格的要求。熔覆工艺虽然因快速非平衡冷却,较容易成细小、均勻、等轴的晶粒,因而均可保证σb(断裂极限),σs (流动极限)超过各种铸造工艺的强度,接近或达到锻造的强度。然而激光熔覆成形毕竟仍是一种液态凝固的成形过程,这是一种“先天不足”,主要表现在成形件的塑性不够。主要原因在于缺少在热-力耦合作用下,迫使金属产生塑性流动,而发生的动态再结晶过程。只有动态再结晶,才能不但彻底破碎枝晶、非金属氧化物、闭合裂纹和空洞,而且还修复晶界,这就为获得优良的组织及性能奠定了金属学和热力学基础。大量的实验证明:LCD成形工艺而δ(流动极限)ψ(断面收缩率)往往达不到锻件的水平,最终冲击韧性ak必受很大的影响,达不到要求。发明LENS技术的美Sandia国家实验室,将各种材料的激光熔覆成形样品与锻造退火样品比较,就能说明问题。他们公布4组实验结果,就有一组718镍合金的LENS工艺之δ值仅16%,比锻造退火值的20%,差得较多,见表3 。我国华南理工大学杨永强教授对镍铬合金的工艺实验证明,激光熔化样品的延伸率仅为4%,远达不到锻造8%的水平。本团队的高温合金的激光熔化(SLM工艺)实验结果也证明,SLM的延伸率δ和断面收缩率ψ达不到先进热挤压的水平。

  颜永年,江苏永年激光成形技术有限公司董事长,清华大学教授、博导,从事材料成形研发40多年。第一任清华大学材料成形制造自动化研究所所长,第一任清华大学生物制造研究所所长,江苏省增材制造专委会理事长,中国3D打印技术产业联盟首席顾问,国内较早从事3D打印技术研发的专家之一,曾获国家科技进步奖二等奖两项,三等奖一项,省、部级奖五项和其它各种奖项几十项,承担并完成了多项国家自然科学重点基金、国家863计划及企业的横向合作任务。颜教授带领的研发团队在三维打印技术的工艺、设备、控制等方面取得了丰硕的成果,其中熔融挤压成形工艺的3D打印技术已在北京产业化,面向国际化生产。位于昆山的江苏永年激光成形技术有限公司主营的金属3D打印设备产品与非金属3D打印设备产品相比,其技术难度和应用价值更高,可将金属粉末直接融化、烧结、烧覆,做出技术复杂的金属零件,在模具、航空航天、汽车制造领域应用广泛。

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