3D打印穿戴設計應用實踐
來源：南極熊 瀏覽數：
責任編輯：傳說的落葉 時間：2018-12-23 16:44
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[導讀]張海鷗教授發明的該項“微鑄鍛銑復合增材制造”技術有了更大的突破，服務于航空航天、武器裝備、船舶海工領域等重大項目。
早在2017年6月，武漢天昱智能制造有限公司（天昱智造）當時3000㎡的“微鑄鍛銑復合增材制造”生產線已經投入使用，除了2臺大型微鑄鍛銑復合增材制造裝備外，還有中型大壓力微軋制增材設備、激光熔覆與再制造設備、Concept laser M2等。時間過去一年，張海鷗教授發明的該項“微鑄鍛銑復合增材制造”技術有了更大的突破，服務于航空航天、武器裝備、船舶海工領域等重大項目。本文為南極熊在2018增材制造全球創新大賽上聆聽張海鷗教授演講及其回答專家問題時收錄的部分精彩內容，以示我國重大裝備取得突破，行業交流共勉。
△張海鷗，華中科技大學博士生導師，數字制造裝備與技術國家重點實驗室金屬3D打印學術帶頭人，中國增材制造產業聯盟學術委員會委員，武漢天昱智能制造有限公司首席科學家。
△
項 目：高端鍛件微鑄鍛復合增材制造
演講摘要：
大家知道，古代寶劍、現代飛機框梁、發動機渦輪盤均為鍛件，自古以來先鑄后鍛，流程長而繁雜，且無法整體制造復雜的高端鍛件。從我們國家重大需求背景來看，航空發動機、大飛機、動力平臺要求高強韌、高疲勞壽命與輕量化高端鍛件，年需求大于2000億元，目前90%以上依賴進口，例如，C919訂單近800架，起落架等訂貨周期長達2年，價格昂貴。對于這樣一些高端鍛件，采用傳統制造技術局限在于工序分散與流程長，產品適應性差，無法整體制造復雜形狀或者梯度材料的零件，且由于大型裝備成形不均，能耗高與污染重，導致其成品率低，成本極高。
增材制造技術是一種短流程的制造技術，但其在制造過程當中沒有經過熱鍛加工，組織性能存在各向異性，難以直接獲得高強韌性的鍛件。由此可見，傳統技術無法短流程整體制造復雜鍛件，而增材制造技術又難以制造高疲勞壽命鍛件，能否發明高疲勞壽命高端鍛件短流程整體制造技術成為重大挑戰。
微鑄鍛銑復合增材制造技術——
· 原理創新?；跁r空交變剛柔性能量場作用的非平衡加熱凝固與半固態變形再結晶的熱力學過程宏微觀機理研究，發明“鑄鍛同步、融合銑削”的半固態超短流程、復雜形狀與高疲勞性能并行創制的新方法。
· 工藝變革。發明自由時空可控多能場復合作用鑄鍛調質一體化、創制均勻等軸細晶大型復雜鍛件新工藝。
· 裝備發明。發明緊湊變胞微鍛機構、形貌缺陷原位檢測及修復系統集成新裝備，實現復雜鍛件高可靠性制造。
靈巧變胞微鍛機構：同步作用于熔積剛凝固區，實現用不到一噸的機械力微鍛，與八萬噸鍛壓效果相當。
原位檢測及修復系統：發明了超聲和渦流復合原位檢測裝置，逐層原位檢測缺陷、發現后去除并修復，保證無缺陷成形。
形貌檢測與動態路徑規劃：開發在線形貌檢測和動態成形路徑智能規劃系統，保證少余量精確成形。
——Scripta Materialia明確表示，張海鷗團隊微鑄鍛銑同步復合制造（HDMR）技術系天昱智造團隊首創，不同于英國Cranfield大學的電弧增材-冷軋串行技術。
問答摘要：
沈真：張教授您好，我對您的研發成果很感興趣，因為中國飛機零件特別是單一鍛件，一直是航空航天領域十分關注的事情，您的這個裝備能打印的最大尺寸是多大？
張海鷗：我們目前可以打印大到4米左右，將來還會更大。
沈真：因為大鍛件還有一個很重要的問題是疲勞壽命的問題，那么制件疲勞性能怎樣？
張海鷗：我們這項技術采用電弧和等離子弧技術，冶金過程非常充分，在韌性、疲勞性能方面，相對于其他技術來講有更好的性能和優勢。我們的檢測結果也表明，在疲勞性能以及損傷容限方面確實高于傳統技術也高于其他的技術，這是我們技術特點，在強度方面并不是特別突出，但是在塑性、韌性、疲勞性能方面有很大的優勢。
陳志平：我對成本比較感興趣，跟傳統鍛造工藝比較，你們的技術大概節省多少成本？
