2016年我国增材制造技术七大成果

做为先进制造技术的代表，增材制造在我国高端产品的研发领域拥有不少“不可磨灭”的功绩。随着我国3D打印技术的不断发展，在高端工业领域的应用也逐渐增多，如航空部件的加工制造，工业级产品的设计制造以及核工业等领域的各类应用成果，都凸显了我国增材制造技术正在迈向一个新的“台阶”！

　　领跑全球：武汉造最大激光3D打印设备

　　由武汉光电国家实验室（筹）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（俗称激光3D打印技术）”顺利通过了湖北省科技厅成果鉴定。深度融合了信息技术和制造技术等特征的激光3D打印技术，由4台激光器同时扫描，为目前世界上效率和尺寸最大的高精度金属零件激光3D打印装备。该装备攻克了多重技术难题，解决了航空航天复杂精密金属零件在材料结构功能一体化及减重等“卡脖子”关键技术难题，实现了复杂金属零件的高精度成形、提高成形效率、缩短装备研制周期等目的。

　　据了解， 华中科技大学武汉光电国家实验室教授曾晓雁领导的激光先进制造研究团队，在国家863和自然科学基金项目等资助下，经过十年的长期努力，在SLM成形理论、工艺和装备等诸多方面取得了重要成果，特别是突破了SLM成形难以高效制备大尺寸金属零件等瓶颈。此前，我国在SLM技术领域与国际先进水平相比有较大差距，大部分装备依赖进口。项目率先在国际上提出并研制出成形体积为500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造装备，它由4台500W光纤激光器、4台振镜分区同时扫描成形，成形效率和尺寸迄今为止同类设备中世界最大。

　　此外，项目还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率、高精度、高性能成形。首次在SLM装备中引入双向铺粉技术，其成形效率高出同类装备的20-40%，标志着我国自主研制的SLM成形技术与装备达到了国际先进水平，所研制的零件不仅大大缩短了产品的研制周期，简化了工序，更重要的是将结构-功能一体化，获得性能优良的、轻质的零件。SLM技术成形精度高、性能好、且不需要工模具，属于典型的数字化过程,目前在复杂精密金属零件的成形中具有不可替代性，在精密机械、能源、电子、石油化工、交通运输等几乎所有的高端制造领域都具有广阔的工业应用前景。经过质询与讨论后，鉴定委员会一致认为该项目在SLM整体技术达到国际先进水平，其中在SLM装备的成形尺寸和效率达到国际领先水平，并建议进一步拓展材料与装备的应用范围。

　　国内3D打印光固化技术获重大进展

　　中科院福建物构所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术，并开发出了一款超级快速的连续打印的数字投影（DLP） 3D打印机。该3D打印机的速度达到了创记录的600 mm/h，可以在短短6分钟内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60 mm的三维物体，而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺(SLA)来打印则需要约10个小时，速度提高了足足有100倍!　

　　传统的SLA技术采用逐层固化、层层累积的方式来构造三维物体，层与层之间需中断光照射，然后在已固化区域表面重新覆盖或填充精确、均匀的光敏树脂，再进行光照射形成新的固化层，这种方式系统复杂且耗时。2015年3月，美国Carbon3D公司最早提出“连续液面生长技术”（CLIP）。该技术是通过透氧材料特氟龙引入氧气作为固化抑制剂，在树脂底部形成一层薄的液态抑制固化层，即所谓的“固化死区”，避免已固化区域与底部粘连，使固化过程保持连续性，从而比传统的3D打印速度快25—100倍，达到500mm/h。

　　福建物构所提出了一种特殊的半渗透性透明元件，作为树脂槽内底面的一部分，固定于打印光源的照射路径上。该类型半渗透性透明元件对氧气的透过率比一般高分子聚合物高，最高可达到5—10倍，因此氧气或空气均可作为固化抑制剂使用。具体的打印技术原理是：利用DLP投影系统提供照射光源，照射树脂槽底部的构建区域形成固化区域；同时通入氧气或空气，氧气或空气透过半渗透性透明元件进入树脂槽，在内底面和固化区域之间形成一层几十微米厚的抑制固化层。由于液态抑制固化层的存在，固化区域与树脂槽底部能轻松无损伤分离，实现全程固化的高速连续性，获得最大打印速度超过600 mm/h，比美国Carbon3D公司发布的连续3D打印设备速度快约20%。

