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激光3D打印:梦想和现实的距离

  3D打印所需的关键技术

  3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术,至少包括以下方面:

  信息技术:要有先进的设计软件及数字化工具,辅助设计人员制作出产品的三维数字模型,并且根据模型自动分析出打印的工序,自动控制打印器材的走向。

  精密机械:3D打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品,必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。

  材料科学:用于3D打印的原材料较为特殊,必须能够液化、粉末化、丝化,在打印完成后又能重新结合起来,并具有合格的物理、化学性质。

  激光快速成形将是3D打印率先突破的方向

  激光快速成形是较为成熟的先进制造方式,激光快速成形是3D打印制造的一种,是利用计算机模拟切片的技术,逐步利用高能激光束熔化送到熔池中的粉末,如金属、陶瓷、塑料、砂等,从而逐步堆积成一定形状的零件和部件。说的形象点,就是先利用计算机切片,将零件分成一层一层,然后每一层利用类似于“十字绣”的工艺,一点一点用激光配合金属粉末堆积,最后一层一层拼接起来。

  由于该技术将多维制造变为简单的由下至上的二维叠加,大大降低了设计与制造的复杂度,甚至可以制造传统方式无法加工的奇异结构,如封闭内部空腔、多层嵌套等。

  快速制造技术与传统工艺相比具有独特的优越性和特点。

  一、突破了传统去除加工方法的限制,无需零件毛坯和大型锻造、铸造设备及模具,可实现材料制备与成型的一体化,显著缩短零件制造周期、降低制造成本、提高材料利用率;

  二、在同一套生产系统上可进行不同材料零件的制造,具有广泛的材料及设计适应性;

  三、整个生产过程数字化,可以方便地通过材料及工艺的调节与控制,实现多种材料在同一零件上的集成制造,满足零件不同部位的不同性能需要;

  四、由于采用非接触加工的方式,没有工具更换和磨损之类的问题,无切割噪音、振动以及废水、废料等排放,符合现代绿色制造理念。

  快速制造思想产生于上世纪80年代。1992年,美国DTM公司(现已并入美国3DSystems公司)研制成功世界第一台采用粉末材料的激光快速制造装备。美国、德国、日本等国的制造企业将之用于蜡、砂型的快速制造,大大提升了传统铸造工艺的技术水平。

  激光快速成形在航空航天、汽车、船舶制造领域优势巨大

  快速成形技术是一种数字化的添加材料成型技术,对于产品的几何形状并没有约束,可以说“只要你想得到,我就可以做出来”。因此,设计零部件时可以采用最优的结构设计,而无需顾虑加工问题。而这正是快速制造技术最大优势所在——拓展设计人员的设计空间,尤其是在航空航天、武器装备、汽车等动力装备结构复杂的高端领域。

  激光制造技术在航空领域的应用直接体现在航空用钛合金结构件的直接制造以及航空发动机零件的快速修复方面。

  欧美已将快速制造技术视为提升航空航天、汽车及武器装备等核心领域水平的关键支撑技术之一。例如,美国能源部大额资助Sandia及LosAlomos国家实验室,开展高性能金属零部件快速制造技术。在美国空军、陆军及国防部联合资助下,该技术在波音、军火巨头洛克西德•马丁公司、国防供应商诺斯洛普格鲁曼等飞机制造企业获得实际应用。

  2001年在美国国防部的支持下激光快速成形技术由研究转化为F/A-18E/F、F-22、JSF等先进歼击机上的装机应用。2002年以来激光制造技术成为美国航空航天国防武器装备大型钛合金结构件的核心制造新技术之一。

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