當前位置:首頁 - 新聞資訊 - 公司新聞

傳統&增材之混合制造|靖哥3D打印|第78期

發布時間: 2020-8-12 9:49:43       瀏覽:

       傳統的制造工藝歷經千百年的發展,在速度、精度、強度以及經濟性等方面,人民群眾(市場競爭)已經將其發揮到技術可能的極致。

       而3D打印正在需要結構復雜、高附加值的領域進行著快速規模化的應用,已經在醫療的應用中體現其巨大的價值。而進一步的市場開拓,則是需要讓增材制造技術領域的性價比進一步的得到提升。就像我們將青年的干勁與有閱歷的大師智慧相結合可以產生巨大的生產力,同樣3D打印與傳統制造業的結合也能夠迸發巨大的潛力。

 

      本篇靖哥和大家討論3D打印與傳統制造同步進行的一些工藝。當然,在3D打印完成之后,再進一步的使用傳統制造的工藝如鑄造、熱處理等方式進行后加工,這種結合有非常之多種變化,也為業內所熟知,因而并不在我們討論的范圍。


“增材”的增材,增出高速度


       普遍而言,3D打印的成形過程較慢;除非傳統工藝參與其中。3D打印技術是數字化無模具制造,是一個從點到線、到面、到體的過程。而傳統的鑄造等工藝,是可以實現高效的體成型,但是該工藝需要模具。而最近由馬薩諸塞大學洛厄爾分校的Kazmer教授發表的一篇文章中則結合了這兩者,可以在成形中形成模具,進而高效完成材料注射這一過程。該文章分析了在成形過程中,通過合適的路徑規劃,將原本需要線填充的區域,通過生成邊緣封閉的“模具”,而能夠實現高速度“體填充”的操作方案。具體實現如下圖所示:


圖1 注射打印成形工藝示例:3D打印形成成形件的內外層,實質性的實現了”模具”并可以完成材料的注塑(來源:參考文獻1)

       在該文獻中,作者講到其成形速度是對比工藝成形速度的3倍,而且各項強度提高了50%以上,同時也提高了材料的各項同性。

       靖哥選擇這篇文章,是因為這個概念的成形可以在工業價值更高的多個領域進行規模化的嘗試。這個概念的應用在3D打印的建筑中有較早的應用,比如對于墻體的填充。而靖哥一直心心念通過薄壁的金屬快速打印,通過坩堝或其它方式將熔融金屬實現填充的方案,將來應該也會出現。在金屬的3D打印成形中,希望有企業/研究人員考慮這一工藝的應用。當然,熔融金屬實現填充的難點之一是高溫度梯度帶來的熱變形問題,因此成形難度比低熔點的塑料要高很多。

       這一成形中生成模具的概念在速度的提升方面還有很大的潛力值得挖掘。

       而3D打印與傳統制造的結合,也在其它的方向加速成形的速度。事實上,金屬3D打印在中速度比較快的DED技術,就是在焊接、熔覆基礎之上,引入了3D打印的概念,并將體成形而非修復或者焊接作為主要的目的。

增材的“減材”——減出高精度


       增材制造的精度因其層片成形的原因,特別是在高速成形的工藝中,并不能達到機加工所能夠達到的高精度。層片化的制造方法,實現了降維制造,理論上接近于可實現任意復雜的結構。在這個過程中我們同時也遭受到了層面制造帶來的表面質量降低這一副作用。所謂事物的兩面性也不過如此吧。

       這種成形后表面質量無法直接應用的應用以DED(Directed Energy Deposition)的生產工藝為典型。DED的技術基礎是熔覆技術,即在基底材料的表面堆積新的材料,從而達到增材的效果。該工藝使用電子束、激光、等離子等為能量,實現高速的增材效率,一般會做到每小時幾十公斤的材料。但是該工藝直接生產得到的產品表面質量也是不可恭維,因而幾乎所有的成形都會預留較大的加工余量。對于質量控制的精準度,可以減少預留需要剪除的冗余材料,也能夠減少成形的時間和成本。 

       從下面這個動圖我們可以看到,粗獷(糙)的成形精度下能夠實現粉床成形、甚至是傳統機加工所不能達到的成形速度;在成形完成后,借助傳統的機加工進行減材的表面處理,依然是可以得到成形質量的鏡面化。

圖2 Sciaky電子束送絲成形工藝(來源:Sciaky)

      這些成形工藝適合制造大型非鏤空器件。DED成形工藝沒有粉床成形的尺寸限制;原材料以絲材或者氣動送粉的工藝,原材料的成本更低。因而在航空航天、電力、核能等重型應用的場景中得到了廣泛的應用。

