增材制造技术走出实验室

2011-7-14 09:15 来源: 科学时报
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图为应用于超声探头的增材制造技术

  以航空发动机里面的一个零件为例:如果采用传统的加工方式,大概需要40个小时,而采用增材制造技术,则加工过程可控制在12~13个小时之内。

  国内也在开展相关技术的研究,但是总体而言,国内企业的应用量和技术拓展力度还不够大。

  在工业制造的“高精尖”领域,如航空发动机领域,由于零部件结构及形状复杂,精度要求高,材料难加工, 在生产过程中需要耗费大量的成本和时间。

  如今这一局面正在发生改变。诞生于上世纪80年代的“快速成型技术”取得了新进展。目前该项技术不仅能用于加工树脂、尼龙、蜡等熔点和硬度较低的材料,还可以直接将金属材料加工成所需要的功能零部件。

  从油漆到金属

  1985年,化学家查克·赫尔在为一家油漆生产商从事研发工作时,生产商提出要求,希望室外油漆能干得快些。于是,由查克·赫尔领导的小组研制出了一种新式油漆,这种油漆对阳光敏感,能够迅速从液体变成固体。

  在开发过程中,查克·赫尔意识到,如果油漆的层数足够多,说不定能够制作出三维的物体。

  这就是“快速成型技术”的由来。

  诞生之初,该项技术多应用在树脂、尼龙、蜡等熔点和强度较低的材料上面。真正能够将金属材料直接加工成复杂的零部件,则是最近才刚刚走出实验室。

  近日,通用电气公司(GE)宣布,该公司的科学家运用一种基于快速成型原理的增材制造技术,可以一步将零件加工到最终形状。目前,GE已将该技术应用于制造超声设备中的超声探头,以及飞机发动机的零部件,以降低劳动力和生产成本。

  GE中国研发中心研究员李延民向《科学时报》记者讲述了利用上述技术加工金属材料的过程。

  首先在计算机中生成所要加工零部件的三维数字模型。然后,工程师将模型“切成”一定厚度的薄层,从而得到一系列的二维轮廓。接下来,工程师按照二维轮廓,用激光一层层地扫描烧结预先铺制好的金属粉末,最后制造出与三维数字模型相同的零部件。

  另一种制造方法与此类似,只不过不是预先铺制好粉末,而是在激光扫描过程中,通过喷嘴向材料熔化的区域不断添加金属粉末,从而“由点到线,由线到面”地制作出立体的零部件。

  “高精尖”领域是重要突破口

  与传统的加工和制造技术相比,增材制造技术有着诸多优势。

  李延民告诉《科学时报》记者,以他们正在做的航空发动机里面的一个零件为例,如果采用传统的加工方式,大概需要40个小时,而采用增材制造技术,则加工过程可控制在12~13个小时之内。

  除了时间上的节省,该技术在节省用料方面也很有优势。

  据李延民介绍,在航空发动机领域,从购买原材料到最终加工成零部件,材料的利用率有的仅在10%~20%。

  在工业制造领域,这已经属于较高水平。其他领域的材料利用率更低,比如蒸汽机,在10%甚至更低,很多材料都被切成废屑, 浪费了原材料、 刀具、工时和能源。而增材制造技术理论上可以实现材料100%的利用。

  “当然,在实际应用中会打一些折扣,但也可以达到80%以上。”李延民说。

  此外,在所加工零部件的尺寸和精确度方面,增材制造技术的范围也较宽。李延民告诉记者,他们用该技术加工过超过1米的零部件,也做出过壁厚为0.1~0.2毫米之间的复杂薄壁件。

  “从理论上说,尺寸是没有限制的,主要看机床设备能支持什么样的尺度。”李延民说。

  GE中国研发中心制造和材料技术总监魏斌向《科学时报》记者表示,现在航空、发电和医疗领域的原材料,特别是贵重金属和高强度合金的价格越来越高, 高技能劳力成本在增加,产品制造周期在缩短,这对工业制造技术提出了更高的要求。

  “比如设计一个燃油效率更高的飞机发动机,会用到许多新材料,以及新的几何形状的零部件。如何让这些复杂的设计经济、快速地变成真正的零件?这对制造技术提出了迫切的要求。”魏斌说。

  增材制造技术无疑是可行的解决办法之一。魏斌还指出,在过去,复杂零件生产成本过高及制造工艺的局限在一定程度上限制了设计人员的思维。而增材制造技术是把三维的零部件“切”成两维来实现,过去因为加工手段限制而避免设计的东西,现在可以重新思考。

  与传统加工方式相比,增材制造技术可以加工复杂零部件,且更省材料、时间和能源,因此,在航空航天、军工、大型船舰维护等“高精尖”领域很有优势。

  “这些领域的零部件非常难加工,传统加工方式又使不上劲,所以是增材制造技术应用的重要突破口。”魏斌说。

  走出实验室

  据李延民介绍,GE很早就对增材制造技术开始了研究和应用。比如,用该技术进行零件的修复和再制造,这方面GE已经有近20年历史。

  而将该技术用于制造航空发动机零件,则处于“刚刚从实验室走出”的过渡阶段。

  魏斌告诉记者,使用该技术制造出的零件,性能还需要进一步优化。“毕竟是一层层‘堆’出来的,而不是锻造出来的。而在航空发动机领域,对零部件的材料性能和使用寿命非常看重。”

  不过,魏斌同时表示,该项技术已经取得了较大进步,可以用于生产部分航空发动机零部件。对于一些对强度、性能要求很高的零部件,则仍然处于测试阶段。“必须有大量测试数据的积累,才能决定是否能真正替换掉传统手段制造的零部件。”

  此外,作为一项新兴的制造技术,增材制造还需要进一步普及,以形成规模效益,降低成本。

  “只有当价格和性能都满足市场需求后,才能作为一个可普及的生产手段。”魏斌说。

  据了解,GE全球研发中心在4月底成立了增材制造实验室。魏斌表示,此前GE全球研发中心也有一些实验室在进行相关研究。之所以成立专门的实验室,则是因为GE认为该技术已经到了从实验室到应用的关键期。

  “我们成立这个实验室,主要想集中力量突破目前的一些技术瓶颈,并探索更多的应用。”魏斌说。

  西安交通大学教授、机械制造系统工程国家重点实验室主任李涤尘一直关注快速成型技术的发展。在他看来,GE将增材制造技术应用于超声传感器和航空发动机的零部件制造,充分体现了国外领先企业快速将新技术与传统领域相结合,并形成生产力的特点。

  据他介绍,国内也在开展相关技术的研究。例如西安交通大学开展的空心涡轮叶片制造的研究,清华大学和六二五研究所开展的电子束制造金属零件的研究,华中科技大学、北京隆源科技公司、机械科学研究院开展的铸造方面的研究,以及西北工业大学和北京航空航天大学开展的激光直接制造金属零件的研究等。但是,总体而言,国内企业的应用量和技术拓展力度还不够大。

  李涤尘告诉《科学时报》记者,该技术在国内发展不够好的原因,一方面是相关研究的国家投入比较少。另一方面,我国制造业目前仍以批量制造为主,靠低成本赢得市场,相对而言,在新产品开发方面的投入较少。而增材制造在小批量制造方面具有优势,尤其适合在新产品开发中发挥关键作用。

  “可以说,增材制造技术的普及程度,代表着一个国家的产品创新和创意能力。”李涤尘说。