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金属增材制造技术的六大应用场景

2017/5/12    来源:e-works    作者:e-works黄菊锋      
关键字:金属增材制造技术  金属3D打印技术的应用  
增材制造技术的应用已不仅仅局限于快速响应产品的外观设计,抑或是工艺辅助的间接制造,而是延伸到了金属功能零件的直接制造。可以说,金属增材制造技术在制造行业具有更广阔的应用舞台。
    谈到增材制造技术(俗称3D打印技术)估计很多人并不陌生,但是说到增材制造技术的应用,可能大部分人还只停在以下两个阶段:1) 原型制造,即通过树脂、塑料等非金属材料打印的概念原型与功能原型。其中概念原型用于展示产品设计的整体概念、立体形态和布局安排,功能原型则用于优化产品的设计,促进新产品的开发,如检查产品的结构设计,模拟装配、装配干涉检验等。2) 间接制造,即通过3D打印技术完成工、模具制造,再采用3D打印工模具进行零件的制造。
 
    殊不知,伴随着3D打印技术的发展,特别是金属3D打印技术近年来取得的进展,增材制造技术的应用已不仅仅局限于快速响应产品的外观设计,抑或是工艺辅助的间接制造,而是延伸到了金属功能零件的直接制造。当前,通过金属增材制造技术制造的金属材料零部件越来越多的被成功应用于航空航天,国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域。
 
    可以说,金属增材制造技术在制造行业具有更广阔的应用舞台,是增材制造领域对制造业来说最有应用价值的先进制造技术。主要体现在以下几个方面:
 
    1、成形传统工艺制造难度大的零件
 
    在制造领域,有些零部件形状复杂、制备周期长,应用传统铸造锻造工艺生产不出来或损耗较大。而金属增材制造技术则可以快速制造出满足要求的零部件,并具有加工周期短、制造成本低、无需工装和模具等优势。
 
    一个典型的应用就是模具行业随形冷却金属模具的制造。金属模具冷却系统是设计模具工程之一,传统的模具冷却系统是以直线的水路设计为主,制作较简易,但需要的散热时间较长,直接影响了脱模时间、制品质量、制品外观等。设计者通过软件分析模具与水路的散热情形,设计出了异型水路,但是受到既有加工技术的限制,使得异型水路设计只能停留在理论阶段。金属增材制造技术出现后,使这些问题获得了突破性改善。据悉,通过金属3D打印的异型水路模具设计时间减少了75%、制造端人力节省了50%、射出模具生产周期缩短了14%、制造费用降低了16%等。
 
传统的冷却金属模具与随形冷却金属模具对比
 
    传统的冷却金属模具与随形冷却金属模具对比
 
    另外,江苏科技大学海洋装备研究院通过金属增材制造SLM工艺,成功制造出了原本只有英国Heatri一家公司才能生产出来的印刷版式LNG汽化器,而且采用增材制造技术制备的船用LNG汽化器能够完全满足超高压、超低温的运行条件,制造成本和周期也大幅减少。还包括刚刚首飞成功的国产大飞机C919,在北航、西安铂力特等院企的攻克下,通过金属增材制造技术成功研制出了钛合金主风挡整体窗框、起落架整体支撑框、中央翼缘条等关键部件,有效避免了从国外采购,大大提高了C919的国产化率。
 
    2、制备高成本材料零件
 
    金属材料是制造领域必不可少的重要材料,但是在实际的加工过程中,却存在着不少问题,例如钛合金、高温合金、超高强度钢等材料难加工、加工成本高、材料利用率低,加工周期长等。金属增材制造技术所采用的激光、电子等高能束密度高,速度快,极大的改善了金属材料的加工难度,并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
 
    以金属增材制造技术应用最早和最广泛的航空航天行业为例。航空航天基于高性能需求,需要大量使用钛合金和镍基超合金等昂贵的高性能、难加工的金属材料。但零件的材料利用率非常低,一般低于10%,有时甚至于仅为2%-5%,大量昂贵的金属材料变成了难以再利用的废屑。
 
    美国最大的航空发动机制造公司之一普惠公司应用增材制造技术用于发动机的镍基合金和钛合金部件的研制,结果显示:不但获得了与当前材料一致的性能,大大缩短了制造周期,提升了复杂几何结构的制造精度;而且原材料消耗降低了50%,并将发动机的BTF比(原材料质量与部件最终质量之比)从传统工艺的20:1降低到2:1以下,有效的提高了部件的质量和降低了制造成本。
 
    3、快速成形小批量非标件
 
    3D打印非常适合个性化定制生产、小批量生产。当前,金属增材制造的个性化制造在医疗器械的应用极为突出,一方面用于打印具有个性化需求的植入物/假体或模仿仿生原理的复杂结构。这些植入物通过3D打印技术的精确控制,有效实现外在轮廓及内部结构的同步重建,以满足其与患者局部解剖结构的高度匹配,其中具有生物相容性的钛合金材料是重要的加工材料,打印出来的多孔结构植入物,可以更好的与人体组织结合。另一方面,金属增材制造技术还可用于为病人量身定做植入手术所需的精密部件,例如华南理工大学利用激光选区熔化技术(SLM)已成功研制了外科手术所需的个性化辅助导板。
 
金属3D 打印个性化医疗器械
 
    图:金属3D 打印个性化医疗器械
 
    个性化、小批量生产已经成为当前制造业发展的趋势,金属3D打印摆脱了模具制造这一关键技术环节,可以随时调整参数,以更低的成本更短的周期进行小批量甚至单件产品的生产。除了医疗器械行业,在其他行业也极具应用潜力。
 

责任编辑:李欢
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