增材制造技術課件

增材制造（3D打?。?/p>

AdditiveManufacturing（3-Dprinting）1編輯課件背景:3D打印成為關注熱點奧巴馬宣布美國“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡”計劃，成立15個制造創(chuàng)新中心組成網(wǎng)絡，每年投資10億美元。經過5個多月的論證最后選了“增材制造”作為第一個中心的研究方向。經濟學人“第三次工業(yè)革命”。南方周末“野蠻神器”要革制造業(yè)的命。工信部副部長蘇波表示將推動3D打印產業(yè)化；科技部表示在制定3D打印的戰(zhàn)略規(guī)劃。2編輯課件3D打印概念“增材制造”=“3D打印”=“快速原型制造技術”根據(jù)零件的形狀，每次制做一個具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結起來，就得到了所需制造的立體的零件。3D打印機，都是“分層制造，逐層疊加”。3編輯課件3D打印的工藝1.熔積成型

FDM(FusedDepositionModeling)石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲2.選擇性激光燒結。SLS（SelectiveLaserSintering）尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末。3.立體光固化成型法SLA(StereoLithographyAppearance)液態(tài)光敏材料4編輯課件1.制造復雜物品。（目前已顯現(xiàn)）2.產品多樣化不增加成本。3.生產周期短。（最大的優(yōu)點）4.零技能制造。5.不占空間、便攜制造。（戰(zhàn)場、災區(qū)）6.節(jié)省材料。7.精確的實體復制。（3D照相館）3D打印機的優(yōu)勢5編輯課件民用消費級3D打印機打印材料：塑料絲、少量金屬絲特點：結構簡單、精度低、物品表面粗糙、不考慮力學性能。分層厚度：0.1mm-0.5mm市場范圍：市場80%的3D打印機屬于民用消費級。售價：3000-20000RMB消費人群：設計愛好者、小企業(yè)、學校民用消費級采用的工藝主要為熔積成型FDM。6編輯課件現(xiàn)代CAD/CAM技術CAD技術設計要打印的各種物品的3D數(shù)字模型。計算機數(shù)控技術軟件或系統(tǒng)把3D數(shù)字模型切片。并根據(jù)每片的形狀，分解成一條條的打印指令傳給伺服電機和噴頭，并保證各個伺服電機精確確配合。7編輯課件精密伺服驅動技術伺服電機根據(jù)指令要精確控制打印頭的移動位置和平臺移動，使每個時刻都在精確的位置打印。精度要達到0.1mm。甚至20um.8編輯課件新材料技術打印材料的研發(fā)目前還在初級階段。9編輯課件商用級3D打印機打印材料：樹脂、金屬、石膏、尼龍、玻璃等。特點：結構復雜、精度高、物品表面質量好、基本不考慮力學性能。分層厚度：0.1mm-0.5mm市場范圍：市場20%的3D打印機屬于商用級。售價：100萬-400萬RMB消費人群：大中型生產制造企業(yè)研發(fā)設計部門打印出來的物品，一般不出售，只作外觀設計、模型研發(fā)用，縮短研發(fā)周期。10編輯課件生物工程級3D打印機打印材料：鈦合金、特殊與活體能相容的材料。市場范圍：打印機的用量很少。主要產品：人體植入物、假肢、假牙、骨骼等。在歐美已經有很廣泛的應用。消費人群：醫(yī)療保健企業(yè)和醫(yī)院。特點：一對一滿足有需求的人。3D打印生產的假肢在歐美已經有30000人以上在應用。11編輯課件工業(yè)級3D打印機渦輪引擎部件鈦合金12編輯課件3D打印不是泡沫也非“神器”PBS塑料陶瓷不銹鋼紙樹脂尼龍玻璃生物墨水高強鋼鋁鈦鈦合金鈷鉻合金鎳鋁合金青銅合金ABS塑膠木材細胞黃金鎢3D打印能制造的物品，常常令人驚嘆！，但這些打印件沒有生產標準，沒有質量檢測，沒有安全認證，屬于“三無”產品。大部分外觀、質量、性能都趕不上常規(guī)生產方法制造出的物品。13編輯課件2011年全球3D打印產業(yè)產值為17億美元，國內為3億人民幣。年增長率25%。3D打印市場情況14編輯課件目前3D打印產品的主要應用領域1.快速模具制造（汽車）2.高端零部件（航空零部件）3.產品設計（電子消費品等，蘋果手機）4.醫(yī)療保健（牙科、假肢、骨骼）這些應用集中在不計成本的設計行業(yè)、尖端制造、以及一對一的個性化服務方面。15編輯課件金屬零部件增材制造Since198516編輯課件國外金屬材料增材制造的主要研究機構美國LosAlamos美國SandiaAeroMetGE、羅羅(英國)、IBM、波音、洛馬、諾格西屋核電-------------------------------------------------------------------------------Stratasys公司（占世界3D打印機銷量的一半，2011年為2萬臺）Objet公司（世界最大的商用3D打印機）3Dsystems公司EOS、ArcamAB、GmbH

