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1、增材制造增材制造（3D打印）打印）Additive ManufacturingAdditive Manufacturing（3-D printing3-D printing）钢铁研究总院科技运营部2013.42021/7/11背景:3D打印成为关注热点奥巴马奥巴马宣布美国宣布美国“制造创新国家网络制造创新国家网络”计计划，成立划，成立15个制造创新中心组成网络，每个制造创新中心组成网络，每年投资年投资10亿美元。经过亿美元。经过5个多月的论证最个多月的论证最后选了后选了“增材制造增材制造”作为作为第一个第一个中心的研中心的研究方向。究方向。经济学人经济学人 “第三次工业革命第三次工业革命”。南
2、方周南方周末末 “野蛮神器野蛮神器”要革要革制造业制造业的命。的命。工信部副部长苏波工信部副部长苏波表示将推动表示将推动3D打印产业打印产业化；化；科技部科技部表示在制定表示在制定3D打印的战略规划。打印的战略规划。2021/7/123D打印概念“增材制造增材制造”= =“3D3D打印打印”= =“快速原快速原型制造技术型制造技术”根据根据零件零件的形状，每次制做一个具有的形状，每次制做一个具有一定一定微小厚度微小厚度和和特定形状特定形状的截面，然的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。所需制造的立体的零件。3D打印机，都是“分层制造，逐
3、层叠加”。2021/7/133D打印的工艺1.熔积成型熔积成型FDM(FusedDepositionModeling)石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝2.选择性激光烧结选择性激光烧结。SLS（SelectiveLaserSintering）尼龙、腊、）尼龙、腊、ABS、金属、金属和陶瓷粉末和陶瓷粉末。3.立体立体光固化光固化成型法成型法SLA(StereoLithographyAppearance)液态光敏液态光敏材材料料2021/7/141.制造复杂物品。（目前已显现）制造复杂物品。（目前已显现）2.产品多样化不增加成本。产品多样化不增加成本。3.生产周期短。（最
4、大的优点）生产周期短。（最大的优点）4.零技能制造。零技能制造。5.不占空间、便携制造。（战场、灾区）不占空间、便携制造。（战场、灾区）6.节省材料节省材料 。7.精确的实体复制。（精确的实体复制。（3D照相馆）照相馆）3D打印机的优势2021/7/15民用消费级3D打印机打印材料打印材料：塑料丝、少量金塑料丝、少量金属丝属丝特点特点：结构简单、精度低、：结构简单、精度低、物品表面粗糙、物品表面粗糙、不考虑力学不考虑力学性能。性能。分层厚度分层厚度：0.1mm-0.5mm市场范围市场范围：市场：市场80%的的3D打打印机属于民用消费级。印机属于民用消费级。售价售价：3000-20000RMB消
5、费人群消费人群：设计爱好者、小：设计爱好者、小企业、学校企业、学校民用消费级采用的工艺主要为民用消费级采用的工艺主要为熔积成型熔积成型FDM。2021/7/16现代CAD/CAM 技术CAD技术设计要打印的技术设计要打印的各种物品的各种物品的3D数字模数字模型。型。计算机数控技术计算机数控技术软件或系统软件或系统把把3D数字模型切片。并根据每片的形状，数字模型切片。并根据每片的形状，分解成一条条的打印指令传给伺服电机和分解成一条条的打印指令传给伺服电机和喷头，并保证各个伺服电机精确确配合。喷头，并保证各个伺服电机精确确配合。2021/7/17精密伺服驱动技术精密伺服驱动技术伺服电机根据指令要精
6、确控制打印头伺服电机根据指令要精确控制打印头的移动位置和平台移动，使每个时刻都在的移动位置和平台移动，使每个时刻都在精确的位置打印。精度要达到精确的位置打印。精度要达到0.1mm。甚。甚至至20um.2021/7/18新材料技术打印材料的研发目前还在初级阶段。2021/7/19商用级3D打印机打印材料打印材料：树脂、金属、石：树脂、金属、石膏、尼龙、玻璃等。膏、尼龙、玻璃等。特点特点：结构复杂、精度高、：结构复杂、精度高、物品表面质量好、物品表面质量好、基本不考基本不考虑力学性能。虑力学性能。分层厚度分层厚度：0.1mm-0.5mm市场范围市场范围：市场：市场20%的的3D打打印机属于商用级。
