3D打印与广义增材制造

1、3D打印 与 广义增材制造3D Printing & Generalized Additive Manufacturing关 桥GUAN Qiao北京航空制造工程研究所Beijing Aeronautical Manufacturing TechnologyResearch Institute ( BAMTRI )9月 18 日绵阳 国际先进制造业大会1第1页报 告 提 纲 Contents 3D打印与广义增材制造1)3D打印/增材制造渊源2)航空制造模式大变革3)国内外产业现实状况与发展4)技术体系与发展前景2Technical System & Prospects Technical Sy

2、stem & Prospects 3D Printing & Generalized Additive ManufacturingThe Origin of 3D Printing & Generalized Add. Mfg. The Modification of the Model of Aeronautical Mfg.Development of Add. Mfg. Industry in China & Abroad Technical System & ProspectsTechnical System & Prospects 第2页 报 告 提 纲 Contents 3D打印与

3、广义增材制造3D Printing & Generalized Additive Manufacturing1)3D打印与广义增材制造渊源 The Origin of 3D Printing & Generalized Add. Mfg. 2)航空制造模式大变革3)国内外产业现实状况与发展4)技术体系与发展前景5)提议和结束语 3第3页4减材制造 与 增材制造（3D打印）1) 3D打印/ 增材制造渊源（3D打印） 经过计算机辅助设计（CAD）建模，再将建成三维模型“分区”成逐层截面，用对应热源，把液体状、粉状或丝状材料逐层地(熔敷)打印出来，从而堆积制造出实体物件。减材制造 增材制造第4页1)

4、 3D打印/增材制造渊源1.1 金属构件增材制造技术基础是焊接/连接采取机械能（摩擦）热源 实现固态连接电子束焊接激光焊接线性摩擦焊搅拌摩擦焊金属构件增材制造采取焊接热源5手工电弧焊高能束流第5页1) 3D打印/ 增材制造渊源1.1 金属构件增材制造技术基础是焊接/连接金属构件增材制造( Additive ManufacturingAM )技术基础是焊接/连接( Welding / Joining)。特征：1）原理熔化堆积成形，2）热源焊接热源，3）材料可焊性好。6 采取电弧热源第6页1) 3D打印/ 增材制造渊源1.1 金属构件增材制造技术基础是焊接/连接金属构件增材制造( Additive

5、 ManufacturingAM )技术基础是焊接/连接( Welding / Joining)。特征：1）原理熔化堆积成形，2）热源焊接热源，3）材料可焊性好。7手工氩弧加钛丝增材制造艺术制品-乌克兰巴顿焊接研究所第7页1) 3D打印/增材制造渊源 1.2 增材制造创新发展高能束流（电子束、激光束）热源极具柔性:可聚焦、扫描、偏转和长焦距;与信息技术CAD/CAM技术相结合，在真空室内或惰性气体保护环境中，向加热区填送金属丝材或铺送金属粉料，材料逐层熔化、凝固堆积，组成了无模具快速成形或称“金属直接成形增材制造技术”电子束Electron Beam 8第8页1) 3D打印/增材制造渊源 1.

6、2 增材制造创新发展9电子束送丝装置熔积路径方向基板沉积金属熔池 电子束熔丝逐层堆积成形增材制造技术 在真空环境中，电子束熔化金属丝材，层层堆积，直接制造出近净成形零件或毛坯第9页1) 3D打印/增材制造渊源 1.2 增材制造创新发展10激光铺粉选区逐层熔敷增材制造在惰性气体舱室中，激光按特定路径扫描铺粉器预先铺放一层金属粉末（层厚20 100 m ），金属熔化并与前一层形成冶金结合，如此层层堆积，形成所需实体。第10页在惰性气体气氛中，激光熔化同时送进粉末，进入熔池并逐层堆积。11激光喷粉直接成形TC17钛合金叶片激光直接喷粉逐层熔敷增材制造1) 3D打印/增材制造渊源1.2 增材制造创新发

