增材制造技术资料.ppt

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1、增材制造增材制造(zhzo)(zhzo)（3D3D打印）打印）Additive Manufacturing Additive Manufacturing（3-D 3-D printingprinting）钢铁(gngti)研究总院 科技运营部2013.4第一页，共40页。背景背景:3D:3D打印成为关注打印成为关注(gunzh)(gunzh)热点热点奥巴马宣布美国奥巴马宣布美国“制造创新国家网络制造创新国家网络”计划，计划，成立成立1515个制造创新中心组成网络，每年投资个制造创新中心组成网络，每年投资1010亿美元。经过亿美元。经过5 5个多月的论证最后选了个多月的论证最后选了“增材增材制造

2、制造”作为第一个中心的研究方向。作为第一个中心的研究方向。经济学人经济学人“第三次工业革命第三次工业革命”。南方周末。南方周末“野蛮野蛮(ymn)(ymn)神器神器”要革制造业的命。要革制造业的命。工信部副部长苏波表示将推动工信部副部长苏波表示将推动3D3D打印产业化；打印产业化；科技部表示在制定科技部表示在制定3D3D打印的战略规划。打印的战略规划。第二页，共40页。3D3D打印打印(d yn)(d yn)概念概念“增材制造增材制造”=“3D”=“3D打印打印”=“”=“快速原快速原型制造技术型制造技术(jsh)”(jsh)”根据零件的形状，每次制做一个具有根据零件的形状，每次制做一个具有一

3、定微小厚度和特定形状的截面，然一定微小厚度和特定形状的截面，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(zhzo)，逐层叠加”。第三页，共40页。3D3D打印的工艺打印的工艺1.1.熔积成型熔积成型 FDM(Fused FDM(Fused Deposition Modeling)Deposition Modeling)石蜡、金属、塑料、低熔点石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝合金丝2.2.选择性激光烧结。选择性激光烧结。SLSSLS（Selective Laser Selective Laser Sint

4、eringSintering）尼龙、腊、）尼龙、腊、ABSABS、金属和陶瓷粉末。、金属和陶瓷粉末。3.3.立体光固化成型法立体光固化成型法SLA(Stereo Lithography SLA(Stereo Lithography Appearance)Appearance)液态液态(yti)(yti)光光敏材料敏材料第四页，共40页。1.1.制造复杂物品。（目前制造复杂物品。（目前(mqin)(mqin)已显现）已显现）2.2.产品多样化不增加成本。产品多样化不增加成本。3.3.生产周期短。（最大的优点）生产周期短。（最大的优点）4.4.零技能制造。零技能制造。5.5.不占空间、便携制造。（

5、战场、灾区）不占空间、便携制造。（战场、灾区）6.6.节省材料节省材料 。7.7.精确的实体复制。（精确的实体复制。（3D3D照相馆）照相馆）3D打印机的优势(yush)第五页，共40页。民用(mnyng)消费级3D打印机打印材料：塑料丝、少量金打印材料：塑料丝、少量金属丝属丝特点：结构简单、精度低、特点：结构简单、精度低、物品表面粗糙、不考虑力学物品表面粗糙、不考虑力学性能。性能。分层厚度：分层厚度：0.1mm-0.5mm0.1mm-0.5mm市场范围市场范围(fnwi)(fnwi)：市场：市场80%80%的的3D3D打印机属于民用消费级。打印机属于民用消费级。售价：售价：3000-2000

6、0RMB3000-20000RMB消费人群：设计爱好者、小消费人群：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民用消费级采用的工艺主要(zhyo)为熔积成型为熔积成型FDM。第六页，共40页。现代CAD/CAM 技术CAD技术设计(shj)要打印的各种物品的3D数字模型。计算机数控技术计算机数控技术(sh kn j sh)(sh kn j sh)软件软件或系统或系统把把3D3D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

