“3D打印”給鑄造業(yè)帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1、2013中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集“3D打印”給鑄造業(yè)帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)黃衛(wèi)東(西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072)3D打印”(3D Printing)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)是"增材制造” (Additive Manufacturing)，其技術(shù)內(nèi)涵是 通過(guò)數(shù)字化增加材料的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的制造。誕生于上個(gè)世紀(jì)八十年代末期的增材制造技術(shù)是制造技術(shù)原理的一次革命性突破，它形成了最 能代表信息化時(shí)代特征的制造技術(shù)，即以信息技術(shù)為支撐，以柔性化的產(chǎn)品制造方式最大限度地滿 足無(wú)限豐富的個(gè)性化 需求。1892年一個(gè)立體地形模型制造的美國(guó)專利首創(chuàng)了疊層制造原理，在其后的一百年間，類似的疊 層制造

2、專利有數(shù)百個(gè)之多，實(shí)踐中的技術(shù)探索也層出不窮。但以1988年第一臺(tái)可以工業(yè)應(yīng)用的立體 光刻機(jī)器 的誕生為標(biāo)志，以快速滿足柔性化 需求為主要應(yīng)用目標(biāo) 的現(xiàn)代增材制造技術(shù) 才真正形成。 可以說(shuō)，如果沒(méi)有CAD實(shí)體模型設(shè)計(jì)和對(duì) 其進(jìn)行分層剖分 的軟件技術(shù)，沒(méi)有能夠控制激光束按任意 設(shè)定軌跡運(yùn) 動(dòng)的振鏡技術(shù)、數(shù)控機(jī)床或機(jī)器手，增材制造技術(shù)的柔性化特征就只能停留在一種理想化的原理層面。因此，增材制造技術(shù) 應(yīng)該被稱之 為信息化增材制造技術(shù) 或數(shù)字化增材制造技術(shù)。作為信息化時(shí)代的代表性制造技術(shù)，增材制造技術(shù)是應(yīng)該得到大力支持的前沿技術(shù)發(fā)展方向，是使我國(guó)在信息化時(shí)代，特 別是當(dāng)前回歸實(shí)體制造業(yè)的世 界潮流中占

3、領(lǐng)制造技術(shù) 領(lǐng)域國(guó)際制高點(diǎn)的優(yōu)先發(fā) 展方向。2012年3月發(fā)布 的美國(guó)"國(guó) 家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)” 計(jì)戈U ( National Network for Manufacturing Innovation-NNMI )擬投入10億美元聯(lián)邦資金資助建 立15個(gè)先進(jìn)制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心。2013年8 月，美國(guó)政府高調(diào)宣布 成立 國(guó)家增材制造 創(chuàng) 新中心(NAMII -Natio nal Additive Manu facturi ng Innovation Institute ),作為這15個(gè)計(jì)劃中的先進(jìn)制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心中首先成立的示范性中心 (Pilot institute),奧巴馬總統(tǒng)

4、強(qiáng)調(diào)這 個(gè)研究中心的成立是強(qiáng)化美國(guó)制造業(yè)的重要步驟。英國(guó)國(guó)家技 術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)“未來(lái)的高附加值制造技術(shù) 展望”報(bào)告，也把增材制造 作為提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)對(duì)未 來(lái)挑戰(zhàn)的22個(gè)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展技術(shù)之一。當(dāng)前，增材制造技術(shù) 已在全世界范圍內(nèi)成為眾所矚目的熱點(diǎn)。自立體光刻 技術(shù)誕生以 來(lái)，產(chǎn)生了很多構(gòu)思奇妙的增材制造技術(shù)，對(duì)制造技術(shù)的 發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。但大多數(shù)增材制造技術(shù) 主要是應(yīng)用于快速原型制造，所以一度被冠以“快速原型制 造”技術(shù)的名稱?？焖僭椭圃旒夹g(shù)為鑄造 提供了快速制造鑄型的新的技術(shù)手段，給鑄造業(yè)帶來(lái)新 的發(fā)展機(jī)遇。但增材成形原理 絕非只能用于成形，也可以解決高性能的需求。上個(gè)世紀(jì)90年代