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美國國防部資助了一系列的計劃。

這些研究機構做出了大量的飛機零部件。例如：Sandia實驗室做航空發(fā)動機葉片；泵殼體尺寸300mm左右，Losalamos作出高溫合金管。Aeromet利用激光快速成型技術制造的多個鈦合金關鍵大型承力結構件；如尺寸達到2.5m、重達130kg的大型整體筋板加強鈦合金發(fā)動機框、機翼拼接接頭等已經在F22及F-18E/F上得到批量應用。18編輯課件但美國激光快速成型全都集中在小體積高價值的零件，還包括表面修復，表面涂層。1.激光一走，溫度迅速下降，容易出缺陷，做不了大零件。2.由于力學性能差，激光成型再去熱等靜壓，性能不如鍛件，激光成型再去鍛造，還是不如鍛件。3.缺乏大型裝備。美國人沒辦法提出了“損傷容限”的概念。在大尺寸復雜鈦合金整體結構件在F18上做試驗失敗3年后，Aeromet公司倒閉。19編輯課件國內增材制造的研究機構編號單位代表人物專業(yè)工藝產品國家認可1北航王華明鑄造材料激光熔融航空部件國家技術發(fā)明獎一等獎2華中科大史玉升材料激光燒結航空部件、汽車部件、骨骼、牙齒國家技術發(fā)明獎二等獎3西北工大黃衛(wèi)東鑄造激光熔融航空部件C919應用4清華顏永年機械容積成型塑料5西安交大盧秉恒機械光固化樹脂、骨骼、芯片院士國內增材制造簡單概括：五大派系，三種工藝20編輯課件

王華明，北航材料學院材料加工工程系主任。1995年進入金屬激光增材制造領域。王華明2012年，憑借“大型復雜整體鈦合金結構件激光成型制造技術及裝備”獲得國家技術發(fā)明獎一等獎。為國產C919、J15、J20、J31提供航空結構件。還包括少量的航空發(fā)動機整體葉盤，材料主要為鈦合金、鎳基高溫合金、少量高強鋼。21編輯課件王華明激光快速成型裝備，做了五代。22編輯課件激光成形技術的主要工藝參數(shù)為：激光束功率：３．０～１０ｋＷ激光束斑直徑：φ３～６ｍｍ掃描速度：５～１０ｍｍ／ｍｉｎ粉末流量范圍：１０～３０ｇ／ｍｉｎ單層沉積厚度：不高于０．８ｍｍ。99.99-99.999%高純氬氣或氦氣作保護性氣氛。23編輯課件板材、棒材或鍛件機械加工后的細棒氬氣霧化制成粉末，以粉末霧化態(tài)真空罐裝供應，其中粉末７０％為球形粉末，需篩分和干燥，粒度為100-300目。激光增材制造用金屬粉末24編輯課件激光增材制造技術工藝優(yōu)勢1.增材制造技術出來的部件組織細密，非常均勻；鍛造（forging）都會有一個壓力的均勻問題。鑄造中心偏析，晶粒粗大，組織不均勻。2.周期短、成本低、柔性高效。3.節(jié)省材料，較常規(guī)制造方法提高5倍以上。1.由于冷卻速度太快，內應力大，容易內部缺陷。2.裂紋一旦形成，高速擴展。3.