7、合。第七页，共40页。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确控制打印伺服电机根据指令要精确控制打印头的移动头的移动(ydng)(ydng)位置和平台移动位置和平台移动(ydng)(ydng)，使每个时刻都在精确的位置打印。精度要，使每个时刻都在精确的位置打印。精度要达到达到0.1mm0.1mm。甚至。甚至20um.20um.第八页，共40页。新材料技术打印材料的研发(yn f)目前还在初级阶段。第九页，共40页。商用级3D打印机打印材料：树脂、金属、石膏、打印材料：树脂、金属、石膏、尼龙、玻璃等。尼龙、玻璃等。特点：结构复杂、精度高、物品特点：结构复杂、精度高、物品表面质量好

8、、基本不考虑力学性表面质量好、基本不考虑力学性能。能。分层厚度：分层厚度：0.1mm-0.5mm0.1mm-0.5mm市场范围：市场市场范围：市场20%20%的的3D3D打印机打印机属于属于(shy)(shy)商用级。商用级。售价：售价：100100万万-400-400万万 RMB RMB消费人群：大中型生产制造企业消费人群：大中型生产制造企业研发设计部门研发设计部门打印出来的物品，一般打印出来的物品，一般(ybn)不出售，只作外观不出售，只作外观设计、模型研发用，缩短研发周期。设计、模型研发用，缩短研发周期。第十页，共40页。生物工程(shn w n chn)级3D打印机打印材料：钛合金、特

9、殊与活体打印材料：钛合金、特殊与活体能相容的材料。能相容的材料。市场范围：打印机的用量很少。市场范围：打印机的用量很少。主要产品：人体植入物、假肢、主要产品：人体植入物、假肢、假牙、骨骼假牙、骨骼(gg)(gg)等。在欧美已等。在欧美已经有很广泛的应用。经有很广泛的应用。消费人群：医疗保健企业和医院。消费人群：医疗保健企业和医院。特点：一对一满足有需求的人。特点：一对一满足有需求的人。3D打印生产的假肢在欧美已经打印生产的假肢在欧美已经(yjing)有有30000人人以上在应用。以上在应用。第十一页，共40页。工业(gngy)级3D打印机涡轮引擎部件涡轮引擎部件(bjin)钛合金钛合金第十二页

10、，共40页。3D打印不是(b shi)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！，但这些打打印能制造的物品，常常令人惊叹！，但这些打印件没有生产标准，没有质量印件没有生产标准，没有质量(zhling)检测，没有检测，没有安全认证，属于安全认证，属于“三无三无”产品。大部分外观、质量产品。大部分外观、质量(zhling)、性能都赶不上常规生产方法制造出的物、性能都赶不上常规生产方法制造出的

11、物品。品。第十三页，共40页。2011年全球年全球(qunqi)3D打印产业产值为打印产业产值为17亿美亿美元，国内为元，国内为3亿人民币。年增长率亿人民币。年增长率25%。3D打印(d yn)市场情况第十四页，共40页。目前目前3D3D打印打印(d yn)(d yn)产品的主要应产品的主要应用领域用领域1.1.快速模具制造快速模具制造(zhzo)(zhzo)（汽车）（汽车）2.2.高端零部件（航空零部件）高端零部件（航空零部件）3.3.产品设计（电子消费品等，苹果手机）产品设计（电子消费品等，苹果手机）4.4.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

12、计(shj)行业、尖端制造、以及一对一的个性化服务方面。第十五页，共40页。金属金属(jnsh)(jnsh)零部件增材零部件增材制造制造Since 1985第十六页，共40页。国外金属材料增材制造的主要研究国外金属材料增材制造的主要研究(ynji)(ynji)机构机构美国美国(mi u)Los Alamos(mi u)Los Alamos美国美国(mi u)Sandia(mi u)SandiaAeroMetAeroMetGEGE、罗罗、罗罗(英国英国)、IBMIBM、波音、洛马、诺格、波音、洛马、诺格西屋核电西屋核电-Stratasys Stratasys 公司公司 （占世界（占世界3D3D打