7、印机属于商用级。售价售价：100万万-400万万 RMB消费人群消费人群：大中型生产制造：大中型生产制造企业研发设计部门企业研发设计部门打印出来的物品，一般不出售，只作外观设计、打印出来的物品，一般不出售，只作外观设计、模型研发用，模型研发用，缩短研发周期。缩短研发周期。2021/7/110生物工程级3D打印机打印材料打印材料：钛合金、特殊与活：钛合金、特殊与活体能相容的材料。体能相容的材料。市场范围市场范围：打印机的用量很少。：打印机的用量很少。主要产品主要产品：人体植入物、假肢、：人体植入物、假肢、假牙、骨骼等。在欧美已经有假牙、骨骼等。在欧美已经有很广泛的应用。很广泛的应用。消费人群消费
8、人群：医疗保健企业和医：医疗保健企业和医院。院。特点特点：一对一满足有需求的人。：一对一满足有需求的人。3D打印生产的假肢在欧美已经有打印生产的假肢在欧美已经有30000人人以上在应用。以上在应用。2021/7/111工业级3D打印机涡轮引擎部件涡轮引擎部件钛合金钛合金2021/7/1123D打印不是泡沫也非“神器”PBS塑料塑料陶瓷陶瓷不锈钢不锈钢纸纸树脂树脂尼龙尼龙玻璃玻璃生物墨水生物墨水高强钢高强钢铝铝钛钛钛合金钛合金钴铬合金钴铬合金镍铝合金镍铝合金青铜合金青铜合金ABS塑胶塑胶木材木材细胞细胞黄金黄金钨钨3D打印能制造的物品，常常令人惊叹！，但这些打印能制造的物品，常常令人惊叹！，但这
9、些打印件打印件没有生产标准，没有质量检测，没有安全没有生产标准，没有质量检测，没有安全认证认证，属于，属于“三无三无”产品。大部分产品。大部分外观、质量、外观、质量、性能性能都赶不上常规生产方法制造出的物品。都赶不上常规生产方法制造出的物品。2021/7/1132011年全球年全球3D打印产业产值为打印产业产值为17亿美元亿美元，国内为国内为3亿人民币亿人民币。年增长率。年增长率25%。3D打印市场情况2021/7/114目前3D打印产品的主要应用领域1.快速模具制造（汽车）快速模具制造（汽车）2.高端零部件（航空零部件）高端零部件（航空零部件）3.产品设计（电子消费品等，苹果手机）产品设计（
10、电子消费品等，苹果手机）4.医疗保健（牙科、假肢、骨骼）医疗保健（牙科、假肢、骨骼）这些应用集中在不计成本的设计行业、尖端制造、以及一对一的个性化服务方面。2021/7/115金属零部件增材制造金属零部件增材制造Since 19852021/7/116国外金属材料增材制造的主要研究机构国外金属材料增材制造的主要研究机构美国美国LosAlamos美国美国 SandiaAeroMetGE、罗罗、罗罗(英国英国)、IBM、波音、洛马、诺格、波音、洛马、诺格西屋核电西屋核电-Stratasys公司公司 （占世界（占世界3D打印机销量的一半，打印机销量的一半，2011年年为为2万台）万台）Objet公司
11、（世界最大的商用公司（世界最大的商用3D打印机）打印机）3Dsystems公司公司EOS、ArcamAB、GmbH2021/7/117 美国国防部资助了一系列的计划。美国国防部资助了一系列的计划。 这些研究机构做出了大量的飞机零部件。例这些研究机构做出了大量的飞机零部件。例如：如：SandiaSandia实验室做实验室做航空发动机叶片航空发动机叶片；泵壳体泵壳体尺尺寸寸300mm300mm左右，左右，Los alamos Los alamos 作出作出高温合金管高温合金管。AerometAeromet利用激光快速成型技术制造的利用激光快速成型技术制造的多个钛合多个钛合金关键大型承力结构件金关键
12、大型承力结构件；如尺寸达到；如尺寸达到2.5m2.5m、重达、重达130kg130kg的大型整体筋板加强钛合金的大型整体筋板加强钛合金发动机框发动机框、机机翼拼接接头翼拼接接头等已经在等已经在F22F22及及F-18E/FF-18E/F上得到批量应上得到批量应用。用。2021/7/118 但美国激光快速成型全都集中在但美国激光快速成型全都集中在小体积高价小体积高价值值的零件，还包括的零件，还包括表面修复表面修复，表面涂层表面涂层。 1. 1.激光一走，激光一走，温度迅速下降温度迅速下降，容易出缺陷容易出缺陷，做不了大，做不了大零件。零件。 2. 2.由于由于力学性能差力学性能差，激光成型再去热