張海鷗：這分很多方面。從能耗來講大概節約70%以上，因為在生產中我們進行了實測，比如中航工業的一個起落架，我們工藝的能耗是傳統工藝的10%。另外從過程來講，我們的采用的是電弧，熱源里面最便宜的，所用的絲材的價格也相當便宜，是粉材的十分之一。目前來講，總成本不會高于模鍛，而將來隨著規模的擴大，成本會繼續下降。
陳志平：我們對傳統鍛造比較熟悉，它具有三個維度的壓力，你們的技術也是這樣的嗎？
張海鷗：我們也可以做到三個維度，有像萬能軋機這樣一種裝置，保證在成形過程當中處于三向壓力的狀態，性能得到很大的提高。
陳志平：設備投入大概是什么量級？
張海鷗：這樣說吧，美國西亞基公司做電子束成形的，他們成形尺寸跟我們差不多，它號稱要500萬美元。我認為我們設備的功能和價值遠高于它，你可以以此來來做一個參照。
陳志平：您如何從商業適應性的角度評價您的技術？
張海鷗：我們開創了“邊鑄邊鍛”技術，開拓了新的市場，主導了增材制造市場的差異化，至于長久的未來，基于我們技術的市場會越來越大，我們的產品性價比也會領先于市場。
張嘉振：您提到了很多C919飛機上的需求，對我們來說最關鍵是適航復合性，說白了就是穩定性，穩定性怎樣，有沒有評估，內部和測試呢？
張海鷗：我們正在進行測試，這個是很不容易的事情，這是所有企業都要努力的方向，適航不是一次做成，要做10次甚至更多，過程相當漫長。單講穩定性的話，我們的技術在塑性、韌性、疲勞性能方面尤其突出，這就足以說明了其穩定性。
張嘉振：與挪威鈦公司（Norsk Titanium）、航天211比較，你們有哪些優勢？
張海鷗：挪威鈦公司采用的是等離子技術，通過融化金屬絲后層層堆積的方式構建3D實體。以前我們也做過等離子，后來放棄了，因為當時都采用粉末，粉末比較貴，而現在挪威鈦公司用該技術實現了金屬絲材融化堆積，確實取得了較大的突破，但是他的設備成本是比我們高的，加上它沒有復合塑性，余量和變形難以做到精確。
跟我們技術最近似、最有可比性的其實是英國克蘭菲爾德大學的技術，他們跟我們一樣采用電弧增材的方式，不同的是，他們熔積一層結束以后，再進行軋制，效率比較低，整體不均勻。我們是邊熔邊鍛，可以得到非常均勻的超細等軸晶?？颂m菲爾德大學的威廉姆斯教授今年也來過我們公司，他認為我們這個方式在效率成本方面優于他們，但他們是冷軋技術比較穩定，其實我們已經克服了技術難題，兩者穩定性是一樣的。
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△張海鷗，華中科技大學博士生導師，數字制造裝備與技術國家重點實驗室金屬3D打印學術帶頭人，中國增材制造產業聯盟學術委員會委員，武漢天昱智能制造有限公司首席科學家。
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微鑄鍛銑復合增材制造專用設備
項 目：高端鍛件微鑄鍛復合增材制造
演講摘要：
大家知道，古代寶劍、現代飛機框梁、發動機渦輪盤均為鍛件，自古以來先鑄后鍛，流程長而繁雜，且無法整體制造復雜的高端鍛件。從我們國家重大需求背景來看，航空發動機、大飛機、動力平臺要求高強韌、高疲勞壽命與輕量化高端鍛件，年需求大于2000億元，目前90%以上依賴進口，例如，C919訂單近800架，起落架等訂貨周期長達2年，價格昂貴。對于這樣一些高端鍛件，采用傳統制造技術局限在于工序分散與流程長，產品適應性差，無法整體制造復雜形狀或者梯度材料的零件，且由于大型裝備成形不均，能耗高與污染重，導致其成品率低，成本極高。
增材制造技術是一種短流程的制造技術，但其在制造過程當中沒有經過熱鍛加工，組織性能存在各向異性，難以直接獲得高強韌性的鍛件。由此可見，傳統技術無法短流程整體制造復雜鍛件，而增材制造技術又難以制造高疲勞壽命鍛件，能否發明高疲勞壽命高端鍛件短流程整體制造技術成為重大挑戰。
微鑄鍛銑復合增材制造技術——
· 原理創新?；跁r空交變剛柔性能量場作用的非平衡加熱凝固與半固態變形再結晶的熱力學過程宏微觀機理研究，發明“鑄鍛同步、融合銑削”的半固態超短流程、復雜形狀與高疲勞性能并行創制的新方法。
· 工藝變革。發明自由時空可控多能場復合作用鑄鍛調質一體化、創制均勻等軸細晶大型復雜鍛件新工藝。
