3D 打印技术最新进展与 2018 年重大事件回顾

3D 打印技术最新进展与 2018 年重大事件回顾

前端技术

01-14 16:39


3D 打印技术,亦称增材制造技术,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属材料,通过逐层堆叠累积的方式来制造任意复杂形状物体的技术。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。


3D 打印零件 


金属 3D 打印技术起源于20世纪80年代后期的美国。


1986年,美国科学家 Charles Hull 开发了第一台商业 3D 印刷机。1993年,麻省理工学院获 3D 印刷技术专利。随后传入了日本和欧洲,并于20世纪90年代传入我国。欧美在 3D 打印技术领域一直处于世界领先地位。


金属增材制造技术主要有

电子束选区熔化技术(Electron Beam Selective, EBSM)、

选区激光熔化技术(SelectiveLaser Melting, SLM)、

激光近净成形技术(Laser Engineered Net Shaping, LENS)、

电弧丝材3D 打印技术、

低熔点合金油墨3D 打印技术等。


23 张动图,让你秒懂黑科技 3D 打印如何造出实物 }


选区激光熔化技术( SLM )最早由德国 Fraunhofer 研究所在1995年提出,2003年英国 MCP 公司研制出世界第 1 台 SLM 打印机。欧美等发达国家在激光选区熔化( SLM )设备的研发及商业化进程上处于世界领先地位。


SLM 选区激光熔化技术示意图



SLM 选区激光熔化技术


SLM 设备主要由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几部分组成。3D 打印时,先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。



SLM 成型不受零件形状和尺寸限制,它的最大优势就是打印结构复杂的零部件,因为结构复杂的零部件无法采用传统的铸造或焊接等成型方法直接成型制造,在制造复杂零件方面它具有得天独厚的优势。


据报道,目前 SLM 激光束的光斑直径可以聚集到 0.1-0.5mm,致密度接近 100%,尺寸精度达到 10-50μm,表面粗糙度达到 Ra20-30μm。




2015年,英国 RENISHAW 公司发布了两款金属 3D 打印设备,其中 Ren AM500M 成形尺寸最大,为 250mm×250mm×350mm,并且拥有多种功能,包括一个带动态调焦的光学系统、自动粉末筛分和再循环系统、19 英尺触摸屏界面和 500W 光纤激光器;另一款 AM400 的构建尺寸为 250mm×250mm ×300mm,具有一个更大的筛选器和改进的光学控制软件,以及一个新的 400W 光学系统,可以将激光直径减少至 70μm。


钢研院屈华鹏等人报道,3D 打印技术并非普适于所有的金属材料结构件,受到自身工艺流程和技术特点所限,也具有其适用范围和局限性。判断 3D 打印技术是否适用于金属材料的高性能结构件的制造,取决于其 3D 打印结构件的微观组织能否保证足够的力学、耐蚀、物理等性能指标。金属材料的微观组织决定了性能的优劣。3D 打印技术更适合结构复杂需要一体化成型的构件。



2018年 3D 打印在世界范围内最新进展


● 空客 3D 打印出世界首个自加强机身壁板。

空客旗下 Stelia 航宇公司的工程人员创造出了世界首个自加强机身壁板,他们以增材制造集成加筋结构以提供结构加强。


工程人员使用的是丝束电弧增材制造,将加筋铝丝沉积到壁板的内表面。目前,机身内部网状的加筋结构均是通过手工紧固或者焊接上去的。新制造工艺被 Stelia 称作 DEFACTO 面向拓扑组件的增材制造开发


项目持续 3 年,由法国民航总局共同出资。Stelia 航宇 CEO 塞德里克·戈蒂尔表示:“研发工作是增材制造广泛研究的一部分。我们希望结果可以用于新的设计、减重、更好的功能集成、通过使用更少材料而对生态造成更小影响,以及减少制造成本。”



● 赛峰电气与电源公司与英国增材制造软件 Betatype 公司合作开发 3D 打印的电机外壳。

德国飞机零配件制造商 Premium Aerotec、戴姆勒汽车集团和 3D 打印巨头 EOS 公司展开合作,推动 3D 打印技术在航空制造领域的应用。三方已经在德国北部城市瓦雷尔设立了试验工厂,以对 3D 打印技术在工业化量产中的适用性进行测试。