7、展第11页1) 3D打印/增材制造渊源 1.2 增材制造创新发展12CAD数字化建模 精加工后钛合金结构件1000mm300mm200mmCAPP 数字化分层处理电子束热源逐层熔敷堆积CNC过程控制智能化制造闭环控形、控性基于网络设计/制造/服务一体化第12页1) 3D打印/增材制造渊源 1.2 增材制造创新发展无需模具Free Forming降低成本,缩短周期柔性制造Flexible Mfg.快速反应,灵敏制造优化性能Optimize Performances内部致密,力性良好近净成形Near Net Shape节约材料,降低切削加工13第13页1) 3D打印/增材制造渊源 1.3 广义增材

8、制造14引入“广义增材制造”概念，扩大了可用热源范围，更是拓展了成形制造模式RPMRMMRBMPVDCVD电化学沉积成形堆焊成形热喷涂成形冷喷涂成形喷焊成形混合制造喷射成形块体组焊快速原形制造快速模具制造快速生物模型制造金属零件直接制造快速制造以激光、电子束等为热源与CAD/CAM结合分层成形狭义增材制造DMM第14页金属零件直接制造广义增材制造技术群激光束电子束非金属零件直接制造生物结构直接制造熔化沉积气相沉积液相沉积受控组装其它光源其它动力形式熔融固化光固化电化学机械能焊接热源航空领域多采取金属增材制造技术块体组焊1) 3D打印/增材制造渊源第15页 报 告 提 纲 Contents 3D

9、打印与广义增材制造3D Printing & Generalized Additive Manufacturing3D打印/增材制造渊源2)航空制造模式大变革 The Modification of the Model of Aeronautical Mfg.3)国内外现实状况与产业发展4)技术体系与发展前景5)提议和结束语 16第16页172)航空制造模式大变革2.1 由集中式生产模式向分布式制造模式转型增材制造带来生产模式变革:-对传统模式冲击基于网络设计/制造/服务一体化模式个性化、分布式制造将成为未来拉动经济发展主要产业,与传统集中式生产相比,其优势在于: 降低成本 缩短周期 提升效益

10、 多元服务增材制造将决定着航空产业转型发展带来效益,也是“制造强国” “航空强国”,提升综合国力,增强国防实力、国际竞争力利器.第17页182)航空制造模式大变革2.2 设计与制造融合- 创新设计、创新制造 设计/制造一体化创新驱动发展设计制造+构思创新新型结构功效性能减重增材制造把设计师奇思妙想变成实体结构第18页192)航空制造模式大变革2.2 设计与制造融合 创新设计、创新制造空间网格结构燃料冷却流道超冷涡轮叶片，能够实现钛合金、镍基合金甚至陶瓷基材料任意复杂流道及气膜冷却孔直接增材制造增材制造把过去不敢构想新型结构变成现实第19页2)航空制造模式大变革2.2 设计与制造融合 创新设计、

11、创新制造结构效率最优化-混合制造技术未来飞机框梁一体化整体结构Lockheed Martin企业选定F-35飞机钛合金翼梁，用电子束熔丝沉积混合制造技术替换整体锻件，预计零件成本可降低360%，单件可节约100万美元。增材制造成形局部凸起耳片及筋条针对波音787飞机大型钛合金主起落架连接框专门开发了挤压型材热拉弯技术及线性摩擦焊接技术，经过线性摩擦焊接将筋条焊接在挤压型材上，代替原有自由锻或模锻工艺，成本可降低到原来1/30。第20页上壁后口盖侧壁防火墙17590框机尾罩后体边条腹鳍16590框18198框激光焊接电子束焊接3D打印增材制造激光焊接激光焊接激光焊接21电子束/激光焊/3D打印增

