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浅谈所谓的‘3D’打印技术
送交者: QL[♂秀才♂] 于 2019-02-12 10:40 已读 2784 次 4 赞  

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前年,在下接到过两次会议通知,中国在四川德阳举办"三D打印"技术的技术博览会,其中列了近十位"主题演讲",受邀的演讲者多是"国家千人" (注: 国家千人计划的受聘者),包括作者的一位于数年前回国效力的老朋友。仔细一看,中国数所主要的工科大学  (今后“院校"这个词被消失了) 几乎无一例外地增设了这个岗位。这个话题值得谈一谈。6parker.com

材料在人类文明进程中发挥着巨大作用。上世纪八十年代时,材料更是与能源和信息一起被预期为本世纪的"三大支柱"。正像是"巧媳妇做有米之炊",材料科技包括研制新材料,和开发现有材料和新材料的制造(manufacturing)技术。"三D打印"是材料的一种新的成型技术。这个名词是"喷墨打印"的概念延伸,它是以平面打印的方式制造三维的固体部件的一种生产技术。它被用来制造己知尺寸与形状的零件或物体,所用材料是能够以凝固成形(高温下为流体、室温下为固体)的材料,包括金属和一部分塑料(热塑性塑料)。6parker.com

金属材料的成型技术有多种。铸造和焊接是液态成型技术,锻造和压力加工(合称锻压)是塑性变形成型技术,粉末冶金是另外的一种。如今的"三D打印"是"增材"制造技术(increment manufacturing)或增材成型技术(后者更准确)的俗称,这样讲是为了让更多的人明白。它的技术流程是这样的,将所用的金属合金先预制成粉末,将待制造的零件先做三维测量并制作数值化计算机程序。然后,这台"打印机"按照设计好的平面打印方式,将立体的零件逐层打印出来,其中以高能激光束将由打印"喷头"射出的粉末熔化,被熔化的粉末与固体母体溶为一体并固化。如此这般,它打印出来的可以是一尊维纳斯,也可以是一个形状或复杂、或简单的工业零部件。6parker.com

考虑其独特的能力,此技术被用于生产因形状复杂而难以成型的零件和力学性能更好的零件。例如,最先进的飞机机舱骨架是钛合金,比钢轻、比铝结实,以前仅在国外的某些军机上才有,像猛禽F22使用的是钛合金的铸件,还不是3D打印件。而中国的C919客机等多个机型上用的是3D打印的钛合金。3D打印的主结构比锻件、铸件更结实,且没有焊接结构的残余应力等安全隐患。另一方面,此技术仅适合于这些用途,因为传统的铸锻成型更高效。6parker.com

截止目前,中国的3D打印技术在某些工业领域暂处于世界领先地位。其实说这个领先不领先的,纯属扯淡!不领先了又如何?领先了又如何?只要所开发的技术能够满足国家需要,还一定值得在去显摆一下比欧洲、美洲落后还是先进吗?不过是满足了一些俗人的莫名其妙的虚荣心罢了。6parker.com

但是,增材制造技术确实对航空、航天的一些关键零部件的制造开创了一片新天地,特别是对于轻量化材料的新宠钛合金。为何这样讲呢?那就得先知道传统的钛合金是如何地难以制造。6parker.com

一个金属零件的制造经历了一系列的工艺环节:(1)冶炼出纯金属;(2)按照多种金属的最佳配比熔炼出含有多种元素的金属,成为合金(alloy); (3)将合金液体从高温浇铸成铸件或铸锭,其中铸锭需要轧制成板、棒、管、线或者型材;(4)所需要的热处理以获得满足使用要求的力学性能;(5)切削加工;(6)表面防护处理。对于钛合金而言,因为化学反应性极强,对于熔炼炉的炉衬材料腐蚀极大;铸造凝固时容易形成宏观和微观的化学成分不均匀,并且形成多种铸造缺陷,虽然这些问题也不是克服不掉;铸件和锻件往往需要留出比较大的切削加工余量,由此增大了加工量,而钛合金在所有常规金属合金(钢、铁、铝、铜、镍、钴)中是最难‘啃’的,还没有‘之一’;在铸造和锻造这两种传统的成型工艺中,铸造技术可以形成几何形状复杂的零件但力学性能差,锻造所获得的力学性能好但不能制造复杂的几何形状。3D打印技术的出现正是针对这些问题。例如,航空发动机的涡轮盘可以采用锻造和3D打印技术生产,前者就必须解决上述问题并且需要大吨位的水压机,而3D打印就把过程简易化了。当然,钛合金的3D打印技术也不是听上三周的课就可以学会的,原创更难,原创更难,原创更难。也需要解决许多实际问题。就目前达到的技术产业化水平而言,大截面、大尺寸、形状复杂的航空器部件已经实现了工业化生产,所测试的力学性能指标和工业应用质量不次于传统工业品。6parker.com

另外,3D打印不同于‘烧结’。烧结是制造硬质合金的传统技术,它把硬的陶瓷颗粒和软韧的金属粉末混合后在高压高温下成型,依靠液态金属作为粘结剂把固体的陶瓷颗粒粘合为一个整体,而3D打印是全液化、全凝固的过程。6parker.com

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