揭秘我国金属3D打印技术:0.5公斤钛合金零件撑起400公斤重量

国际金属加工网 2017年10月30日

0.5公斤零件撑起400公斤重量 中国航天器试水3D打印

为了突破西方对于中国的核心技术封锁,中国的企业家、科学家大胆实践、勇于创新,不仅是造出了被西方国家垄断的铼(lái)金属核心部件,还创造出了新的金属制造方式。2017年9月20日,世界顶尖的金属3D打印设备制造商德国斯棱曼公司(SLM Solutions)与一家中国公司签下了合作协议,与一家中国公司成立联合应用研发中心,将展开针对中国市场的应用研发。

金属材料的3D打印技术门槛高,难度大,附加值高,金属3D打印的产值也占到了整个3D打印行业的80%以上。在金属3D打印方面,西方国家的技术也长期领先于中国。而如今,金属3D打印正在越来越多地出现在中国制造的高端装备上,这让世界领先的企业,也注意到了中国企业在这个方面取得的创新和成就。

中国航天科技集团五院的展厅,浓缩了中国空间飞行器研制的主要成果,这些航天器对于减少重量的要求,可谓是严苛之极,因为每增加一克的重量,就会给发射带来很高的成本,并且会加大航天项目的复杂性,甚至直接影响到整个方案的可行性。为了减轻每一克的重量,研究人员从材料和结构上想了任何可能的办法。

中国航天科技集团五院总体部增材制造技术项目经理张啸雨说:这个就是我们目前工程上最轻的材料,叫蜂窝夹层结构,这种结构里面全部是蜂窝,然后上下的面用的是碳纤维。这种碳纤维非常昂贵,它的一公斤差不多要比那个同等重量的黄金还要贵一些。减轻重量是不懈的追求。碳纤维材料,加之蜂窝状的结构,这几乎已经达到了减重的极限,但是工程技术人员对此还是不满意,他们希望重量再降低一些。可是,如何才能实现新的突破呢?

位于北京市昌平区的一间厂房,正在生产着钛合金、铝合金、不锈钢等多种金属的零部件。但是与其它的冶金厂房不同,在这里,记者看不到金属锻造的大型设备,也看不到很多的技术工人操作,只看见一台台3D打印的机器在忙碌地工作着。这个金属打印技术叫激光选区熔化,使用激光照射预先铺展好的金属粉末,使其成形固定。经过两天时间,制造过程终于接近尾声,技术人员小心翼翼地将“打印机”中多余的粉末扫去,一个结构非常复杂和精巧的钛金属立方体显现出来。

鑫精合激光科技发展有限公司副总经理孙峰说:钛合金在我们冶金行业,是一种非常难成形的一种材料牌号,它的冶金工艺非常的复杂,通过我们这次3D打印工艺,把这么难做的一个钛合金,通过我们3D打印工艺,呈现出这样一个轻量化的结构来。

在制造业中,传统制造的方式是“减材制造”,它是利用已有的几何模型工件,用工具将材料逐步切削、打磨、减少,最终成为所需要的零件。而3D打印则恰恰相反,它是根据一个数字三维文件,在一个完全没有任何材料的平面上,一点点逐层打印、添加材料,最终形成一个三维整体,这就是所谓的3D打印,也被称为“增材制造”。

这样一个边长20厘米左右的立方体,如果用传统的金属铸造工艺制造,重量至少要在5公斤以上,而这个零件的重量却只有0.5公斤,只有以前的十分之一,大大减轻了重量,却具备高强度。孙峰现场给我们做了一个演示。将近100公斤的孙峰,整个人站在这个立方体上都没有问题,孙峰告诉我们,它最大的承受力在300到400公斤,那可能是800倍到1000倍的载荷。

目前,在我国很多飞机、船舶甚至航天器的重要零部件上,都可以见到金属3D打印的身影。无论是飞机、船舶的发动机、零部件,还是运载火箭、空间航天飞行器、无人机等航空航天设备,金属3D打印部件正在悄悄地取代着传统制造的零件,并给航空航天等高端制造提供了更多的可能。航天器上很多大大小小的零件,都可以用这种结构来替代原有的较为笨重的金属。甚至一根头发丝,就可以吊起来一个体积不小的卫星上的小零件。

孙峰说:它的轻量化效果非常的好,整个零件它的减重达到了30%以上,它给咱们整个火箭发射这一块,成本节约了几百万,甚至上千万人民币的一个效果。我们传统制造业来说,制造一颗卫星它可能需要几个月甚至几年的时间,通过我们3D打印工艺实现整个卫星的机构,可能只需要十几天的时间,一颗小的卫星可以打出来。

3D打印作为一项前沿性的先进制造技术,已经成为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力。 然而,多数的设备和工艺尚不成熟,还无法批量打出稳定、耐用、高性能的工业品来,处在“模型制造”和实验阶段。但是这种情况正在发生变化,我国的金属3D打印正在不断地向尖端制造靠拢。

在鑫精合的厂房里,一个大型的钛合金航天器零件,即将在这台由中国民营企业自主研发的大型金属3D打印机里诞生。与小型的精密的金属3D打印机的技术不同,大型的打印机采取了另一种不同的技术方式——同轴送粉工艺。而中国在这项技术上已经走在了世界的先列。目前,能用3D打印技术制造出达到锻造水平的金属部件的国家,只有德国、美国、中国等少数几个。而鑫精合批量制造大型钛金属结构件的能力已经在国际领先。这种激光“打印”金属粉末的工艺,使得金属材料冷却凝固速度极快,组织细小,力学性能优异,也具备了像锻件一样的高强度。

直径4米的航天器部件拆分成6个2米左右的大零件,3D打印并加工后,再进行整体焊接。在过去,这样巨大的金属件从开模具到锻造,再到机械加工,是个非常浩大的工程,通常需要一年时间才能完成,而用3D打印的方式,仅需要3-6个月。张啸雨说:可能我们最快的在明年,或者是后年都会有发射的型号来去做这样的一个尝试。我们大概现在有60件到100件的产品已经是在完成了制造,而且已经开始装星,已经开始做整星级的力学实验。


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