5、中期 以來(lái)發(fā)展起來(lái) 的金屬高性能增材制造技術(shù)，解決了兼顧復(fù)雜形狀和高性能金屬構(gòu)件快速制造的技術(shù)難題，因而可以用于高性能金屬零件的直接制造，它 對(duì)鑄造業(yè)則既帶來(lái)機(jī)遇也有挑戰(zhàn)。作為最基本的工業(yè)制造技術(shù) 之一的鑄造技術(shù)，在增材制造技術(shù) 迅猛發(fā)展的時(shí)代里將會(huì)遇到怎樣的機(jī)遇與挑戰(zhàn)呢？增材制造技術(shù)為鑄造業(yè) 帶來(lái)的機(jī)遇主要有以下幾方面：(1) 快速制造鑄造模型它為鑄造業(yè) 帶來(lái)的益處主要有：加快鑄造新產(chǎn)品研發(fā)速度，降低工藝研究成本與風(fēng)險(xiǎn)，滿足單 件與小批量需求市場(chǎng)。鑄造工藝是從制造鑄模開(kāi)始的。對(duì)于精度和性能要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件， 制定合適的鑄造工藝并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)，它常常挑戰(zhàn)鑄造工藝師的智慧與技術(shù)水平。

6、一些高難 度的鑄件 往往需要數(shù)年的研究才能確定最終的鑄造工藝，而制作鑄造模具往往是鑄件工藝研發(fā)過(guò)程 中最費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的環(huán)節(jié)。大致有三種快速制造鑄型的增材制造方式：增材制造塑料模型，從其翻制 鑄型；增材制造蠟?zāi)?，翻制熔模型殼；采用SLS技術(shù)(選區(qū)激光燒結(jié))直接制造樹(shù)脂砂型。相 比模具制造，這些方法制造鑄型具有十分顯著的速度快、成本低優(yōu)勢(shì)，因此非常適合于需要反復(fù)試 驗(yàn)鑄造工藝的高難度鑄件研制場(chǎng)合。待工藝定型之后再制造模具進(jìn)行大批量生產(chǎn)。而對(duì)于單件和小 批量市場(chǎng)需求，可以直接用增材制造技術(shù) 快速制造鑄型完成任務(wù)，無(wú)需模具制造環(huán)節(jié)。從大約二十 年前開(kāi)始，鑄造廠就在購(gòu)買快速成形機(jī)進(jìn)行鑄造模型的快速制造，而今

7、天大多數(shù)鑄造廠都擁有了快 速成形機(jī)。可見(jiàn)，增材制造技術(shù) 顯著增強(qiáng)了鑄造業(yè)的技術(shù)能 力，將逐漸成為鑄造業(yè) 必不可少的輔助 技術(shù)之一。（2）激光組合制造增強(qiáng)鑄造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的適應(yīng)能力激光立體 成形是最重要的金屬高性能增材制造技術(shù) 之一。同鍛造、鑄造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造 技術(shù)結(jié)合，形成激光組合制造技術(shù)，是 激光立體成形技術(shù)一個(gè)十 分重要的發(fā)展方向。沒(méi)有任何一種 技術(shù)是十 全十美以致能覆蓋任何工藝需求，而相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短 則是最明智的選擇。增材制造技 術(shù)的工藝靈活性和柔性化的特 點(diǎn)，使得以其為基礎(chǔ)發(fā)展激光組合制造技術(shù) 具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。 最為重要的是，激光立體 成形技術(shù)可以把異質(zhì)材料結(jié)合成一個(gè)