13、印机销量的一半，打印机销量的一半，20112011年为年为2 2万台）万台）ObjetObjet公司（世界最大的商用公司（世界最大的商用3D3D打印机）打印机）3D systems 3D systems 公司公司EOS EOS、Arcam AB Arcam AB、GmbH GmbH第十七页，共40页。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。例如：这些研究机构做出了大量的飞机零部件。例如：SandiaSandia实验室做航实验室做航空发动机叶片；泵壳体尺寸空发动机叶片；泵壳体尺寸(ch cun)300mm(ch cun)300mm左右，左右

14、，Los alamos Los alamos 作出高作出高温合金管。温合金管。AerometAeromet利用激光快速成型技术制造的多个钛合金关键大型利用激光快速成型技术制造的多个钛合金关键大型承力结构件；如尺寸承力结构件；如尺寸(ch cun)(ch cun)达到达到2.5m2.5m、重达、重达130kg130kg的大型整体筋板的大型整体筋板加强钛合金发动机框、机翼拼接接头等已经在加强钛合金发动机框、机翼拼接接头等已经在F22F22及及F-18E/FF-18E/F上得到批上得到批量应用。量应用。第十八页，共40页。但美国激光快速成型全都集中在小体积高价值但美国激光快速成型全都集中在小体积高价

15、值的零件，还包括表面修复，表面涂层。的零件，还包括表面修复，表面涂层。1.1.激光一走，温度迅速下降，容易出缺陷激光一走，温度迅速下降，容易出缺陷(quxin)(quxin)，做不了大零件。，做不了大零件。2.2.由于力学性能差，激光成型再去热等静压，由于力学性能差，激光成型再去热等静压，性能不如锻件，激光成型再去锻造，还是不如锻性能不如锻件，激光成型再去锻造，还是不如锻件。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上做试验上做试验(shyn)失败失败3年后，

16、年后，Aeromet公司倒闭。公司倒闭。第十九页，共40页。国内增材制造国内增材制造(zhzo)(zhzo)的研的研究机构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

17、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：五大派系国内增材制造简单概括：五大派系(pix)(pix)，三种工艺，三种工艺第二十页，共40页。王华明，北航材料学院王华明，北航材料学院(xuyun)(xuyun)材料加工工程系主任。材料加工工程系主任。19951995年进入金属激光增材制造领域。年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“大型大型(dxng)复杂整体钛合金结构件复杂整体钛合金结构件激光成型制造技术及装备激光成型制造技术及装备”获得国家技术发明奖一等获得国家技术发明奖

18、一等奖。奖。为国产为国产C919、J15、J20、J31提供航空结构件。还提供航空结构件。还包括少量的航空发动机整体叶盘，材料包括少量的航空发动机整体叶盘，材料(cilio)主主要为钛合金、镍基高温合金、少量高强钢。要为钛合金、镍基高温合金、少量高强钢。第二十一页，共40页。王华明激光王华明激光(jgung)快速成型装备，快速成型装备，做了五代。做了五代。第二十二页，共40页。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要工艺参数为：激光束功率：激光束斑直径：功率：激光束斑直径：扫描速度：粉扫描速度：粉末流量末流量(liling)范围：范围：单层沉积厚度：不高于。单层沉积厚度：不高于。

19、99.99-99.999%高纯氩气或氦气作保护性气氛。高纯氩气或氦气作保护性气氛。第二十三页，共40页。板材、棒材或锻件机械加工后的细棒氩气板材、棒材或锻件机械加工后的细棒氩气雾化制成粉末，以粉末雾化态真空罐装供应，雾化制成粉末，以粉末雾化态真空罐装供应，其中粉末为球形粉末，需筛分和干燥其中粉末为球形粉末，需筛分和干燥(gnzo)，粒度为，粒度为100-300目。目。激光(jgung)增材制造用金属粉末第二十四页，共40页。激光增材制造技术工艺激光增材制造技术工艺(gngy)(gngy)优势优势1.1.增材制造技术出来的部件组织细密，非常均匀；锻造（增材制造技术出来的部件组织细密，非常均匀；锻