Betatype助力赛峰飞机3D打印发电机壳体部件,结构更轻更强 热点 第3张
 
Betatype助力赛峰飞机3D打印发电机壳体部件,结构更轻更强 热点 第2张


● 超大 3D 打印钛合金复杂零件试制成功。

一个接近设备成形空间极限的超大尺寸钛合金复杂零件,在昆明理工大学增材制造中心试制成形,这也是迄今为止使用激光选区熔融方法成形的最大单体钛合金复杂零件。



● 西门子 3D 打印燃气轮机燃烧室成功运行 8000 小时,8000 小时的无故障运行,证明了 3D 打印零部件性能的可靠性。



● 惠普正式发布金属 3D 打印机。

惠普官方宣布推出基于粘结剂喷射的金属打印系统,该系统能够实现金属部件高效率、低成本、高品质制造,并能推动金属3D打印大规模批量化生产。目前,惠普已与GKN和Parmatech合作,并在他们的平台上安装了HP金属3D打印机,开始为强生、大众、威乐等企业批量生产金属零件。



● 罗罗在 Advance3 核心机中使用 3D 打印和 CMC 材料技术。

罗罗公布其集成了约 2 万个零部件的发动机验证机——Advance3 发动机通过 100 多个小时的测试。Advance3 是大涵道比涡扇发动机,齿轮箱使用五个行星齿轮,传动比率为 4∶1,该设计允许风扇在气动损失和噪声都较小的较低转速下工作,同时,压气机和涡轮在效率较高的高转速下工作,从而实现发动机涵道比增大,使发动机可靠性提高,耗油率、使用与维修成本、噪声均降低。 



● GE 增材制造(GEAdditive)宣布, 美国联邦航空管理局(FAA)已批准 3D 打印支架用于 GEnx-2B 发动机。

该支架将取代传统制造的电动门打开系统(PDOS)支架。GEnx 发动机是 GE 航空生产的一款先进的双转子轴流式大涵道涡轮风扇发动机,使用于波音 787、747-8 及空客 A350。安装 3D 打印支架的 GEnx-2B 发动机将使用于波音 747-8 机型。


这款 3D 打印支架为 GE 航空创造了两个“第一”。首先,这是 GE 第一个获得认证的由 Concept Laser 选区激光熔融设备生产的 3D 打印零件。其次,这是 GE 第一次在 10 个月内完成一种 3D 打印零件的开发项目,该零件从设计到生产的全部工作都在这段时期内完成。


● 仿生设计与 3D 打印结合开始发挥重要作用。

NASA 宣布他们与 Autodesk 合作,借助 AI 和 3D 打印两项先进技术打造了史上最复杂的行星着陆器“spider”,从而使外部结构质量减少 35%,性能提高 30%。NASA 借助 AI 和 3D 打印在零风险和使用潜力之间取得了平衡。



在2017年发布的《重大技术装备关键技术产业化实施方案》中指出由骨干企业牵头,联合相关单位,研制工业级铸造 3D 打印设备,满足大型发动机、航天航空等领域黑色及铝合金铸件的需求。


20世纪80年代中国开始研发快速成型技术的研发,至今已形成北航、华中科大、西安交大、清华大学四大研发中心。据中商产业研究院数据显示,2017年中国 3D 打印技术专利申请数量达到 9809 个。


在出货量方面,中商产业研究院数据显示,2017年全球 3D 打印机出货量为 39.6 万台,同比增长 30.1%。中商产业研究院数据显示,2017年中国 3D 打印市场规模达到 17.5 亿元,同比增长 47.4%。伴随着中国 3D 打印技术的相应成熟,在航天航空,汽车等行业需求将持续增加。




随着我国“中国制造 2025”发展战略的提出,制造技术将面临巨大的提档升级与更新换代的历史机遇。增材制造技术是对传统加工技术的有效补充 , 是一项具有划时代意义的战略性技术。3D 打印技术在未来将具有更加广泛地应用前景



世界最大军用战机 3D 打印钛合金零件


每一项技术都有其技术特点,它都是针对某一特定的问题而诞生的,它的诞生有与生俱来的使命,任何一项技术我们都不能赋予它们超过其本能的期望。


参考文献:

[1]2018年 3D 打印行业亮点:赛峰 3D 打印发电机壳体部件。http:// www. cannews. com. cn / 2019 / 0110 / 187924. shtml.

[2]3D 打印。https: //baike. baidu. com/ item/ 3D% E6%89 %93% E5%8D %B0/ 9640636 ? fr=aladdin

[3] 屈华鹏等. 金属材料增材制造( 3D 打印 )技术的局限性. 热加工工艺, 2018.

[4] 尚广庆等. 金属激光选区熔化( SLM )技术及设备概况. 苏州市职业大学学报,2018.

[5] 程俊廷等. 浅谈 3D 打印技术的应用与发展. 机电信息,2018.

[6] 程俊廷等. 金属增材制造技术研究与应用现状及趋势. 中国设备工程,2018.

[7] 段望春等. 3D 打印技术在金属铸造领域的研究现状与展望. 铸造技术,2018.





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