8、高性能的整體構(gòu)件，這是激光組合制 造的技術(shù) 思路賴以實(shí)用的必要基礎(chǔ)。西北工業(yè)大學(xué)采用激光立體 成形技術(shù) 在In961合金鑄件上成形 了 GH4169合金的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，形成一個(gè) 高性能結(jié)合的整體構(gòu)件，成功地解決了我國(guó)某型先進(jìn)航空發(fā) 動(dòng)機(jī)研制中長(zhǎng)期不能解決的技術(shù)難題。該鑄件研制三年，澆注一百多個(gè)鑄件，沒(méi)有一個(gè)合格品。而 激光組合制造件一次成 功，一個(gè)月內(nèi)為發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)試車提供了合格零件。可見(jiàn)，對(duì)于某些單用鑄造 工藝難以解決的制造技術(shù) 難題，激光組合制造提供了一條新的技術(shù)途徑。善用激光組合制造技術(shù)， 將增強(qiáng)鑄造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的適應(yīng)能力。圖1西北工業(yè)大學(xué)激光組合制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件（下部為In961不銹鋼鑄件

9、，并經(jīng)局部激光修復(fù)；上部為4169鎳基合金激光成形體）（3）高性能成形修復(fù)減少高端鑄件的廢品率，滿足產(chǎn)品 進(jìn)度要求有一個(gè)十分值得關(guān)注的趨勢(shì)是：雖然激光立體 成形技術(shù)最 初主要是作為一種致密金屬零 件的高性能快速制造技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的，但工業(yè)界卻越來(lái)越關(guān)注它作為一種高性能成形修復(fù) 技術(shù)的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。除了航空航天 領(lǐng)域外，機(jī)械、能源、船舶等領(lǐng)域的大型裝備的高性能 快速修復(fù)都對(duì)激光立體 成形技術(shù)提出了迫切的需求。據(jù)報(bào)道，美國(guó)采用激光立體 成形技術(shù) 維 護(hù)的軍事裝備資產(chǎn)達(dá)40億美元/年，在飛機(jī)、陸基和海基系統(tǒng)都配備了激光立體成形系統(tǒng)。 激光成形修復(fù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：修復(fù)件的力學(xué)性能高，可以達(dá)到鑄件以至鍛件

10、新件的性能要 求；修復(fù)件的變形很小，可以在大面積薄壁零件上進(jìn)行大體積增材修復(fù)；可以進(jìn)行成形 修復(fù)，恢復(fù)具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的損傷局部的形狀和性能。一些機(jī)械裝備的高端零件，過(guò)去由 于缺乏適當(dāng)?shù)男迯?fù)技術(shù)而不得不報(bào)廢，其所帶來(lái)的不僅是昂貴的經(jīng)濟(jì)損失，由于這些零件的 制造周期一般很長(zhǎng)，重新制造新件往往顯著延緩產(chǎn)品交付時(shí)間，有時(shí)成為更難以接受的問(wèn)題。 激光立體 成形技術(shù)甚至可以修復(fù)極其昂貴的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)單晶渦輪葉片，這是金屬 單晶零件唯一可能的修復(fù)技術(shù)。增材制造技術(shù)為鑄造業(yè) 帶來(lái)的挑戰(zhàn)則主要是在高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件直接制造方面。金屬高 性能增材制造技術(shù) 可以兼顧復(fù)雜 形狀結(jié)構(gòu)精密成形和高性能制造，且在這

11、兩方面都優(yōu)于鑄 造。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度方面，增材制造幾乎可以制造出任意可以想象的形狀結(jié)構(gòu)，包括復(fù)雜內(nèi)腔 結(jié)構(gòu)。增材制造 因?yàn)槭菙?shù)控制造，在形狀精密度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鑄造。復(fù)雜結(jié)構(gòu)件鑄造時(shí)，由 于鑄芯和活動(dòng)模塊安裝精度、鑄造時(shí)位置移動(dòng)等造成的尺寸偏差，在增材制造過(guò) 程中都不存 在。增材制造過(guò) 程影響尺寸精度的唯一因素是結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力變形，這是增材制造 復(fù)雜精密結(jié) 構(gòu)件目前還只限于小尺寸零件（一般小于300mm）的主要原因。增材制造 金屬零件的表面 粗糙度也已經(jīng)達(dá)到與熔模精密鑄造相當(dāng)?shù)乃?。大多?shù)人在不太熟悉金屬高性能增材制造技 術(shù)的情況下，往往想當(dāng)然地以為增材制造 零件的力學(xué)性能不會(huì)很高，甚至以為它低于鑄件