12、材制造钛合金后机身结构2)航空制造模式大变革电子束焊接第21页222)航空制造模式大变革2.3 快速反应,灵敏制造 “鹘鹰”飞机项目中使用了电子束熔丝沉积增材制造技术，单架份达10个零部件增材制造技术无需工装模具、制造周期短,成本低,加工柔性好,即时调整设计/制造方案，实现快速响应制造-航空制造所(625所)鹘鹰第22页 报 告 提 纲 Contents 3D打印与广义增材制造3D Printing & Generalized Additive Manufacturing1)3D打印/增材制造渊源2)航空制造模式大变革3)国内外现实状况与产业发展 Development of Add. Mfg

13、. Industry in China & Abroad4)技术体系与发展前景5)提议和结束语 23第23页 3.1 国外发展与产业动态Manufacturing is returning to AmericaAugust 12, 12:03 am (AWS This Week) 美国国家战略:制造业重返美国优先发展1）机器人2）增材制造(3D打印)3）人工智能 五星红旗243)国内外现实状况与产业发展奥巴马：“我们不能再等了！”成本降低二分之一；周期缩短二分之一。该轮到中国人担忧了！第24页 3.1 国外发展与产业动态 激光增材制造25 F/A-18E激光增材超大尺寸整体框，因强度问题在试验

14、中测试失败 美国AeroMet 企业研制激光增材制造超大尺寸钛合金整体框获准在F-22和F/A-l8E/F战斗机上使用。F-22战机连接杆比传统零件寿命超出30%。同时，因为材料及切削加工节约，制造成本降低了20%40%，生产周期也缩短了80%。年12月，美国Aeromet企业因为一直无法生产出性能满足主承力要求大尺寸复杂钛合金构件，没能实现有价值市场应用而倒闭。3)国内外现实状况与产业发展第25页 3.1 国外发展与产业动态Sciaky电子束增材制造飞机结构TC4梁 2500mm1000mm500mmSciaky为 F-35 Ti6Al4V 电子束增材制造13个部件，总重1350 kg,电子

15、束：30-42 kW,丝材直径3mm,熔敷速率：5-10/h,智能化AM过程熔池形状闭环监控。美国Sciaky电子束熔丝增材制造F35 机翼梁和机身框263)国内外现实状况与产业发展电子束熔丝增材制造第26页 3.1 国外发展与产业动态DARPA Wants to Remake ManufacturingBusiness ReportThe Next Wave of ManufacturingThe military research agency hopes to design and build an amphibious tank from scratch in three years.

16、 增材制造研发新型两栖坦克273)国内外现实状况与产业发展吸收F35成本高、周期长教训：采取增材制造研发新型两栖坦克;三个月完成国内网上设计竞标；分布式、订制式、社会化增材制造。三年目标：每七天制造 2 台“基于网络设计/制造/服务一体化模式”经典实例第27页 3.1 国外发展与产业动态国外采取线性摩擦焊（LFW）增材制造实例-替换整锻或铸造，无需模具，节材、省时283)国内外现实状况与产业发展线性摩擦焊第28页 3.1 国外发展与产业动态用线性摩擦焊置换整个叶片将严重损毁叶片从根部切除，按预先设定线性摩擦焊流程，把新叶片（带装卡工艺凸台）准确定位后进行线性摩擦焊置换。用熔化焊接法局部修复叶片

17、受损前缘在图上，从左向右（或由上而下）所显示6个叶片分别为：1）叶片前缘受损，2）切除前缘，3）焊接补片，4）铣削加工，5）局部热处理，6）最终光整。MTU企业用焊接增材制造方法修复航空发动机钛合金整体叶轮.6巴黎航展293)国内外现实状况与产业发展第29页 3.2 国内发展与产业动态起步不晚且已取得较大进展，形成了很好基础，但在基础研究、产业化发展、工程应用方面相比国外有很大差距。还未形成完整科研和产业链：材料-工艺-装备-应用。很多增材制造技术和装备国内虽都已研制成功，但智能化程度低于国外先进水平,增材制造装备关键元器件还主要依靠进口。材料基础研究、材料制备工艺以及产业化方面与国外相比存在

