“3D打印”給鑄造業(yè)帶來的機遇與挑戰(zhàn)

1、2013中國鑄造活動周論文集“3D打印”給鑄造業(yè)帶來的機遇與挑戰(zhàn)黃衛(wèi)東(西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安710072)3D打印”(3D Printing)的專業(yè)術(shù)語是"增材制造” (Additive Manufacturing)，其技術(shù)內(nèi)涵是 通過數(shù)字化增加材料的方式實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的制造。誕生于上個世紀(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 足無限豐富的個性化 需求。1892年一個立體地形模型制造的美國專利首創(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)百個之多，實踐中的技術(shù)探索也層出不窮。但以1988年第一臺可以工業(yè)應(yīng)用的立體 光刻機器 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，如果沒有CAD實體模型設(shè)計和對 其進行分層剖分 的軟件技術(shù)，沒有能夠控制激光束按任意 設(shè)定軌跡運 動的振鏡技術(shù)、數(shù)控機床或機器手，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，是使我國在信息化時代，特 別是當(dāng)前回歸實體制造業(yè)的世 界潮流中占

3、領(lǐng)制造技術(shù) 領(lǐng)域國際制高點的優(yōu)先發(fā) 展方向。2012年3月發(fā)布 的美國"國 家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)” 計戈U ( National Network for Manufacturing Innovation-NNMI )擬投入10億美元聯(lián)邦資金資助建 立15個先進制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心。2013年8 月，美國政府高調(diào)宣布 成立 國家增材制造 創(chuàng) 新中心(NAMII -Natio nal Additive Manu facturi ng Innovation Institute ),作為這15個計劃中的先進制造技術(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、強調(diào)這 個研究中心的成立是強化美國制造業(yè)的重要步驟。英國國家技 術(shù)戰(zhàn)略委員會“未來的高附加值制造技術(shù) 展望”報告，也把增材制造 作為提升國家競爭力，應(yīng)對未 來挑戰(zhàn)的22個應(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。自立體光刻 技術(shù)誕生以 來，產(chǎn)生了很多構(gòu)思奇妙的增材制造技術(shù)，對制造技術(shù)的 發(fā)展起到了極大的推動作用。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)帶來新 的發(fā)展機遇。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。上個世紀(jì)90年代

5、中期 以來發(fā)展起來 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 對鑄造業(yè)則既帶來機遇也有挑戰(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)展的時代里將會遇到怎樣的機遇與挑戰(zhàn)呢？增材制造技術(shù)為鑄造業(yè) 帶來的機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，滿足單 件與小批量需求市場。鑄造工藝是從制造鑄模開始的。對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簡單的任務(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)過程 中最費時費錢的環(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，因此非常適合于需要反復(fù)試 驗鑄造工藝的高難度鑄件研制場合。待工藝定型之后再制造模具進行大批量生產(chǎn)。而對于單件和小 批量市場需求，可以直接用增材制造技術(shù) 快速制造鑄型完成任務(wù)，無需模具制造環(huán)節(jié)。從大約二十 年前開始，鑄造廠就在購買快速成形機進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?？梢姡霾闹圃旒夹g(shù) 顯著增強了鑄造業(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）激光組合制造增強鑄造業(yè)對市場需求的適應(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)一個十 分重要的發(fā)展方向。沒有任何一種 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，取長補短 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，使得以其為基礎(chǔ)發(fā)展激光組合制造技術(shù) 具有十分重要的實用價值。 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

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 高性能結(jié)合的整體構(gòu)件，成功地解決了我國某型先進航空發(fā) 動機研制中長期不能解決的技術(shù)難題。該鑄件研制三年，澆注一百多個鑄件，沒有一個合格品。而 激光組合制造件一次成 功，一個月內(nèi)為發(fā)動機裝機試車提供了合格零件。可見，對于某些單用鑄造 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)， 將增強鑄造業(yè)對市場需求的適應(yīng)能力。圖1西北工業(yè)大學(xué)激光組合制造航空發(fā)動機零件（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 進度要求有一個十分值得關(guān)注的趨勢是：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)展起來的，但工業(yè)界卻越來越關(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。除了航空航天 領(lǐng)域外，機械、能源、船舶等領(lǐng)域的大型裝備的高性能 快速修復(fù)都對激光立體 成形技術(shù)提出了迫切的需求。據(jù)報道，美國采用激光立體 成形技術(shù) 維 護的軍事裝備資產(chǎn)達40億美元/年，在飛機、陸基和?；到y(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)點是：修復(fù)件的力學(xué)性能高，可以達到鑄件以至鍛件

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行大體積增材修復(fù)；可以進行成形 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。一些機械裝備的高端零件，過去由 于缺乏適當(dāng)?shù)男迯?fù)技術(shù)而不得不報廢，其所帶來的不僅是昂貴的經(jīng)濟損失，由于這些零件的 制造周期一般很長，重新制造新件往往顯著延緩產(chǎn)品交付時間，有時成為更難以接受的問題。 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)動機和燃氣輪機單晶渦輪葉片，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 因為是數(shù)控制造，在形狀精密度方面遠遠優(yōu)于鑄造。復(fù)雜結(jié)構(gòu)件鑄造時，由 于鑄芯和活動模塊安裝精度、鑄造時位置移動等造成的尺寸偏差，在增材制造過 程中都不存 在。增材制造過 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)性能不會很高，甚至以為它低于鑄件

12、的 性能。實際上，增材制造 金屬零件的力學(xué)性能一般遠高于鑄件，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，金屬補縮通道永遠是開敞的，增材制造過 程不會產(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 零件偶爾可能會有少量極小的孔洞（一般小于50呵），相對于鑄件的縮松 孔洞可以忽略不計。同樣由于熔池尺寸十分微?。▉喓撩字翑?shù)毫米級），增材制造過 程不會 產(chǎn)生宏觀偏析缺陷，在整個零件尺度上化學(xué)成分是完全均勻的。增材成形過 程中，成形件除 了同十分潔凈的保護性氣氛或真空接觸外，不接觸任何其他介質(zhì)，因而不會在制造過程中產(chǎn) 生成分污染。金屬高性能增材制造的 凝固速度遠遠高于常規(guī)鑄造過程，處于快速凝固和近快 速凝固范圍，因而凝固組織十分細小，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”過程制造條件的波動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 程當(dāng)然可能產(chǎn)生材料 組織 結(jié)構(gòu)不一致，從而導(dǎo)致性能不一致的問題。這個問題，可以通過對增材制造的主要影響因素 及其波動范圍對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)越的控制性能來解 決。我們在為中國商飛公司增材制造C919飛機大型鈦合金結(jié)構(gòu)件時，成形件的 強度一致性 達到了小于2%的波動范圍，遠遠高于中國商飛公司提出的5%的強度一致性要求。靜態(tài)性 能、疲勞性能的分散度很小，這說明金屬高性能增材制造 完全可以實現(xiàn)高度的力學(xué)性能一致 性。從另一方面看，“離散堆積”制造過程首次提供了可以逐點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)在未來實現(xiàn)比現(xiàn)有各種 制造技術(shù) 都更為優(yōu)越的力學(xué)性能。實現(xiàn)這種新的技術(shù)可能性，需要對金屬高性能增材制造過 程進行十分深入細致的科學(xué)研究。就金屬高性能增材制造技術(shù) 目前的發(fā)展水平，對鑄造業(yè)的挑戰(zhàn)還是極為有限的，主要有