13、等静压，性能不，激光成型再去热等静压，性能不如锻件，激光成型再去锻造，还是不如锻件。如锻件，激光成型再去锻造，还是不如锻件。 3. 3.缺乏大型装备。缺乏大型装备。 美国人没办法提出了美国人没办法提出了“损伤容限损伤容限”的概念。的概念。在大尺寸复杂钛合金整体结构件在在大尺寸复杂钛合金整体结构件在F18上做试验失败上做试验失败3年后，年后，Aeromet公司倒闭。公司倒闭。2021/7/119国内增增材制造的研究机构编编号号单位单位代表代表人物人物专业专业工艺工艺产品产品国家认可国家认可1北航北航王华明王华明铸造铸造材料材料激光激光熔融熔融航空部件航空部件国家技术发国家技术发明奖一等奖明奖一等
14、奖2华中华中科大科大史玉升史玉升材料材料激光激光烧结烧结航空部件、航空部件、汽车部件、汽车部件、骨骼、牙齿骨骼、牙齿国家技术发国家技术发明奖二等奖明奖二等奖3西北西北工大工大黄卫东黄卫东铸造铸造激光激光熔融熔融航空部件航空部件C919应用应用4清华清华颜永年颜永年机械机械容积容积成型成型塑料塑料5西安西安交大交大卢秉恒卢秉恒机械机械光固光固化化树脂、骨骼、树脂、骨骼、芯片芯片院士院士国内增材制造简单概括：国内增材制造简单概括：五大派系，三种工艺五大派系，三种工艺2021/7/120 王华明，北航材料学院王华明，北航材料学院材料加工工程系主任。材料加工工程系主任。1995年年进入金属激光增材制造
15、领域。进入金属激光增材制造领域。王华明王华明2012年，凭借年，凭借“大型复杂整体钛合金结构件激大型复杂整体钛合金结构件激光成型制造技术及装备光成型制造技术及装备”获得国家技术发明奖一获得国家技术发明奖一等奖。等奖。为国产为国产C919、J15、J20、J31提供航空结构件。提供航空结构件。还包括少量的还包括少量的航空发动机整体叶盘航空发动机整体叶盘，材料主要，材料主要为为钛合金、镍基高温合金、少量高强钢钛合金、镍基高温合金、少量高强钢。2021/7/121王华明激光快速成型装备，做了王华明激光快速成型装备，做了五代五代。2021/7/122激光成形技术的主要工艺参数为：激光束激光成形技术的主
16、要工艺参数为：激光束功率：功率：激光束斑直径：激光束斑直径：扫描速度：粉扫描速度：粉末流量范围：单层沉积末流量范围：单层沉积厚度：厚度：不高于不高于。99.99-99.99999.99-99.999%高纯高纯氩气或氦气作保护性气氛。氩气或氦气作保护性气氛。2021/7/123板材、棒材或锻件机械加工后的细棒板材、棒材或锻件机械加工后的细棒氩氩气雾化气雾化制成粉末，以粉末雾化态真空罐装供制成粉末，以粉末雾化态真空罐装供应，其中粉末为球形粉末，需筛分和应，其中粉末为球形粉末，需筛分和干燥，粒度为干燥，粒度为100-300100-300目目。激光增增材制造用金属粉末2021/7/124激光增增材制造
17、技术工艺优势1.增材制造技术出来的部件增材制造技术出来的部件组织细密，非常均匀组织细密，非常均匀；锻造；锻造（forging）都会有一个压力的均匀问题。铸造中心偏析，晶）都会有一个压力的均匀问题。铸造中心偏析，晶粒粗大，组织不均匀。粒粗大，组织不均匀。2.周期短、成本低、柔性高效周期短、成本低、柔性高效。3.节省材料，较常规制造方法提高节省材料，较常规制造方法提高5倍以上。倍以上。1.由于冷却速度太快，由于冷却速度太快，内应力大内应力大，容易内部缺陷。，容易内部缺陷。2.裂纹一旦形成，裂纹一旦形成，高速扩展高速扩展。3.晶粒组织难以控制晶粒组织难以控制。激光增增材制造技术工艺难点2021/7/