國外的一些公司包括Sciaky,Optomec,Trumpf,DMG等公司,國內的公司有鑫精合的大型LENS工藝,西安智熔的電子束熔絲工藝等。


增材的“強化”,強化的強度


       前面所述的成形工藝,其核心的知識產權都歸屬于歐美的增材成形公司。微鑄鍛同步復合技術,其核心的專利則是華中科技大學的張海鷗、王桂蘭教授團隊自主研發產生。常規3D打印的工藝,在工業、特別是航空航天等領域的應用,成型后材料若不經過冗長的熱處理及后處理,則其強韌性難以有效滿足應用需求。張教授團隊用微鑄鍛原位復合技術,能夠在成形的過程中將晶粒細化,從而有效地增強成形件的強韌性和疲勞壽命,能夠滿足極端使役環境下各向同性高均勻可靠性的要求。


感謝張海鷗教授團隊對于該前沿技術提供的詳盡介紹:

1、技術背景

        高強韌關鍵承力鍛件是高端裝備在惡劣工況下服役性能的根本保證,一百多年來世界制造業一直采用鑄、鍛、焊、削多工序分步長流程的傳統模式制造。隨著高端裝備輕量化與可靠性的需求不斷強化,大型高端鍛件向整體化、復雜化和高強韌化方向發展。然而,大型鍛機受限于可鍛面積及復雜度,無法整體鍛造大型復雜零件,只能分塊鍛后再拼焊,但可靠性降低,流程更長;因鑄坯晶粒不均、鍛造應力向內衰減,難以獲得均勻等軸細晶,強韌性提升已趨近極限。近期被各強國紛紛列為戰略競爭制高點的增材制造技術,原理上仍為熔凝微鑄,有鑄無鍛,強韌性達不到鍛件水平。因此,大型復雜鍛件制造仍是陸海空高端裝備快速研制的“卡脖子”難題,亟待從全局簡約的頂層制造理論出發,顛覆自古整體先鑄后鍛的認知,開發高效高質的超短流程制造技術和裝備。

       華中科技大學創形創質數字制造張海鷗團隊艱苦奮斗20余年,發明了多能場微鑄鍛銑原位復合制造技術與系統裝備,解決了百余年來傳統重型鑄鍛長流程制造難以保證大型復雜金屬件組織性能均勻性,以及常規增材制造微鑄層間界面冶金缺陷等科技難題,竭力為航空航天、艦船、發動機、核電、動車、礦山機械、化工冶金、國防裝備等關重行業的高端裝備高可靠性快速研發與可大幅度變規格變批量制造,提供柔性緊湊超短流程綠色智能制造技術與裝備的支撐。

2、技術原理

      突破傳統技術思路,首創電弧成形熔凝微區小壓力連續微鍛的新方法(圖1),實現了增材-等材與調質同一工位復合制造,邊鑄邊鍛、鑄鍛同步、形性同控,從而得到零件的復雜形狀和均勻、細小的微觀組織。

圖3 微區小壓力微鍛原理(來源:張海鷗教授團隊)


3、技術特點

       在傳統的鑄鍛分離制造模式中,鑄坯原始晶粒不均、鍛造應力由表及里衰減,難以獲得均勻等軸細晶,制約了高端零件的高強韌性。為此,提出成形路徑-熔積能量-鍛造壓力-冷卻速度等多工藝參數協調控制方法,主動控制獲得一致熱力循環條件,實現了無后續熱處理即可獲得傳統技術難以得到的12級均勻超細等軸晶,優于傳統制造8級。鈦合金、高溫合金、超高強鋼等典型航空材料制件強韌性超過航空鍛件。


圖4 超常態成形條件下多尺度數值仿真與晶粒形態演變(來源:張海鷗教授團隊)



圖5 典型航空材料微鑄鍛力學性能(來源:張海鷗教授團隊)


       建立微鑄鍛同步成形中的應力應變耦合計算模型,發現微鑄鍛同步可以驅動微區拉應力向壓應力轉變及其對內部缺陷的抑制效應,減輕了拉應力導致的零件開裂和變形問題。


圖6 微鑄鍛同步驅動拉應力向壓應力轉變(來源:張海鷗教授團隊)

       建立電-磁-熱-力多能場耦合的系統仿真模型,揭示激光-電弧-磁場-熱力多能場作用下的超常態成形過程中流場、溫度場、應力應變場和微觀組織的特征及演變機理,通過多能場耦合作用調控電弧形態、熔池對流和熱力循環狀態,從而實現對電弧飛濺以及難成形材料氣孔、裂紋等內部缺陷的有效抑制。采用檢測精度6.5μm同步輻射三維成像觀測樣件內部,未發現缺陷。