12、的 性能。實(shí)際上，增材制造 金屬零件的力學(xué)性能一般遠(yuǎn)高于鑄件，而與鍛件相當(dāng)。原因在于金 屬高性能增材制造 零件沒(méi)有常規(guī)鑄造零件的宏觀偏析、縮松和組織粗大等缺陷。金屬高性能 增材制造 零件的材質(zhì)是全致密或極為接近全致密。由于凝固發(fā)生在淺小熔池中，固液界面十 分平坦，金屬補(bǔ)縮通道永遠(yuǎn)是開(kāi)敞的，增材制造過(guò) 程不會(huì)產(chǎn)生常規(guī)鑄造難以避免的縮松缺陷。 金屬高性能增材制造技術(shù) 包括以同步送粉激光熔覆為主要技術(shù)特征的 激光立體成形技術(shù)（Laser Metal Deposition-LMD ）和以粉末床為主要技術(shù)特征的 選區(qū) 激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melt in g-SLM ）兩個(gè)技術(shù)方

13、 向。激光立體 成形技術(shù)制造的 零件是百分之百 致密的，而 SLM技術(shù)制造的 零件偶爾可能會(huì)有少量極小的孔洞（一般小于50呵），相對(duì)于鑄件的縮松 孔洞可以忽略不計(jì)。同樣由于熔池尺寸十分微?。▉喓撩字翑?shù)毫米級(jí)），增材制造過(guò) 程不會(huì) 產(chǎn)生宏觀偏析缺陷，在整個(gè)零件尺度上化學(xué)成分是完全均勻的。增材成形過(guò) 程中，成形件除 了同十分潔凈的保護(hù)性氣氛或真空接觸外，不接觸任何其他介質(zhì)，因而不會(huì)在制造過(guò)程中產(chǎn) 生成分污染。金屬高性能增材制造的 凝固速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)鑄造過(guò)程，處于快速凝固和近快 速凝固范圍，因而凝固組織十分細(xì)小，所有這些因素成就了金屬高性能增材制造 零件優(yōu)越的 力學(xué)性能。還有人擔(dān)心增材制造的“離散

14、堆積”過(guò)程制造條件的波動(dòng)造成不可控制的冶金缺 陷而影響零件性能的一致性。如果制造條件控制不好，增材制造過(guò) 程當(dāng)然可能產(chǎn)生材料 組織 結(jié)構(gòu)不一致，從而導(dǎo)致性能不一致的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)增材制造的主要影響因素 及其波動(dòng)范圍對(duì)材料組織和性能的影響規(guī)律透徹把握和增材制造 裝備優(yōu)越的控制性能來(lái)解 決。我們?cè)跒橹袊?guó)商飛公司增材制造C919飛機(jī)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件時(shí)，成形件的 強(qiáng)度一致性 達(dá)到了小于2%的波動(dòng)范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中國(guó)商飛公司提出的5%的強(qiáng)度一致性要求。靜態(tài)性 能、疲勞性能的分散度很小，這說(shuō)明金屬高性能增材制造 完全可以實(shí)現(xiàn)高度的力學(xué)性能一致 性。從另一方面看，“離散堆積”制造過(guò)程首次提供了可以逐點(diǎn)控制制造條件的可能性，從 而為更高水平的性能一致性奠定了基礎(chǔ)。所以可以期待增材制造技術(shù)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有各種 制造技術(shù) 都更為優(yōu)越的力學(xué)性能。實(shí)現(xiàn)這種新的技術(shù)可能性，需要對(duì)金屬高性能增材制造過(guò) 程進(jìn)行十分深入細(xì)致的科學(xué)研究。就金屬高性能增材制造技術(shù) 目前的發(fā)展水平，對(duì)鑄造業(yè)的挑戰(zhàn)還是極為有限的，主要有