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我國3D打印領域的三大重要成果

發表時間:2021-04-07 11:13:03

  我國在3D打印技術上過去幾年一直鮮有突破,這讓許多發達國家趁虛而入,竭力打通我國3D打印的行業市場,并進行技術壟斷。但隨著我國整體科技研發水平的提升,這種局面正被逐漸打破。今天,請大家和小編一起來領略我國3D打印科技領域獲得的幾大重要成果!

  我國首臺太空3D打印機正式曝光

  中科院重慶研究院與中科院空間應用中心近日共同研制成功我國首臺空間3D打印機,并于日前在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗,其可打印最大零部件尺寸超過美國國家航空航天局(NASA)3月26日運至國際空間站的升級版3D打印機打印尺寸。記者在中科院重慶研究院看到,一臺保險箱大小的3D打印機,打印出不同類型的零部件,包括扳手、螺帽、連接桿等。無論如何傾斜,這臺空間3D打印機都能正常工作。

  中科院重慶研究院智能制造技術研究所副所長、3D打印技術研究中心主任段宣明介紹,經過兩年努力,該院與空間應用中心研發出我國首臺空間3D打印機,可打印最大零部件尺寸達到200×130mm,該尺寸是NASA首臺空間在軌打印機打印尺寸的2倍以上,并超過今年3月26日NASA運至國際空間站的升級版3D打印機打印尺寸。
                       我國3D打印領域的三大重要成果

  該3D打印機曾在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗,通過93次失重測試,驗證了微重力環境下3D打印裝備的關鍵技術與工藝,實現了塑料和復合材料兩種材料,以及失重、超重和正常重力3類工藝參數的4種模型的微重力打印,獲得了微重力環境對3D打印工藝參數影響的實驗數據,為我國2020年完成空間站建造及后期運營奠定了基礎。而空間在軌3D打印制造是解決空間站維修保障需求的有效方法,是完成未來深空探測任務的必要保證。

  據了解,在沒有空間在軌3D打印制造技術前,空間站需要準備和儲存備用零部件用于維修和更換,如果缺乏備用件,只能通過貨運飛船運抵空間站,時間長,花費高。段宣明教授說,空間3D打印制造技術的打印速度為10—30毫米/秒,可以在一到兩天內打印出需要更換的零部件,且適用于絕大部分零部件,在空間站運營、深空探測等任務中有不可或缺的作用,能方便、快捷地幫助宇航員在失重環境下自制所需的實驗和維修工具及零部件,大幅度提高空間站實驗的靈活性和維修的及時性,減少空間站備品備件的種類、數量及運營成本,降低空間站對地面補給的依賴性。

  領跑全球:武漢造最大激光3D打印設備

  近日,由武漢光電國家實驗室(籌)完成的“大型金屬零件高效激光選區熔化增材制造關鍵技術與裝備(俗稱激光3D打印技術)”順利通過了湖北省科技廳成果鑒定。深度融合了信息技術和制造技術等特征的激光3D打印技術,由4臺激光器同時掃描,為目前世界上效率和尺寸最大的高精度金屬零件激光3D打印裝備。該裝備攻克了多重技術難題,解決了航空航天復雜精密金屬零件在材料結構功能一體化及減重等“卡脖子”關鍵技術難題,實現了復雜金屬零件的高精度成形、提高成形效率、縮短裝備研制周期等目的。

  據了解,華中科技大學武漢光電國家實驗室教授曾曉雁領導的激光先進制造研究團隊,在國家863和自然科學基金項目等資助下,經過十年的長期努力,在SLM成形理論、工藝和裝備等諸多方面取得了重要成果,特別是突破了SLM成形難以高效制備大尺寸金屬零件等瓶頸。此前,我國在SLM技術領域與國際先進水平相比有較大差距,大部分裝備依賴進口。項目率先在國際上提出并研制出成形體積為500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造裝備,它由4臺500W光纖激光器、4臺振鏡分區同時掃描成形,成形效率和尺寸迄今為止同類設備中世界最大。

  此外,項目還攻克了多光束無縫拼接、4象限加工重合區制造質量控制等眾多技術難題,實現了大型復雜金屬零件的高效率、高精度、高性能成形。首次在SLM裝備中引入雙向鋪粉技術,其成形效率高出同類裝備的20-40%,標志著我國自主研制的SLM成形技術與裝備達到了國際先進水平,所研制的零件不僅大大縮短了產品的研制周期,簡化了工序,更重要的是將結構-功能一體化,獲得性能優良的、輕質的零件。