20、造（forgingforging）都）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。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。2.2.周期短、成本低、柔性高效。周期短、成本低、柔性高效。3.3.节省材料，较常规制造方法节省材料，较常规制造方法(fngf)(fngf)提高提高5 5倍以上。倍以上。1.由于冷却速度太快，内应力大，容易内部缺陷。由于冷却速度太快，内应力大，容易内部缺陷。2.裂纹一旦形成，高速扩展。裂纹一旦形成，高速扩展。3.晶粒组织晶粒组织(zzh)难以控制。难以控制。激光激光增增材制造技术工艺难点材制造技术工艺难点第二十五页，共40页。高性能难加

21、工大型复杂整体(zhngt)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能万吨水压机模锻件能达到达到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。美国的一个飞机零传统方法，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，材公斤，材料利用率不到料利用率不到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平方米，平方米，美国

22、做不了。激光成型的零件，超过或者等同于锻件的性美国做不了。激光成型的零件，超过或者等同于锻件的性能，抗疲劳强度，比锻件高能，抗疲劳强度，比锻件高32-53%，疲劳裂纹扩散速率，疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。常规降低一个数量级。常规(chnggu)性能和锻件差不多，但性能和锻件差不多，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。”第二十六页，共40页。高性能难加工大型复杂整体关键构件激光(jgung)直接制造技术第二十七页，共40页。我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快我国成为目前世界上唯一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

23、现速成形技术，并实现(shxin)装机应用的国家。所做零件经过装机应用的国家。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，节省材料公斤，节省材料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年做出年做出图示零件需要图示零件需要(xyo)5天，现在只要几小时。天，现在只要几小时。”第二十八页，共40页。C919大型(dxng)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

24、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，而且零件具费，而且零件(lnjin)非常贵。而我们非常贵。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。”第二十九页，共40页。飞机(fij)起落架一种一种(yzhn)300M超高强钢飞机起落架的制超高强钢飞机起落架的制造方法造方法专利号：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年某飞机年某飞机(fij)起落架的关键零部件，目前已起落架的关键零部件，目前已经批生产，已经受经批生产，已经受2000多个起落。多个起落。第三十

25、页，共40页。航空(hngkng)发动机叶盘 高温合金涡轮盘 “未来发动机就是一肚子的整体叶盘，叶片和盘子分开的重量太重。而我们现在可以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，让它长成柱状晶，他的高温性能就很好，这里我们让它长成等轴晶，低周耐疲性能就很好，如果温度再高，我们就可以换材料，它可以做到随心所欲，一种(y zhn)零件可以用很多种材料来做。”第三十一页，共40页。王华明完成直径达王华明完成直径达550mm、具有快速凝固径向、具有快速凝固径向定向微细柱状晶梯度定向微细柱状晶梯度(td)组织的镍基高温合金发组织的镍基高温合金发动机涡轮盘样件，叶片动机涡轮盘样件，叶片900度

26、疲劳强度可以比第二代度疲劳强度可以比第二代单晶高单晶高40%。第三十二页，共40页。王华明的增材制造技术(jsh)总体评价1.1.在内部缺陷控制、组织控制及定向凝固等关键在内部缺陷控制、组织控制及定向凝固等关键技术方面取得了突破。技术方面取得了突破。2.2.大部分零部件经过装机检验。大部分零部件经过装机检验。3.3.在部分零部件性能上，增材制造在部分零部件性能上，增材制造 锻造锻造 铸造。铸造。4.4.发动机叶盘整体制造，还未装机试验，但表现发动机叶盘整体制造，还未装机试验，但表现出很大的潜力。出很大的潜力。5.5.目前用的原料粉末，都是已经冶炼好的钢的粉目前用的原料粉末，都是已经冶炼好的钢的