晶粒組織難以控制。激光增材制造技術工藝難點25編輯課件高性能難加工大型復雜整體關鍵構件激光直接制造技術

“F22鈦框，面積5.53平方米。3萬噸水壓機模鍛件能達到0.8平方米，8萬噸能達到4.5平方米。傳統(tǒng)方法，鑄錠，制胚，模具，模鍛。美國的一個飛機零件，壓成一個餅3噸，到最后加工完成只有144公斤，材料利用率不到5%。增材制造，材料利用率80%左右。我們通過增材技術制造的最大的整體結構件5平方米，美國做不了。激光成型的零件，超過或者等同于鍛件的性能，抗疲勞強度，比鍛件高32-53%，疲勞裂紋擴散速率降低一個數(shù)量級。常規(guī)性能和鍛件差不多，但高溫、持久、抗疲勞性能比鍛件好很多?！?6編輯課件高性能難加工大型復雜整體關鍵構件激光直接制造技術27編輯課件我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成形技術，并實現(xiàn)裝機應用的國家。所做零件經過8000小時以上的抗疲勞測試。“翅膀根的受力件，我們做出來136公斤，鍛件1706公斤，節(jié)省材料90%+。2010年，已經做完了性能測試，比鍛件還要好。05年做出圖示零件需要5天，現(xiàn)在只要幾小時?！?8編輯課件C919大型客機主風擋窗框“雙曲面窗框，Ti-6Al-4V鈦合金，只有歐洲有有家公司能做，周期2年，先付200萬美元模具費，而且零件非常貴。而我們55天就做好了，4大件，2件已經裝上了飛機?！?9編輯課件飛機起落架一種300M超高強鋼飛機起落架的制造方法

專利號：200810010308

發(fā)明（設計）人：王云閣;王向明;王華明06年某飛機起落架的關鍵零部件，目前已經批生產，已經受2000多個起落。30編輯課件航空發(fā)動機葉盤

高溫合金渦輪盤“未來發(fā)動機就是一肚子的整體葉盤，葉片和盤子分開的重量太重。而我們現(xiàn)在可以葉片和盤子同時出來，而且葉片我們可以隨心所欲控制組織，讓它長成柱狀晶，他的高溫性能就很好，這里我們讓它長成等軸晶，低周耐疲性能就很好，如果溫度再高，我們就可以換材料，它可以做到隨心所欲，一種零件可以用很多種材料來做?！?1編輯課件王華明完成直徑達550mm、具有快速凝固徑向定向微細柱狀晶梯度組織的鎳基高溫合金發(fā)動機渦輪盤樣件，葉片900度疲勞強度可以比第二代單晶高40%。32編輯課件王華明的增材制造技術總體評價1.在內部缺陷控制、組織控制及定向凝固等關鍵技術方面取得了突破。2.大部分零部件經過裝機檢驗。3.在部分零部件性能上，增材制造>鍛造>鑄造。4.發(fā)動機葉盤整體制造，還未裝機試驗，但表現(xiàn)出很大的潛力。5.目前用的原料粉末，都是已經冶煉好的鋼的粉末。6.現(xiàn)有的文獻、新聞、專利、報告都沒有提到過廢品率，猜想應該不會太低。33編輯課件華中科技大學設備成型空間：1．2米×1．2米；EOS公司：0．73米×0．38米；3D系統(tǒng)公司：0．55米×0．55米。使我國在激光燒結快速制造領域達到世界領先水平。

廣西玉柴運用該技術生產六缸發(fā)動機缸蓋，7天內可以整體成形四氣門六缸發(fā)動機缸蓋砂芯。而采用傳統(tǒng)的砂型鑄造試制方法，需要5個月左右。

為空客和歐洲航天局制作飛機、衛(wèi)星、航空發(fā)動機用大型復雜鈦合金零部件的鑄造蠟模。華中科技大學的增材制造技術進展34編輯課件C919中央翼緣條長度超過3米西北工業(yè)大學制造的航空零部件飛機主承力梁長度5米35編輯課件金屬增材技術的發(fā)展方向1.飛機結構件一體化制造（翼身一體）2.重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）“金屬增材制造技術，不能包打天下，適合難加工的、高性能的、貴的、別的方法做不出來的零件，優(yōu)勢是成本、周期、性能，這個方面我們走到了美國人前面。”-王華明36編輯課件增材制造金屬部件有多貴增材制造的金屬部件每克售價10元-100元,價格在黃金和白銀之間.王華明利用增材制造技術生產的飛機次承力結構件,幾十公斤,成本120萬.外國記者JohnNewman報道，中國用于增材制造的國防研發(fā)費用約在8000萬美元。增材制造技術生產的家用金屬用具成本是傳統(tǒng)生產成本的1000倍。37編輯課件為什么增材制造航空零部件還能降低成本傳統(tǒng)方法制造航空結構件：1.開模具費用昂貴。一個很小的零件，寶鋼做一套等