  SLM技術成形精度高、性能好、且不需要工模具,屬于典型的數字化過程,目前在復雜精密金屬零件的成形中具有不可替代性,在精密機械、能源、電子、石油化工、交通運輸等幾乎所有的高端制造領域都具有廣闊的工業應用前景。經過質詢與討論后,鑒定委員會一致認為該項目在SLM整體技術達到國際先進水平,其中在SLM裝備的成形尺寸和效率達到國際領先水平,并建議進一步拓展材料與裝備的應用范圍。

  中國航發破世界頂級技術令俄都登門求購

  由中國華中某科技大學研發的大型3D打印技術應經通過了國家驗收,這說明這種世界上效率最高,打印尺寸最大的高進度金屬零件加工技術已經可以進入到實際應用中。而且這種大型裝備可以為我國的航空航天高精尖金屬零件的研制和生產上鋪平道路,甚至起到推倒”把脖子“技術瓶頸的至關重要的作用。這對中國航空發動機制造來說絕對是個好消息!

  未來這種大型3D打印技術最主要的應用就是在發動機關鍵金屬部件上使用,比如航空發動機的葉片,航天火箭燃料泵的渦輪等加工要求精度高,加工復雜的金屬件上。一次性高精度成型,無論是樣品試制的時間或者直接量產時間都會成倍的縮短。尤其是現在航空航天設備都要求輕量化、可靠性要求高,壽命要長、成本更低的方向發展,所以這種大型3D打印設備的應用空間非常廣泛。這回中國攻克3D激光打印技術,全稱為“大型金屬零件高效激光選區熔化增材制造裝備“,其實是一種采用自動鋪金屬粉末堆疊后使用激光融化后再成型技術,簡單的說就是類似于玩蠟燭一樣。加工精度高,后期不需要過度加工,所以廣受國際上新材料領域的追捧,不過大家也都清楚的了解到這種技術在制造大型設備領域存在成型效率低,成型尺寸小的缺陷,所以誰能率先攻克大尺寸高效率的3D打印技術,誰就可以獲得領先地位。

  目前歐美國家已經開始試驗使用3D金屬打印技術來打印發動機葉片的工藝,不過受制于效率問題,只是處于試驗階段尚未拖入量產,這正是中國可以大有作為的領域。由于中國在大功率激光器領域具備國際領先優勢,所以在核心部件上不存在被人制約的情況。而且打印所需的鈦合金、不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金粉末都可以完全自主國產,所以中國在3D金屬打印領域取得了相當大的成績?,F在國產的火箭發動機、運載火箭、衛星、導彈、20多個號產品上都有中國3D金屬打印產品。

  長期以來,在渦扇發動機領域的發動機葉片要承受高溫和高壓的持續炙烤和離心拉伸。而且要求具備良好的抗氧化性能和耐疲勞程度和拉伸韌性。以前發動葉片生產是需要采用定向凝固法才可以實施,加工復雜成型難度大。這種加工方法是正常澆注時配合電磁鐵產生定向磁場讓高溫合金緊密排列。加工難度大,制造復雜,所以最適合先進3D打印技術進行替換升級。中國目前掌握的這項技術,不僅可以為中國的戰斗機的發動機葉片進行升級改造,同時對于中國大飛機的發動機研制和其他結構件的制造打開一片新的思路。

  在傳統發動機領域,俄羅斯確實是中國師傅輩,但是在新型材料和制造技術領域,俄羅斯卻一直是個短板,尤其是3D打印領域,俄羅斯一直沒有把它列為國家戰略。所以俄羅斯很多有技術積累的公司都主動和中國展開技術合作。當聽說中國把3D打印技術列為國家戰略后,甚至相當迫切的直接找上門來跟中國在這些領域建立聯合實驗室開發研究。此次俄羅斯總統普京在訪華行程中,就會有關于新型制造業的合作討論,有充分理由相信大型3D金屬打印技術也會列入此番合作意向中,很有可能會實現中國制造對俄再出口,這無疑將會是繼船用發動機、大型補給設備后另一項突破性進展。

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