行业 | 国内外增材制造技术标准化研究趋于统一

增材制造技术(AM,俗称3D打印)基于“离散+堆积”的思路,利用计算机构建零件的三维模型,然后将该模型按制造工艺所需的设定厚度进行切片分层,即将零件的三维数据离散成一系列的二维图形,并根据二维图形生成相应的扫描路径,最后通过数控系统将专用的材料按照熔化、烧结、挤压、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出三维零件。AM原材料主要包括生物材料(细胞、蛋白质、DNA等)、非金属材料(高分子聚合物、陶瓷材料等)和金属材料(钢、钛合金、铝合金、镍基合金等)三大类,由此发展出三种主要的AM技术,其代表性产品如图1所示。

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图1  几种典型的AM产品

(a)生物3D打印人耳

(b)熔融沉积制造航空发动机模型

(c)选区激光熔化人体骨骼多孔结构

(d)电子束选区熔化航空发动机低压涡轮叶片

AM技术与锻造和铸造等传统金属零件制造技术相比具有以下优势:

(1)高性能材料制备与复杂构件制造一步完成,其高度柔性的特质可以实现高性能非平衡材料与复杂结构制造,成形构件具有无宏观偏析、成分均、组织致密的快速凝固非平衡组织,综合力学性能优异;

(2)无需大型锻造设备、大型锻压模材料利用率加工时间短、成本低、周期短,尤其适合高性能难加工金属合金大型复杂结构件的快速低成本生产,此外其高度柔性的制造特点可广泛应用于金属构件的修复,还可以与传统制造技术相结合,形成混合制造技术;

(3)AM技术为高效高性能的变革性结构设计提供了可能,传统的由多个构件拼装的系统可以设计成一个整体构件,而且可以根据不同部位的服役条件需求采用不同的材料制备梯度材料。

金属是AM领域最重要、最具发展潜力的材料,精密复杂构件和高性能大型整体构件是AM领域内附加值较高的两类产品,也代表了行业内最先进的制造水平和能力。精密构件成形多采用基于粉末床的激光/电子束选区熔化技术,主要包括选区激光熔化(SLM)和电子束选区熔化(EBSM)等,大型关键金属构件则主要依赖高能束熔化沉积AM技术,主要包括激光熔化沉积(LMD)、电弧增材制造(WAAM)和电子束熔丝沉积(EBF3)等。

目前工业上对小型金属构件(最大尺寸不超过1000mm)选区熔化直接制造相对较容易,欧美等国已经比较成熟地实现了小尺寸不锈钢、高温合金等零件的激光直接成型,未来高温合金、钛合金材质大型金属构件的激光快速成型作将成为主要技术的攻关方向。图1(d)即为GE增材研究中心制备的TiAl低压涡轮叶片,还制备出了薄壁复杂结构的航空发动机燃油喷嘴,AM技术大幅加快了产品的研制并降低成本。美国Sandia国家实验室开发的激光熔化沉积AM(LENSTM)技术制备的Ti-6Al-4V构件,已应用于洛克希德∙马丁公司F-22战斗机大尺寸悬臂和波音公司F/A-18E/F战斗机机翼拼接板。挪威Norsk Titanium公司采用等离子弧熔丝AM(WAAM)技术,为波音787梦想客机制备了多种次承力结构件(见图2)。美国Sciaky公司电子束AM(EBF3)的钛合金构件最大成形速度可达18kg/h,力学性能满足AMS4999标准要求,并与2014年完成了电子束AMF-35飞机副翼翼梁的示范性研究,对比传统的制造技术,电子束AM成本降低一半,交货期提前80%。

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图2 Norsk Titanium公司为波音787客机打印的金属构件

