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3D打印技術助力高端有色金屬產品製造

時間:2014-9-28 13:53:13

  近日,山西卓鋒鈦業成功研製出了3D打印的球形海綿鈦粉,其填補了我國鈦工業高端鈦粉產業和技術的空白,打破了西方發達國家對這一項目的壟斷,更深遠的意義則在於,這在某種意義上標誌著3D打印技術真正開始走進了有色金屬加工製造,並為有色金屬在高端產品製造領域開拓了更為廣闊的應用前景。


  無獨有偶,據悉,飛利浦公司下屬企業——醫療成像零部件製造商SmitR.ntgen——開發出了基於粉末床激光熔融的增材製造(即3D打印)方式加工純鎢的工藝。該工藝通過選擇性的固化,用熔點高達3422攝氏度的金屬鎢製成的純鎢薄膜層來將一個數字設計建構成一個三維產品。


  這一能夠通過3D打印純鎢的專利技術,使SmitR.ntgen可以使用純鎢精確、高效地製造出高度複雜的凹麵或支撐部件。“能夠3D打印純鎢零件已經吸引了全球的關注,掌握這一技術後,創造新的創新產品和利基市場的可能性是無窮無盡的。”SmitR.ntgen負責營銷和銷售的PieterNuijts如是說。


  3D打印即快速成型技術的一種,是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術。


  自2013年以來,3D打印技術在有色金屬領域的應用屢屢見諸報端。這一技術以計算機三維設計模型為藍本,通過軟件分層離散和數控成型係統,利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末材料進行逐層堆積黏結,最終疊加成型,製造出實體產品。


  山東大學材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室副教授武玉英介紹了3D打印的工作原理:“3D打印技術主要是采用激光熔覆,它先把金屬熔化做成粉末,然後再把它凝固成型,再撒上粉、再凝固。不像普通打印機那樣直接打出來,而是分層疊覆的。”


  與傳統製造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同,3D打印將三維實體變為若幹個二維平麵,通過對材料處理並逐層疊加進行生產,大大降低了製造的複雜度。這種數字化製造模式不需要複雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力,直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件,使生產製造得以向更廣的生產人群範圍延伸。


  當然,3D打印技術對鋁箔、銅管等普通有色金屬產品來說,其意義遠不如在高端產品中的應用前景,對於結構複雜、難以成型的產品——特別是軍工、航空、航天等領域的零部件來說,采用傳統加工工藝,不僅流程繁瑣、對於人工和設備的技術水平要求高、產品易出現誤差,而且由於流程長而導致的生產過程中的不可控因素增加的風險都是存在的,采用3D打印則能夠有效避免上述狀況的發生。


  武玉英教授還表示:“3D打印技術其實更加適合熔點高的金屬,目前使用較多的是鈦,鈦的熔點很高,在製作過程中它的熔化一直是關鍵問題,采用3D打印激光熔覆正好解決了它的熔煉成型問題。”


  然而,目前有色金屬在高端產品製造領域中的應用仍顯不足,鈦、鎢等金屬在航空、航天等領域中的應用還存在許多問題,而3D打印技術則能夠彌補其中的一些缺憾。武玉英教授介紹說:“目前3D打印主要用來製作軍工、航空、航天的一些零部件,這些零部件用其他方式製造可能周期比較長、比較費料,結構也不大好做,所以用3D打印能成功把它製造出來。”


  然而,山西卓鋒鈦業等企業的試水似乎隻是“好奇的探索”,需要解決的問題還有很多。其中最主要的問題就是成本。武玉英教授認為:“3D打印成本比較高,生產一個很小的零部件,可能需要花費上百萬。如果作為民用生產技術,那麽它的成本太高了,生產周期也比較長。所以就目前看來,這個技術更適用於高端金屬產品製造。”


  此外,武玉英教授也表示:“3D打印技術還需要解決的一個關鍵問題就是控製零部件的變形和應力的產生,因為它是激光熔覆的過程,在製作過程中可能是這頭受熱溫度比較高,那一頭是涼的,因此在加工製作過程中就會產生一些應力或者變形。”


  3D打印雖然還存在諸多問題,但其產品具備晶粒更小、強度更高、力學性能優越等特點,應用前景被許多人看好。日本沙迪克公司於今年7月宣布,其開發出了使用金屬材料加工的3D打印機“OPM250L”,並將於2014年10月開始銷售;西北工業大學凝固技術國家重點實驗室下設的激光製造工程中心通過激光立體成型技術,為國產客機 COMAC C919製造鈦合金翼梁;世界知名的超跑製造商Koenigsegg也在研究使用3D打印的鋁合金材料來生產汽車,以及汽車零部件。


  3D打印技術在不斷地衝擊著AG8的觀念,更給社會生活和工業生產帶來了無數新的可能,進而創造出更多的、難以預見的利潤空間。也許3D打印在如今看來仍然有許多問題亟待解決,但一如當年互聯網誕生之初的“昂貴”和如今的迅速普及,誰也不能否認,3D打印是否會成為下一個“互聯網”——起碼在現階段,AG8能夠看到的,是通過3D打印技術製作高端有色金屬製品已經成為現實,相信隨著技術的成熟和設備的進步,使用這一技術來創造出真正的飛機、汽車等也將不會遙遠,而對於有色金屬行業來說,3D打印技術不僅拓展了有色金屬製品在航空、航天、軍工等高端產品製造領域的應用前景,更為AG8企業的發展提供了更廣闊的空間。