· 裝備發明。發明緊湊變胞微鍛機構、形貌缺陷原位檢測及修復系統集成新裝備，實現復雜鍛件高可靠性制造。
△自由成形 微鑄鍛復合成形
3D打印等軸細晶鍛態合金對比圖
靈巧變胞微鍛機構：同步作用于熔積剛凝固區，實現用不到一噸的機械力微鍛，與八萬噸鍛壓效果相當。
原位檢測及修復系統：發明了超聲和渦流復合原位檢測裝置，逐層原位檢測缺陷、發現后去除并修復，保證無缺陷成形。
形貌檢測與動態路徑規劃：開發在線形貌檢測和動態成形路徑智能規劃系統，保證少余量精確成形。
——Scripta Materialia明確表示，張海鷗團隊微鑄鍛銑同步復合制造（HDMR）技術系天昱智造團隊首創，不同于英國Cranfield大學的電弧增材-冷軋串行技術。
問答摘要：
沈真：張教授您好，我對您的研發成果很感興趣，因為中國飛機零件特別是單一鍛件，一直是航空航天領域十分關注的事情，您的這個裝備能打印的最大尺寸是多大？
張海鷗：我們目前可以打印大到4米左右，將來還會更大。
沈真：因為大鍛件還有一個很重要的問題是疲勞壽命的問題，那么制件疲勞性能怎樣？
張海鷗：我們這項技術采用電弧和等離子弧技術，冶金過程非常充分，在韌性、疲勞性能方面，相對于其他技術來講有更好的性能和優勢。我們的檢測結果也表明，在疲勞性能以及損傷容限方面確實高于傳統技術也高于其他的技術，這是我們技術特點，在強度方面并不是特別突出，但是在塑性、韌性、疲勞性能方面有很大的優勢。
陳志平：我對成本比較感興趣，跟傳統鍛造工藝比較，你們的技術大概節省多少成本？
張海鷗：這分很多方面。從能耗來講大概節約70%以上，因為在生產中我們進行了實測，比如中航工業的一個起落架，我們工藝的能耗是傳統工藝的10%。另外從過程來講，我們的采用的是電弧，熱源里面最便宜的，所用的絲材的價格也相當便宜，是粉材的十分之一。目前來講，總成本不會高于模鍛，而將來隨著規模的擴大，成本會繼續下降。
陳志平：我們對傳統鍛造比較熟悉，它具有三個維度的壓力，你們的技術也是這樣的嗎？
張海鷗：我們也可以做到三個維度，有像萬能軋機這樣一種裝置，保證在成形過程當中處于三向壓力的狀態，性能得到很大的提高。
陳志平：設備投入大概是什么量級？
張海鷗：這樣說吧，美國西亞基公司做電子束成形的，他們成形尺寸跟我們差不多，它號稱要500萬美元。我認為我們設備的功能和價值遠高于它，你可以以此來來做一個參照。
陳志平：您如何從商業適應性的角度評價您的技術？
張海鷗：我們開創了“邊鑄邊鍛”技術，開拓了新的市場，主導了增材制造市場的差異化，至于長久的未來，基于我們技術的市場會越來越大，我們的產品性價比也會領先于市場。
張嘉振：您提到了很多C919飛機上的需求，對我們來說最關鍵是適航復合性，說白了就是穩定性，穩定性怎樣，有沒有評估，內部和測試呢？
張海鷗：我們正在進行測試，這個是很不容易的事情，這是所有企業都要努力的方向，適航不是一次做成，要做10次甚至更多，過程相當漫長。單講穩定性的話，我們的技術在塑性、韌性、疲勞性能方面尤其突出，這就足以說明了其穩定性。
張嘉振：與挪威鈦公司（Norsk Titanium）、航天211比較，你們有哪些優勢？
張海鷗：挪威鈦公司采用的是等離子技術，通過融化金屬絲后層層堆積的方式構建3D實體。以前我們也做過等離子，后來放棄了，因為當時都采用粉末，粉末比較貴，而現在挪威鈦公司用該技術實現了金屬絲材融化堆積，確實取得了較大的突破，但是他的設備成本是比我們高的，加上它沒有復合塑性，余量和變形難以做到精確。
跟我們技術最近似、最有可比性的其實是英國克蘭菲爾德大學的技術，他們跟我們一樣采用電弧增材的方式，不同的是，他們熔積一層結束以后，再進行軋制，效率比較低，整體不均勻。我們是邊熔邊鍛，可以得到非常均勻的超細等軸晶?？颂m菲爾德大學的威廉姆斯教授今年也來過我們公司，他認為我們這個方式在效率成本方面優于他們，但他們是冷軋技術比較穩定，其實我們已經克服了技術難題，兩者穩定性是一樣的。
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