18、125高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造技术“F22钛框，面积钛框，面积5.53平方米。平方米。3万吨水压机模锻件万吨水压机模锻件能达到能达到0.8平方米，平方米，8万吨能达到万吨能达到4.5平方米。平方米。传统方法，铸锭，制胚，模具，模锻。美国的一个飞机传统方法，铸锭，制胚，模具，模锻。美国的一个飞机零件，压成一个饼零件，压成一个饼3吨，到最后加工完成只有吨，到最后加工完成只有144公斤，公斤，材料利用率不到材料利用率不到5%。增材制造，材料利用率。增材制造，材料利用率80%左右。左右。我们通过增材技术制造的最大的整体结构件我们通过增材技术制造的最大的整体结构件5平方平方米，美国做
19、不了。激光成型的零件，超过或者等同于锻米，美国做不了。激光成型的零件，超过或者等同于锻件的性能，抗疲劳强度，比锻件高件的性能，抗疲劳强度，比锻件高32-53%，疲劳裂纹，疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多，但扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多，但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。”2021/7/126高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造技术2021/7/127我国成为目前我国成为目前世界上唯一世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术，并实现装机应用的国家。所做零件经过光快速
20、成形技术，并实现装机应用的国家。所做零件经过8000小时以上的抗疲劳测试。小时以上的抗疲劳测试。“翅膀根的受力件，我们做出来翅膀根的受力件，我们做出来136公斤，锻件公斤，锻件1706公斤，节公斤，节省材料省材料90%+。2010年，已经做完了性能测试，比锻件还要好。年，已经做完了性能测试，比锻件还要好。05年做出图示零件需要年做出图示零件需要5天，现在只要几小时。天，现在只要几小时。”2021/7/128C919大型客机主风挡窗框“双曲面窗框，双曲面窗框，Ti-6Al-4V钛合金，只有欧洲钛合金，只有欧洲有有家公司能做，周期有有家公司能做，周期2年，先付年，先付200万美元模万美元模具费，而
21、且零件非常贵。而我们具费，而且零件非常贵。而我们55天就做好了，天就做好了，4大件，大件，2件已经装上了飞机。件已经装上了飞机。”2021/7/129飞机起落架一种一种300M超高强钢飞机起落架的制造方法超高强钢飞机起落架的制造方法专利号：专利号：200810010308发明（设计）人：王云阁发明（设计）人：王云阁;王向明王向明;王华明王华明06年某飞机起落架的关键零部件，目前已经批年某飞机起落架的关键零部件，目前已经批生产，已经受生产，已经受2000多个起落。多个起落。2021/7/130航空发动机叶盘 高温合金涡轮盘高温合金涡轮盘“未来发动机就是一肚子未来发动机就是一肚子的整体叶盘，叶片和
22、盘子分开的整体叶盘，叶片和盘子分开的重量太重。而我们现在可以的重量太重。而我们现在可以叶片和盘子同时出来，而且叶叶片和盘子同时出来，而且叶片我们可以随心所欲控制组织，片我们可以随心所欲控制组织，让它长成柱状晶，他的高温性让它长成柱状晶，他的高温性能就很好，这里我们让它长成能就很好，这里我们让它长成等轴晶，低周耐疲性能就很好，等轴晶，低周耐疲性能就很好，如果温度再高，我们就可以换如果温度再高，我们就可以换材料，它可以做到随心所欲，材料，它可以做到随心所欲，一种零件可以用很多种材料来一种零件可以用很多种材料来做。做。”2021/7/131王华明完成直径达王华明完成直径达550mm、具有快速凝固、具
23、有快速凝固径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金发动机涡轮盘发动机涡轮盘样件样件，叶片，叶片900度度疲劳强度可以比疲劳强度可以比第二代单晶高第二代单晶高40%。2021/7/132王华明的增材制造技术总体评价1.在在内部缺陷控制内部缺陷控制、组织控制组织控制及及定向凝固定向凝固等关键等关键技术方面取得了突破。技术方面取得了突破。2. 大部分零部件经过装机检验。大部分零部件经过装机检验。3.在部分零部件性能上，在部分零部件性能上，增材制造增材制造锻造锻造铸造铸造。4.发动机叶盘整体制造，还发动机叶盘整体制造，还未装机试验未装机试验，但表现，但表现出很大