圖7 多能場耦合仿真及多能場抑制增材成形內部缺陷(來源:張海鷗教授團隊)

       提出了靜-動態磁場單元的混合分布設計方法,開發了靜-動態磁場輔助的復合制造系統,借助前述的多能場耦合計算模型,揭示了電、磁、熱、力多場耦合作用對晶粒尺寸和微觀組織的調控機理,實現了成形形狀與成分組織調控的難成形材料零件創形創質并行制造。

圖8 電磁作用對熔池和晶粒形態的影響(來源:張海鷗教授團隊)


4、技術對比

       查新檢索結論:國內外未見同類技術的報道。相近技術中,以英國Cranfield大學的電弧增材制造工藝為代表,采用的是電弧成形與大壓力冷軋先后獨立非連續非同步進行,對形狀復雜的零件適應性差,組織細化和均勻化不足。相較之下,本技術在關鍵性能指標上具有明顯優勢,如表1所示。


5、結論

       針對鑄鍛分離的傳統制造模式流程長、依賴大型鍛機、能耗高、難以整體制造大型復雜零件的難題,張海鷗團隊提出了熔凝微區增等材同步、僅用萬噸鍛機萬分之一的小壓力成形方法,顛覆了鑄鍛分離而不能原位復合的傳統認知,實現了用單臺微鑄鍛銑復合設備直接超短流程制造鍛件,解決了無法短流程制造復雜高品質鍛件的世界難題,研制周期縮短60%以上,能耗減少90%。

       張海鷗團隊獨創大型復雜高可靠微鑄鍛同步超短流程制造技術與裝備,能用最短流程、最低能耗、最高效率制造出世界上高疲勞壽命及最大尺寸的均勻可靠鍛件,將強力支撐多行業高端裝備的快速研發,引領重型制造業的生產模式與產業鏈的綠色革命。


【靖哥評論】

       張海鷗教授團隊的微鑄鍛技術使得3D打印在航空,船艦等大型件制造的領域能夠實現更加高效的、高強度的成品生產,極大地拓展了3D打印的應用范圍。

       期望看到更多華人/華人企業在3D打印領域做出更多的創新,解決眾多應用領域的難題。


未來的展望

        靖哥從三個角度來分析了3D打印與傳統制造的結合,能夠在速度、精度和強度方面釋放的潛力。

       3D打印相對于傳統制造所具有的復雜形狀成形的優勢,是數字化無模具制造的優勢。無模具的制造能夠有效的服務于今天柔性制造的需求,個性化的需求;而逐層成形的工藝特點在速度、成本方面并不是最優解。拋開時間的限制,3D打印的終極應該是數字化無模具工藝。

       就像我們可以用磁場去控制高能粒子的運動,在將來,我們可能是通過聲波、光波等各種場形成一個看不見、卻摸得著的數字模具,對于材料來說就像“結界”一般。這樣對于成形工藝的速度和成本將會到達今天不可企及的另外一種維度。

 

 小結

3D打印的劣勢根源,也正是其優勢的所在。

3D打印的目標顯然并不是完全替代傳統制造工藝,至少在當前的階段是如此;而且伴隨技術的發展,兩者之間結合將進一步加深、形成你中有我,我中有你。3D打印工藝在發展的過程中,在短期內依然將是傳統制造工藝的補充。


【馬博士點評】將來會有更多混合制造的概念涌現出來,制造工藝無“跨界”之分,也沒有必要把增材和減材區分的那么清楚,產品不問技術出處,好就行。

感謝馬學為博士的反饋和編撰,感謝張海鷗教授團隊提供詳盡的技術介紹。


參考文獻

1. Kazmer, David O., and Austin Colon. "Injection Printing: Additive Molding via Shell Material Extrusion and Filling." Additive Manufacturing (2020): 101469.


靖哥3D打印

與你一起全方位跟蹤3D打印前沿,解讀3D打印行業信息,共同促進3D打印產學研交流。

Email:  jingg3dp@gmail.com


武漢天昱智能制造有限公司版權所有 鄂ICP備15018860號 All rights reserved.

鄂公網安備 42011502001025號

Designed by wanhu
色欲天天婬色婬香综合视频,欧美成年影院不卡在线观看,亚洲制服欧洲中文字幕第一页,欧美日韩中文字幕不卡天堂,思思99思思久久最新精品,色天使久久综合网天天堂