大尺寸高精度金属3D打印设备开始攻关
随着欧美等国家将金属3D打印的产品不断应用于航天、军工、太空等决定人类未来的领域，我国也正在努力缩短与欧美国家的差距。日前，“大尺寸粉末床选区激光熔化增材制造工艺与装备研发”项目获得了2016年国家重点研发计划“增材制造与激光制造专项”(2016YFB1100700)1985万元的经费支持。据了解，该项目由北京易加三维科技有限公司为承担单位，由清华大学、北京天远三维科技有限公司、中国航空工业集团公司北京航空材料研究院、北京星航机电装备有限公司、中国直升机设计研究所、中国燃气涡轮研究院为参研单位。
项目负责人北京易加三维科技有限公司总经理、高级工程师冯涛介绍，该项目完成后，可实现航空航天、军工等行业对金属3D打印成品的要求，即尺寸大、精度高、力学性能好、表面粗糙度低、致密度100%;该技术代表了未来金属3D打印技术的发展方向，拥有该项技术可使我国航空航天、军事进入国际先进水平;该项目的实施将填补我国此项技术的空白，打破发达国家对我国的技术垄断，有利于提升我国在航空航天、军工制造、精密医疗等领域技术能力。
据介绍，SLM金属3D打印设备已进入商业化发展的快车道，近3年装备的装机台数增长率均超过50%，装备制造厂家快速扩张，传统装备制造巨头也开始介入。但我国成熟的商用SLM装备的成形尺寸一般小于300mm，完全不能满足大尺寸零件的制造需求;同时，还存在成形效率低，成形过程工艺变量多，成形质量不能量化控制等问题。而成形尺寸范围在500mm×500mm×500mm以上的金属3D打印设备的商业化研发主要集中在欧美等发达国家，为他们所垄断，他们在SLM设备、软件及工艺等领域的研究均处于国际领先地位，因此在航空航天、军工制造等领域都领超我国较多水平。更令人担忧的是，虽然我国SLM技术的应用和研究机构较多，但是针对大尺寸粉末床SLM设备的国产化尚无成功的商业化案例。
冯涛介绍，由北京易加三维科技有限公司承担的“大尺寸粉末床选区激光熔化增材制造工艺与装备研发”项目，将通过对大尺寸粉末床SLM金属3D打印智能装备的设计与研制，完成针对小尺寸SLM金属3D打印设备向大尺寸SLM金属3D打印设备的飞跃。项目提出双舱室双工位隔离作业模块化布局的总体设计思路，方便大尺寸零件的取出，有效减少了惰性气体的用量，同时解决双工位转换的气体密封、粉料的高精度变量供给与回收、气氛的智能循环净化等技术难题。
该项目还提出并实现同时满足大尺寸和高效率的多激光多振镜分区扫描及其光路设计与控制技术，实现多激光聚焦光斑的定位精度、激光功率的一致性和多振镜扫描边界的有效搭接，在保证大尺寸零件加工精度的前提下，有效提高了加工效率。突破大功率长时间工作条件下的光学系统的稳定性控制技术，实现建造过程熔池状态、成形件几何尺寸、工作舱气氛、铺粉状态等实时监测、诊断及智能处理技术，在提高设备智能化的同时保证了运行的稳定性和可靠性，满足了连续成形大尺寸零部件加工的要求。研发出基于熔池的凝固、扫描区域温度场、工件几何特征、变形与多激光多振镜分区扫描等多因素集成的拥有自主知识产权的成形软件，减少大尺寸复杂件成形过程中激光的通断次数和不均匀变形，提高制造效率的同时保证了加工质量。
据悉，该项目研发的装备支持钛合金、高强合金钢、高强铝合金、高温合金等多种金属复杂构件的高效率成形，制造效率可达到≥120cm3/h，成形尺寸范围≥500mm×500mm×500mm，成形几何精度≤±100μm，表面粗糙度≤Ra12，装备的无故障运行时间≥500h，并将在航空航天领域开展示范化应用，完成多款航空航天大尺寸零件的制造，并进行装机验证，真正的将大尺寸3D打印零件应用于我国的航空航天领域。同时将制定出4种典型材料(钛合金、高强合金钢、高强铝合金、高温合金)的SLM成形工艺标准规范，为大尺寸3D打印应用于航空航天领域建立良好的应用标准。
冯涛特别强调，“大尺寸粉末床选区激光熔化增材制造工艺与装备研发”项目提出对大尺寸SLM金属3D打印设备进行系列化模块研制，此技术具备国际先进水平，可填补我国此项技术的空白，会促使国外同类设备进入中国市场的价格大幅降低，项目执行期内将完成不少于两台套的设备销售指标，未来10年内将会带来20亿元的市场份额。
据悉，该项目的研发终将解决现在粉末床SLM金属零件建造效率较低、质量仍与锻件有差距、设备的智能化水平低、可靠性及稳定性较差，不适合制造大型整体零件等世界性难题，将改变我国在大尺寸粉末床SLM工艺、设备以及成形软件开发等方面一直以来落后于国外的局面。同时，在金属3D打印与激光制造等方面关键技术会有很大突破，超前部署研发我国下一代粉末床金属3D打印设备，促进传统制造业转型升级，支撑我国高端制造业发展。
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