18、相当大差距,超细粉材仍依赖进口。为此，必须尽快经过制订战略规划，实施重大工程，在国家层面推进交叉创新、协同创新，大力推进多方面、多领域应用，尽快縮小差距，迎头赶上，取得战略主动。3)国内外现实状况与产业发展第30页 3.2 国内发展与产业动态-技术313)国内外现实状况与产业发展 北京航空航天大学与中航工业集团成立中航天地激光企业(中航重机控股子企业)采取激光喷粉成形技术研发飞机钛合金大型整体机身承力框关键构件。第31页 3.2 国内发展与产业动态-技术323)国内外现实状况与产业发展西北工业大学激光熔敷成形及修复技术基础研究扎实；近年来又引进国外先进设备，开发了小型结构激光选区熔化成形技术；

19、为C919飞机研制了翼身根肋等结构(长5m) 第32页33基于电子束焊接热源增材制造电子束熔丝逐层堆积成形增材制造技术电子束选区粉材逐层熔敷成形增材制造技术电子束物理气相沉积成形基于激光焊接热源增材制造激光直接喷粉逐层熔敷增材制造激光送丝逐层熔敷增材制造激光铺粉选区逐层熔敷增材制造基于块体组焊固相增材制造线性摩擦焊块体组焊固相增材制造搅拌摩擦焊块体组焊固相增材制造以及增材制造技术在航空修理中应用航空制造所(625所)依靠 “高能束流加工技术” 重点试验室和“航空焊接/连接技术”航空科技重点试验室,20多年来研究开发 AM 技术集群3)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术第

20、33页平尾撑杆左右件前起交点接头左右件唇口下接头左右件唇口上接头左右件343)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术-航空制造所(625所)鹘鹰 “鹘鹰”飞机和歼-20 、舰载机广泛使用了3D打印技术制造钛合金、钢材等主承力结构，包含整个前起落架电子束熔丝沉积成形第34页钛合金m电子束熔丝沉积成形技术，为大飞机研制了大量结构件。73)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术-航空制造所(625所)2100mm450mm300mm，162kgY-20第35页电子束选区粉材逐层熔敷成形增材制造技术在真空环境中，电子束按特定路径扫描熔化预先铺放一层金属粉末，层层

21、堆积，形成实体。表面状态Ti6Al4V粉末空间点阵桁架结构363)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术-航空制造所(625所)第36页 电子束物理气相沉积增材制造高效冷却涡轮叶片试验件373)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术 在真空中利用大束斑高能电子束（普通为2040kW）对所沉积材料进行轰击并使之熔化、沸腾进而蒸发，在基体或零件表面重新凝结、沉积形成新功效材料（涂层）或构件。-航空制造所(625所)第37页为某飞机机项目研制出不一样规格格栅38格栅3)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术激光铺粉选区逐层熔敷增材制造-航空

22、制造所(625所)第38页修复： TC11钛合金整体叶轮损伤修复393)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术 激光喷粉熔敷成形-航空制造所(625所)增材制造用于航空修复第39页线性摩擦焊块体组焊固相增材制造技术整体焊接叶盘固相连接40榫头连接整体焊接叶盘高性能航空发动机提升推重比减重3)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术线性摩擦焊-航空制造所(625所)第40页413)国内外现实状况与产业发展线性摩擦焊块体组焊固相增材制造技术 3.2 国内发展与产业动态-技术-航空制造所(625所)第41页42铝合金搅拌摩擦焊技术3)国内外现实状况与产业发展-航

23、空制造所(625所)第42页搅拌摩擦焊接块体组焊固相增材制造节材大幅提升材料利用率，绿色制造；节时-大幅降低铣切量和制造周期。 挤压型材蒙皮薄板挤压型材 + 薄板蒙皮搅拌摩擦焊433)国内外现实状况与产业发展 3.2 国内发展与产业动态-技术 预拉伸厚铝板铣切减材加工 材料去除率达90%以上搅拌摩擦焊-航空制造所(625所)第43页 报 告 提 纲 Contents 3D打印与广义增材制造3D Printing & Generalized Additive Manufacturing1) 3D打印/增材制造渊源2)航空制造模式大变革3)国内外现实状况与产业发展4)技术体系与发展前景 Techn