　　中国航发破世界顶级技术

　　由中国华中某科技大学研发的大型3D打印技术应经通过了国家验收，这说明这种世界上效率最高，打印尺寸最大的高进度金属零件加工技术已经可以进入到实际应用中。而且这种大型装备可以为我国的航空航天高精尖金属零件的研制和生产上铺平道路，甚至起到推倒”把脖子“技术瓶颈的至关重要的作用。这对中国航空发动机制造来说绝对是个好消息！

　　未来这种大型3D打印技术最主要的应用就是在发动机关键金属部件上使用，比如航空发动机的叶片，航天火箭燃料泵的涡轮等加工要求精度高，加工复杂的金属件上。一次性高精度成型，无论是样品试制的时间或者直接量产时间都会成倍的缩短。尤其是现在航空航天设备都要求轻量化、可靠性要求高，寿命要长、成本更低的方向发展，所以这种大型3D打印设备的应用空间非常广泛。这回中国攻克3D激光打印技术，全称为“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造装备“，其实是一种采用自动铺金属粉末堆叠后使用激光融化后再成型技术，简单的说就是类似于玩蜡烛一样。加工精度高，后期不需要过度加工，所以广受国际上新材料领域的追捧，不过大家也都清楚的了解到这种技术在制造大型设备领域存在成型效率低，成型尺寸小的缺陷，所以谁能率先攻克大尺寸高效率的3D打印技术，谁就可以获得领先地位。

　　目前欧美国家已经开始试验使用3D金属打印技术来打印发动机叶片的工艺，不过受制于效率问题，只是处于试验阶段尚未拖入量产，这正是中国可以大有作为的领域。由于中国在大功率激光器领域具备国际领先优势，所以在核心部件上不存在被人制约的情况。而且打印所需的钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金粉末都可以完全自主国产，所以中国在3D金属打印领域取得了相当大的成绩。现在国产的火箭发动机、运载火箭、卫星、导弹、20多个号产品上都有中国3D金属打印产品。长期以来，在涡扇发动机领域的发动机叶片要承受高温和高压的持续炙烤和离心拉伸。而且要求具备良好的抗氧化性能和耐疲劳程度和拉伸韧性。以前发动叶片生产是需要采用定向凝固法才可以实施，加工复杂成型难度大。这种加工方法是正常浇注时配合电磁铁产生定向磁场让高温合金紧密排列。加工难度大，制造复杂，所以最适合先进3D打印技术进行替换升级。中国目前掌握的这项技术，不仅可以为中国的战斗机的发动机叶片进行升级改造，同时对于中国大飞机的发动机研制和其他结构件的制造打开一片新的思路。

　　在传统发动机领域，俄罗斯确实是中国师傅辈，但是在新型材料和制造技术领域，俄罗斯却一直是个短板，尤其是3D打印领域，俄罗斯一直没有把它列为国家战略。所以俄罗斯很多有技术积累的公司都主动和中国展开技术合作。当听说中国把3D打印技术列为国家战略后，甚至相当迫切的直接找上门来跟中国在这些领域建立联合实验室开发研究。此次俄罗斯总统普京在访华行程中，就会有关于新型制造业的合作讨论，有充分理由相信大型3D金属打印技术也会列入此番合作意向中，很有可能会实现中国制造对俄再出口，这无疑将会是继船用发动机、大型补给设备后另一项突破性进展。

　　我国首台太空3D打印机正式曝光

　　中科院重庆研究院与中科院空间应用中心近日共同研制成功我国首台空间3D打印机，并于日前在法国波尔多完成了抛物线失重飞行试验，其可打印最大零部件尺寸超过美国国家航空航天局(NASA)3月26日运至国际空间站的升级版3D打印机打印尺寸。一台保险箱大小的3D打印机，打印出不同类型的零部件，包括扳手、螺帽、连接杆等。无论如何倾斜，这台空间3D打印机都能正常工作。

　　中科院重庆研究院智能制造技术研究所副所长、3D打印技术研究中心主任段宣明介绍，经过两年努力，该院与空间应用中心研发出我国首台空间3D打印机，可打印最大零部件尺寸达到200×130mm，该尺寸是NASA首台空间在轨打印机打印尺寸的2倍以上，并超过今年3月26日NASA运至国际空间站的升级版3D打印机打印尺寸。“我们在法国波尔多完成了抛物线失重飞行试验，通过93次失重测试，验证了微重力环境下3D打印装备的关键技术与工艺，实现了塑料和复合材料两种材料，以及失重、超重和正常重力3类工艺参数的4种模型的微重力打印，获得了微重力环境对3D打印工艺参数影响的实验数据，为我国2020年完成空间站建造及后期运营奠定了基础。”