27、粉末。末。6.6.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，猜想应该废品率，猜想应该(ynggi)(ynggi)不会太低。不会太低。第三十三页，共40页。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。使我国在激光使我国在激光(jgung)烧结快速制造领域达到世界领先烧结快速制造领域达到世界领先水平。水平。广西玉柴运用该技术生产六缸发动机缸盖，广西玉柴运用该技术生产六缸发动机缸盖，7天内可以整体成形四气门六缸发动机缸盖砂芯。天内可以整体

28、成形四气门六缸发动机缸盖砂芯。而采用传统的砂型铸造试制方法，需要而采用传统的砂型铸造试制方法，需要5个月左个月左右。右。为空客和欧洲航天局制作飞机、卫星、航空为空客和欧洲航天局制作飞机、卫星、航空发动机用大型发动机用大型(dxng)复杂钛合金零部件的铸造复杂钛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华中科技大学的增材制造技术(jsh)(jsh)进展进展第三十四页，共40页。C919中央翼缘条中央翼缘条长度长度(chngd)超过超过3米米西北工业大学制造西北工业大学制造(zhzo)(zhzo)的航空零部件的航空零部件飞机飞机(fij)主承力梁主承力梁长度长度5米米第三十五页，共40

29、页。金属增材技术的发展金属增材技术的发展(fzhn)(fzhn)方向方向1.1.飞机结构件一体化制造（翼身一体）飞机结构件一体化制造（翼身一体）2.2.重大重大(zhngd)(zhngd)装备大型锻件制造装备大型锻件制造（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(mi u)人前面。”-王华明第三十六页，共40页。增材制造增材制造(zhzo)(zhzo)金属部件金属部件有多贵有多贵增材制造的金属部件每克售价增材制造的金属部件每克售价1010元元-100-100元元,价格在黄价格在黄

30、金和白银之间金和白银之间.王华明利用增材制造技术生产的飞机次承力结构件王华明利用增材制造技术生产的飞机次承力结构件,几十公斤几十公斤,成本成本120120万万.外国记者外国记者John Newman John Newman 报道报道(bodo)(bodo)，中国用于增材，中国用于增材制造的国防研发费用约在制造的国防研发费用约在80008000万美元。万美元。增材制造技术生产的家用金属用具增材制造技术生产的家用金属用具(yngj)(yngj)成成本是传统生产成本的本是传统生产成本的10001000倍。倍。第三十七页，共40页。为什么增材制造为什么增材制造(zhzo)(zhzo)航空零部航空零部件

31、还能降低成本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：1.1.开模具费用昂贵。一个很小的零件，宝钢做一套等开模具费用昂贵。一个很小的零件，宝钢做一套等温锻造模具，费用温锻造模具，费用70007000万，每一个零件的模具分摊万，每一个零件的模具分摊(fntn)(fntn)费就是几十万。费就是几十万。2.2.设备贵。热锻用的设备贵。热锻用的3 3万吨水压机投资万吨水压机投资2525亿。亿。3.3.材料浪费多，材料利用率材料浪费多，材料利用率5%-50%5%-50%。飞机零部件非常昂贵，这是飞机尤其是军用飞机飞机零部件非常昂贵，这是飞机尤其是军用飞机(jn(jn yn fi j)

32、yn fi j)贵的原因。贵的原因。第三十八页，共40页。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,而且不具备规而且不具备规模经济的优势。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各种金属材料最佳烧结参数。数。5.5.凝固组织、内部缺陷质量凝固组织、内部缺陷质量控制，及其无损检验关键技控制，及其无损检验关键技术。术。6.6.晶粒尺寸、晶粒形态和晶晶粒尺寸、晶粒形态和晶体体(jngt)(jngt)取向的控制。取向的控制。7.7.后续的热处理工艺。后续的热处理工艺。第三十九页，共40页。谢谢(xi xie)大家！第四十页，共40页。