24、ical System & Prospects5)提议和结束语 44第44页 4.1 技术体系45增材制造（AM） 技术体系内涵:0)设计/制造/服务一体化，构筑产业链1)AM 技术与方法:激光:喷粉、铺粉、送丝 电子束:铺粉、送丝、EB-PVD 其它:广义增材制造各类技术2)技术装备:关键元器件,智能化高端设备 与专用技术配套特种装备3)材料制备:粉材,超细粉 丝材各种规格,适合用于不一样方法系列4)后处理技术与精加工5)工艺规范与检测，考评认证6)技术标准（成立ISO增材制造标准化委员会ISO/TC 261）4)技术体系与发展前景第45页 4.2 技术体系-新型装备当前国内最大电子束熔丝沉

25、积成形设备，工作范围2.1m0.6m0.85m国内第一台电子束熔丝沉积成形设备，获部级科技进步二等奖研制大型电子束熔丝沉积成形设备，到达国际先进水平工作范围1.5m0.8m3m电子束熔丝沉积设备 突破关键技术（1）熔丝沉积路径规划数据处理软件;（2）高品质电子束源；（2）精密多轴送丝装置及控制系统；（3）系统集成技术；（4）综合控制系统。464)技术体系与发展前景-航空制造所(625所)第46页 4.2 技术体系-新型装备激光多功效沉积成形装备具备送丝、送粉、温控、除氧、除尘等功效(惰气体舱3m3m2.5m）激光同轴送粉熔敷设备突破关键技术：（1）路径规划数据处理软件；（2）惰性气体气氛控制技

26、术；（3）系统集成技术；（4）高效激光熔敷加工头；（4）综合控制系统。474)技术体系与发展前景-航空制造所(625所)第47页 4.2 技术体系-新型装备激光选区熔化设备 突破关键技术：（1）激光高速扫描控制技术；（2）系统集成技术；（3）气氛净化处理技术；（4）数据处理软件（5）精密铺粉装置金属激光选区成形设备，工作范350mm350m500m484)技术体系与发展前景-航空制造所(625所)第48页 4.2 技术体系-新型材料金属球型粉材激光选区熔敷时粉材品质与熔池形状差异影响成形质量Cross sectionCross section粉材品质成形质量表面状态494)技术体系与发展前景第

27、49页 4.2 技术体系-新型材料制备504)技术体系与发展前景JW-150G型制粉炉(航材院)冷壁坩埚制粉炉(航材院)第50页电子束熔丝成形TC4材料制造技术体系钛合金TC4系列丝材：TC4-EM、TC4-EH；钛合金TC18系列丝材：TC18、TC18EH 正在研究：高温钛合金丝材：TC11、TC17 中强钛合金丝材：TA15、TA15EH 损伤容限钛合金丝材：TC4ELI、TC21 高温合金GH4169G、超高强度钢A100丝材未来发展钛合金系列：中强、高强、高温、损伤容限高温合金系列钢系列：超高强钢AF1410、A100，不锈钢铝合金系列：系列航空铝合金研究开发增材制造材料体系：丝材成份设计、选配，使之在熔敷成形及后处理过程中组织结构与力学性能可优化、可调控。(真空条件下熔池中元素烧损与蒸发)514)技术体系与发展前景 4.2 技术体系-新型丝材-航空制造所(625所)第51页后处理成形工艺成份构件性能可设计、可调控1、普通合金 TC42、优化普通合金TC4-EM3、特殊合金化合金TC4-EH4、细晶型合金TC4-EF1、低速单向2、高速往复 层间同向3、双丝往复 层间交叉4、路径跳跃控制残余应力和凝固组织1、固溶+空冷+时效2、固溶+风冷+时效3、固溶+油冷+时效4、均一化+固溶+油 冷+时效优化组织和性能电子束熔丝增材制