金属零部件增材制造
Since 1985
国外金属材料增材制造的主要研究机构
• • • • • 美国Los Alamos 美国 Sandia AeroMet GE、罗罗(英国)、IBM、波音、洛马、诺格 西屋核电
------------------------------------------------------------------------------• Stratasys 公司 （占世界3D打印机销量的一半，2011年为 2万台） • Objet公司（世界最大的商用3D打印机） • 3D systems 公司 • EOS 、 Arcam AB、 GmbH
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：Sandia实验室做航空发动机叶片；泵壳体尺 寸300mm左右，Los alamos 作出高温合金管。 Aeromet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；如尺寸达到2.5m、重达
130kg的大型整体筋板加强钛合金发动机框、机
民用消费级采用的工艺主要为熔积成型FDM。
现代CAD/CAM 技术
CAD技术设计要打印的 各种物品的3D数字模 型。
计算机数控技术软件或系统 把3D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 喷头，并保证各个伺服电机精确确配合。
精密伺服驱动技术 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 精确的位置打印。精度要达到0.1mm。甚 至20um.
5 西安 卢秉恒 交大
激光 铸造 航空部件 熔融 容积 机械 塑料 成型 光固 树脂、骨骼、 机械 化 芯片
院士
国内增材制造简单概括：五大派系，三种工艺
王华明
王华明，北航材料学院材料 加工工程系主任。 1995年进入 金属激光增材制造领域。 为国产C919、J15、J20、J31提供航空结构件。 还包括少量的航空发动机整体叶盘，材料主要 为钛合金、镍基高温合金、少量高强钢。 2012年，凭借“大型复杂整体钛合金结构件激 光成型制造技术及装备”获得国家技术发明奖 一等奖。
翼拼接接头等已经在F22及F-18E/F上得到批量应
用。
但美国激光快速成型全都集中在小体积高价
值的零件，还包括表面修复，表面涂层。
1.激光一走，温度迅速下降，容易出缺陷，做不了 大零件。 2.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，还是不如锻件。 3.缺乏大型装备。 美国人没办法提出了“损伤容限”的概念。 在大尺寸复杂钛合金整体结构件在F18上做试验失败3 年后，Aeromet公司倒闭。
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，其中粉末７０％为球形粉末，需筛分和 干燥，粒度为100-300目。
激光增材制造技术工艺优势
1.增材制造技术出来的部件组织细密，非常均匀；锻造（ forging）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。 2.周期短、成本低、柔性高效。 3.节省材料，较常规制造方法提高5倍以上。
06年某飞机起落架的关键零部件，目前已经批 生产，已经受2000多个起落。
航空发动机叶盘
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， 一种零件可以用很多种材料来 做。”
金属材料增材制造的瓶颈
1.成本太高,而且不具备规模经济的优势。
国内增材制造 激光 熔融 激光 烧结 产品 航空部件 航空部件、 汽车部件、 骨骼、牙齿 国家认可 国家技术发 明奖一等奖 国家技术发 明奖二等奖 C919应用 1 北航 王华明 2 华中 史玉升 科大
西北 3 黄卫东 工大
4 清华 颜永年
高性能难加工大型复杂整体关键 构件激光直接制造技术
“翅膀根的受力件，我们做出来136公斤，锻件1706公斤，节 省材料90%+。2010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5天，现在只要几小时。” 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。
增材制造金属部件有多贵
• 增材制造的金属部件每克售价10元-100元,价格在 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 件,几十公斤,成本120万. • 外国记者John Newman 报道，中国用于增材制造 的国防研发费用约在8000万美元。
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1000倍。
3D打印市场情况
2011年全球3D打印产业产值为17亿美元， 国内为3亿人民币。年增长率25%。
目前3D打印产品的主要应用领域
1.快速模具制造（汽车） 2.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） 4.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。
3D打印生产的假肢在欧美已经有30000人 以上在应用。
工业级3D打印机
涡轮引擎部件 钛合金
3D打印不是泡沫也非“神器”
PBS塑料 树脂 高强钢 钴铬合金 木材 陶瓷 尼龙 铝 镍铝合金 细胞 不锈钢 玻璃 钛 青铜合金 黄金 纸 生物墨水 钛合金 ABS塑胶 钨
3D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，没有质量检测，没有安全 认证，属于“三无”产品。大部分外观、质量、 性能都赶不上常规生产方法制造出的物品。
C919大型客机主风挡窗框
“双曲面窗框，Ti-6Al-4V钛合金，只有欧 洲有有家公司能做，周期2年，先付200万美 元模具费，而且零件非常贵。而我们55天就做 好了，4大件，2件已经装上了飞机。”
飞机起落架
一种300M超高强钢飞机起落架的制造方法 专利号：200810010308 发明（设计）人：王云阁;王向明;王华明
• 经济学人 “第三次工业革命”。南方周 末 “野蛮神器”要革制造业的命。 • 工信部副部长苏波表示将推动3D打印产业 化；科技部表示在制定3D打印的战略规划。
3D打印概念
• “增材制造”=“3D打印”=“快速原
型制造技术”
• 根据零件的形状，每次制做一个具有 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 所需制造的立体的零件。
激光增材制造技术工艺难点
1.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。 3. 晶粒组织难以控制。
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5.53平方米。3万吨水压机模锻件 能达到0.8平方米，8万吨能达到4.5平方米。 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3吨，到最后加工完成只有144公斤， 材料利用率不到5%。增材制造，材料利用率80%左右。 我们通过增材技术制造的最大的整体结构件5平方 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32-53%，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 高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。”
王华明激光快速成型装备，做了五代。
激光成形技术的主要工艺参数为：激光束 功率：３．０～１０ｋＷ 激光束斑直径：φ ３～６ｍｍ扫描速度：５～１０ｍｍ／ｍｉｎ 粉末流量范围：１０～３０ｇ／ｍｉｎ单层沉 积厚度：不高于０．８ｍｍ。99.99-99.999% 高纯氩气或氦气作保护性气氛。
激光增材制造用金属粉末
华中科技大学的增材制造技术进展
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。 而采用传统的砂型铸造试制方法， 需要5个月左右。
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 合金零部件的铸造蜡模。
华中科技大学设备成型空间： 1．2米×1．2米；EOS 公司：0．73米×0．38米；3D系统公司：0．55米×0． 55米。使我国在激光烧结快速制造领域达到世界领先水 平。
新材料技术 打印材料的研发目前还在初级阶段。
商用级3D打印机
• 打印材料：树脂、金属、石 膏、尼龙、玻璃等。
• 特点：结构复杂、精度高、 物品表面质量好、基本不考 虑力学性能。 • 分层厚度：0.1mm-0.5mm • 市场范围：市场20%的3D打 印机属于商用级。 • 售价：100万-400万 RMB • 消费人群：大中型生产制造 企业研发设计部门
王华明完成直径达550mm、具有快速凝固 径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金 发动机涡轮盘样件，叶片900度疲劳强度可以比 第二代单晶高40%。
王华明的增材制造技术总体评价
1.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。 2. 大部分零部件经过装机检验。 3.在部分零部件性能上，增材制造>锻造>铸造。 4.发动机叶盘整体制造，还未装机试验，但表现 出很大的潜力。 5.目前用的原料粉末，都是已经冶炼好的钢的粉 末。 6.现有的文献、新闻、专利、报告都没有提到过 废品率，猜想应该不会太低。
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：
1.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7000万，每一个零件的模具
分摊费就是几十万。
2.设备贵。热锻用的3万吨水压机投资25亿。
3.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 原因。
Additive Manufacturing（3-D printing）