24、的潜力。出很大的潜力。5.目前用的原料粉末，都是已经目前用的原料粉末，都是已经冶炼好的钢的粉冶炼好的钢的粉末末。6.现有的文献、新闻、专利、报告都没有提到过现有的文献、新闻、专利、报告都没有提到过废品率废品率，猜想应该不会太低。，猜想应该不会太低。2021/7/133华中科技大学设备成型空间：华中科技大学设备成型空间： 12米米12米；米；EOS公公司：司：073米米038米；米；3D系统公司：系统公司：055米米055米。米。使我国在使我国在激光烧结激光烧结快速制造领域达到快速制造领域达到世界领先水平世界领先水平。广西玉柴运用该技术生产六广西玉柴运用该技术生产六缸发动机缸盖，缸发动机缸盖，7
25、天内可以整体天内可以整体成形四气门六缸发动机成形四气门六缸发动机缸盖砂芯缸盖砂芯。而采用传统的砂型铸造试制方法，而采用传统的砂型铸造试制方法，需要需要5个月左右。个月左右。为空客和欧洲航天局制作飞机、为空客和欧洲航天局制作飞机、卫星、航空发动机用大型复杂钛卫星、航空发动机用大型复杂钛合金零部件的铸造合金零部件的铸造蜡模蜡模。华中科技大学的增材制造技术进展华中科技大学的增材制造技术进展2021/7/134C919中央翼缘条中央翼缘条长度超过长度超过3米米西北工业大学制造的航空零部件西北工业大学制造的航空零部件飞机主承力梁飞机主承力梁长度长度5米米2021/7/135金属增材技术的发展方向金属增材
26、技术的发展方向1.1.飞机结构件一体化制造（飞机结构件一体化制造（翼身一体）2.2.重大装备大型锻件制造（重大装备大型锻件制造（核电锻件核电锻件）“金属增材制造技术，不能包打天下，适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件，优势是成本、周期、性能，这个方面我们走到了美国人前面。”-王华明2021/7/136增材制造金属部件有多贵增材制造金属部件有多贵增材制造的金属部件增材制造的金属部件每克每克售价售价10元元-100元元,价格在价格在黄金和白银之间黄金和白银之间.王华明利用增材制造技术生产的飞机次承力结构王华明利用增材制造技术生产的飞机次承力结构件件,几十公斤几十公斤,成本成本120
27、万万.外国记者外国记者JohnNewman报道，中国用于增材制造报道，中国用于增材制造的国防研发费用约在的国防研发费用约在8000万美元万美元。增材制造技术生产的家用金属用具成本是传增材制造技术生产的家用金属用具成本是传统生产成本的统生产成本的10001000倍倍。2021/7/137为什么增材制造航空零部件还能降低成本传统方法制造航空结构件：传统方法制造航空结构件：1.开模具费用昂贵。一个很小的零件，宝钢做一套开模具费用昂贵。一个很小的零件，宝钢做一套等温锻造模具，等温锻造模具，费用费用7000万万，每一个零件的模具，每一个零件的模具分摊费就是分摊费就是几十万几十万。2.设备贵。热锻用的设备
28、贵。热锻用的3万吨水压机投资万吨水压机投资25亿亿。3.材料浪费多，材料利用率材料浪费多，材料利用率5%-50%。飞机零部件非常昂贵，这是飞机尤其是军用飞机贵的飞机零部件非常昂贵，这是飞机尤其是军用飞机贵的原因。原因。2021/7/138金属材料增材制造的瓶颈金属材料增材制造的瓶颈1.1.成本太高成本太高, ,而且而且不具备规模经济的优势不具备规模经济的优势。 2.2.材料研发滞后。材料研发滞后。3.3.功率源开发滞后。功率源开发滞后。4.4.各种金属材料最佳烧结参数。各种金属材料最佳烧结参数。5.5.凝固组织、内部缺陷质量控制，及其无损检凝固组织、内部缺陷质量控制，及其无损检验关键技术。验关键技术。6.6.晶粒尺寸、晶粒形态和晶体取向的控制。晶粒尺寸、晶粒形态和晶体取向的控制。7.7.后续的热处理工艺。后续的热处理工艺。2021/7/139谢谢大家！2021/7/140 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