2015年以来,中国将3D打印纳入国家工业转型升级的重点方向,出台《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016)》等扶持政策,设立“增材制造与激光制造”国家重点研发计划等科技专项。国内北京航空航天大学、西北工业大学、西安交通大学、清华大学、华中科技大学等高校以及中国航发北京航空材料研究院、首都航天机械公司、中科院沈阳自动化所等研究所开展了大量AM技术研究,快速推动了中国AM产业的发展,孵化出如杭州先临三维、西安铂力特(2019年科创板上市)、南京中科煜宸等产业化公司,积累了深厚的理论研究基础和产业化经验,部分技术已达到世界领先水平,例如,北京航空航天大学在国际上率先突破了钛合金、超高强度钢等高性能难加工金属大型复杂整体关键构件激光AM关键技术,成果已应用于多种航空航天装备的研制中(见图3)。

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图3  北京航空航天大学的飞机钛合金主承力框和航空发动机整体叶盘

AM相对于减材制造和等材制造,具有设计制造一体、整体制造、无模具、无刀具、短周期、高柔性、近净成形的优点,可满足高可靠、长寿命、短周期、轻量化、整体化和低成本的需求。尽管AM技术优势突出、在机械和材质属性上足以满足商业用途,但AM技术在材料、工艺、装备和检测等方面缺乏相应的标准。

国际标准化组织(ISO)和美国材料与试验协会(ASTM)是国际上最具权威性的AM标准制定与发布的机构,世界各国都参与和开展了AM标准的制定工作,如英国标准协会(BSI)、法国标准化协会(AFNOR/UN)、德国标准化学会(DIN)等。2002年美国汽车工程师协会(SAE)发布了第一份AM技术标准——宇航材料规范AMS4999AMS 4999-2002《Titanium Alloy Laser Deposited Products 6Al-4V》,目前SAE已经发布及正在制定标准30余项。美国ASTM成立了专门的AM技术委员会ASTM F42,涵盖术语、设计、材料和工艺、试验方法、人员等子领域,包括10多个国家100多所成员单位,目前已发布标准30余项,在研标准20余项。ISO也成立了AM技术委员会TC 261,下设术语、方法、工艺和材料、试验方法、数据处理等工作组,已发布ISO标准10余项,在研标准20余项。欧盟在其第七框架计划的支持下提出了名为SASAM的项目,联合ISO、ASTM以及CEN多方力量并于2015年6月发布了2015AM标准化路线图,提出了AM标准化研究计划和欧洲AM产业优劣势与存在的问题。

中国AM标准化工作研究相对滞后,在AM材料、组织性能、尺寸精度、可靠性和稳定性等方面缺乏相关的标准规范,尚未形成明确的AM标准体系,导致国内AM产品质量参差不齐,一定程度上限制了AM产业发展。2014年,中国成为ISO/TC 261的P成员国。2016年,全国AM标准化技术委员会(SAC/TC 256)成立,承接ISO/TC 261相关工作,主要负责AM术语、工艺、测试、评价、软件及相关技术服务等领域的国家标准制修订工作。目前已发行由中机生产力促进中心 、上海材料研究所 、西安交通大学 、西北工业大学 、清华大学和西安AM国家研究院有限公司等单位联合制定的GB/T 35351-2017《增材制造术语》等国家标准9项,近10项仍在论证;以及由中国航空综合技术研究所、北京煜鼎AM研究院有限公司和北京航空航天大学共同起草发布的HB 20450-2018《航空钛合金零件激光直接沉积AM 粉末规范》等航空行业标准5项。

随着AM技术的成熟完善和多种类产品的应用,AM标准化研究也呈现逐年递增的态势,在经济、生产、企业国际化的大背景下,学术交流日益紧密,AM标准化研究趋于统一。中国AM标准化研究处于初级快速发展阶段,高性能大型金属构件激光AM、大尺寸多激光选区熔化和智能微铸锻等自主研发的技术已处于国际领先地位,为国内标准化研究提供了具有竞争力的优势,未来需建立与美国材料与试验协会(ASTM)国际卓越增材制造中心(AM CoE)类似的AM标准化研究专业结构,促进制定中国AM技术发展与标准研究路线图,着力扶持国家重点行业关键零部件的标准制定,重点关注即将上市但仍未通过行业认定的产品,在AM发展的全球浪潮中把握主动权。

原文始发于微信公众号(知识自动化):国内外增材制造技术标准化研究趋于统一

 

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