　　空间在轨3D打印制造是解决空间站维修保障需求的有效方法，是完成未来深空探测任务的必要保证。在没有空间在轨3D打印制造技术前，空间站需要准备和储存备用零部件用于维修和更换，如果缺乏备用件，只能通过货运飞船运抵空间站，时间长，花费高。段宣明说，空间3D打印制造技术的打印速度为10—30毫米/秒，可以在一到两天内打印出需要更换的零部件，且适用于绝大部分零部件，在空间站运营、深空探测等任务中有不可或缺的作用，能方便、快捷地帮助宇航员在失重环境下自制所需的实验和维修工具及零部件，大幅度提高空间站实验的灵活性和维修的及时性，减少空间站备品备件的种类、数量及运营成本，降低空间站对地面补给的依赖性。

　　铂力特打造中国首个3D打印核燃料元件

　　年初，西安铂力特激光成形技术有限公司（以下简称“铂力特”）自主研发的SLM系列设备BLT-S300，为中核北方核燃料元件有限公司（以下简称：“二零二厂”）3D打印 CAP1400自主化燃料原型组件下管座（核燃料元件）顺利下线，国内首次实现了3D打印核燃料元件（CAP1400下管座）的技术应用。为3D打印技术应用于核燃料元件制造开发领域奠定了基础。这是铂力特BLT-S300设备首次在客户手中完成3D打印产品，更是国内首次实现3D打印核燃料元件。BLT-S300完美首秀，得到二零二厂的一致认可。在核燃料元件产品日益“多元化”的今天，铂力特BLT-S300通过金属3D打印技术快速、精密成形的制造方式，向中国核工业阐释着3D打印与核燃料元件制造、与智能制造融合。

　　核燃料元件制造是集设计与加工于一体的高端精密制造，结构复杂，需多种工序交叉作业加工才能完成 。3D打印技术，自提出以来就定位于精密制造，能直接利用计算机图形数据生成任意形状的零件。BLT-S300采用选择性激光熔化（SLM）技术，通过逐层熔化金属粉末的制造方式，完成传统机械加工无法制造的复杂金属结构零件，制备的成形产品拥有致密性好、尺寸精度高的特点。同时金属3D打印快速制造的技术特点，能够缩减产品开发周期，降低设计与制造成本，快速、高性能的实现核燃料元件开发与制备。

　　目前中核北方核燃料元件有限公司使用的3D设备为SLM-S300激光成型设备，在铺粉精密成型方面具有很大优势，目前设备正处于预验收阶段，该阶段将对设备成形质量进行检测，后续将进行星形架、格架及测高仪零部件等各种复杂零件的3D打印技术的应用。在制备产品性能经过验收合格后，BLT-S300将为二零二厂3D打印各种复杂零件建造提供重要的装备支持。求新创新，二零二厂让3D打印技术在核燃料元件制造提供更多可能性，铂力特用3D打印精密成形设备为二零二厂提供更多技术服务，精诚合作携手为中国的核工业共创辉煌。

　　我国航空航天3D打印获“新成就”

　　近日，中国航天科技集团公司一院211厂利用激光同步送粉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，这是激光同步送粉3D打印技术首次在大型主承力部段关键构件上应用。该产品的试制成功对拓展3D打印技术在箭体结构制造领域的应用、丰富大型难加工金属结构件研制技术手段具有重要意义。

　　据悉，捆绑支座为运载火箭主承力构件，综合力学性能要求高，目前主要采用加工性能较好的高强钢，通过锻造再机加的方式成形。但这一加工方式存在材料去除量大、加工周期长等问题。面对新型号减重的迫切需求，该厂提出采用具有更高比强度的钛合金材料，利用激光同步送粉3D打印工艺，实现捆绑支座的整体成形。经过系统工艺研究，该厂试制的产品顺利通过了成分、组织性能、表面质量及内部质量等各类检测，整体综合性能达到锻件水平，且较原设计减重30%。

　　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，同时还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。

　　航天科工三院306所增材制造实现新突破

　　近日，中国航天科工三院306所技术人员成功突破TA15和Ti2AlNb异种钛合金材料梯度过渡复合技术，其采用激光3D打印试制出的具有大温度梯度一体化钛合金结构进气道试验件顺利通过了力热联合试验。

　　该技术成功融合了激光3D打印与梯度结构复合制造两种工艺，解决了传统连接方式（如法兰连接、焊接等工艺方法）带来的增重、密封性差和结构件整体强度刚度低等问题，为具有温度梯度结构的开发设计与制造开辟了新的研制途径；同时，开创了一种异种材料间非传统连接的制造模式，实现了结构功能一体化零部件的设计与制造。