3D打印結合熔覆-擠壓工藝是更有效益的智能制造
在4月9日舉辦的2016河南省智能制造高峰論壇上，來自高校、企業界的專家、學者圍繞“中原崛起與智能制造3D打印產業發展的新機遇”的主題分別建言獻策。其中，3D打印和機器人產業作為兩大智能制造的代表性產業成為專家討論的焦點。
清華大學材料成形制造自動化研究所所長、第一任清華大學生物制造研究所所長顏永年教授表示發展智能制造是推進中國制造走向中高端的必經之路。制造業是我國的基礎工業，在生產過程中，借助智能制造可節省材料、減少排放、節約時間。3D打印技術本身就屬于智能制造，不能為了智能而智能，而需要與傳統技術相結合，才能產生很大的經濟效益。3D打印在線認為永年激光的3D打印熔覆-擠壓就是很好的案例，在此次論壇上，嚴永年教授就《3D打印熔覆-擠壓的 原理、工藝和應用》也給大家做了分享。
3D打印金屬激光熔覆(LC——Laser Cladding/電子束熔覆(EC——Electron beam Cladding) 技術，完成無偏析的高端優質坯件，再與現代熱擠壓工藝相結合，通過高溫高壓閉式擠壓，獲得高端重型和大型結構件。這種金屬激光熔覆制坯-熱擠壓最終成形的創新工藝稱為熔覆-擠壓(C-E ——Cladding-Extrusion)工藝。C-E先進成形工藝是用于高端裝備制造的工藝，在航空、電力、高鐵、海洋、核電和軍工領域具有廣闊的應用前景。
其中，熔覆(Cladding)是指，在高能量密度的束流(激光束和電子束)作用下，在材料表面產生的冶金過程，其與3D打印的原理相結合，一層又一層地熔覆(增材成形)，即形成LCD——Laser Cladding Deposition(激光熔覆沉積)工藝和 EBAM——Electron Beam Additive Manufacturing(電子束增材制造)工藝。在LCD噴頭中，激光束經透鏡被聚焦到熔覆件的表面，形成微熔池，同時金屬粉末也同步送到微熔池中，迅速熔化，并隨熔池離去而迅速冷卻，完成熔覆，連續進行此過程即LCD過程。EBAM過程與此類似，將激光束流換成電子束流、金屬粉換成金屬絲即可。
3D打印熔覆工藝的優勢
采用LCD和EBAM工藝成形金屬構件，特別是重型構件，優點明顯：熔覆成形過程自動保證了結果的無偏析，熔覆所得坯件結構形狀合理，可最好地滿足后續熱擠壓之需，而不是粗造的自由鍛件。詳細分析如下：
A. 熔覆工藝以小型冶煉系統生產的金屬粉末或絲材為原材料，而不是以數十噸或數百噸真空冶煉和真空鑄錠系統而得的重型鋼錠為原材料，這就節省了巨額投資和建設周期，大大降低成本，
B. 熔覆工藝成形制造的無論是坯件還是最終結構件，其材料利用率可從傳統自由鍛工藝的20~30%(核電結構件)提高到50~60%，節省大量的寶貴材料，節省材料就是節省能源;
C. 無偏析(Segregation-free)，這是以金屬粉末和絲材為原材料的3D打印熔覆工藝的共同特點。無數金屬粉末在微熔池中迅速熔化并凝固“組裝”而成形，就從根本上消除了巨大體量金屬熔體，凝固形成之嚴重偏析，它為獲得成分均勻和性能優良的成形件的奠定了基礎。既然無偏析，也就無需開坯鍛造工藝，節省大量的設備、能源和材料。
D. LCD和EBAM可完復雜的結構的成形，這是增材成形最重要的優點——“柔性”，可成形形狀合理，符合擠壓工藝需要的坯件，保證擠壓工藝的順利進行。圖3為美Sciaky公司采用EBAM工藝完成的6米×1.2米×1.2米大型構件照片，圖4為美Lasertec公司采用LCD技術完成整體葉輪。
熔覆工藝LCD和EBAM 的“先天不足”
激光熔覆和激光熔化技術完成的成形件，并不能全部達到高端結構件對機械性能嚴格的要求。熔覆工藝雖然因快速非平衡冷卻，較容易成細小、均勻、等軸的晶粒，因而均可保證σb(斷裂極限)，σs (流動極限)超過各種鑄造工藝的強度，接近或達到鍛造的強度。然而激光熔覆成形畢竟仍是一種液態凝固的成形過程，這是一種“先天不足”，主要表現在成形件的塑性不夠。主要原因在于缺少在熱-力耦合作用下，迫使金屬產生塑性流動，而發生的動態再結晶過程。只有動態再結晶，才能不但徹底破碎枝晶、非金屬氧化物、閉合裂紋和空洞，而且還修復晶界，這就為獲得優良的組織及性能奠定了金屬學和熱力學基礎。大量的實驗證明：LCD成形工藝而δ(流動極限)ψ(斷面收縮率)往往達不到鍛件的水平，最終沖擊韌性ak必受很大的影響，達不到要求。發明LENS技術的美Sandia國家實驗室，將各種材料的激光熔覆成形樣品與鍛造退火樣品比較，就能說明問題。他們公布4組實驗結果，就有一組718鎳合金的LENS工藝之δ值僅16%，比鍛造退火值的20%，差得較多，見表3 。我國華南理工大學楊永強教授對鎳鉻合金的工藝實驗證明，激光熔化樣品的延伸率僅為4%，遠達不到鍛造8%的水平。本團隊的高溫合金的激光熔化(SLM工藝)實驗結果也證明，SLM的延伸率δ和斷面收縮率ψ達不到先進熱擠壓的水平。
永年公司成果簡介
激光熔化設備：
1、通用型激光熔化設備YLMs-300 型 小批量生產
2、小型激光熔化設備YLM-120 型 大批量生產
激光熔融設備：
1、機械臂激光熔覆設備
特點：成形空間大，操作靈活，采用進口熔覆頭及機器人系統，保證成形精度，成形精度可以達到0.5mm。
優勢：公司自主開發了分層及格式轉換軟件，取代了KUKA離線編程軟件。
2.數控銑床式熔覆設備
設備由公司自主集成，主要部件全部采取德國進口。采用4000W光纖激光器，能量密度高、輸出功率波動范圍小，送粉均勻，保護氣流量穩定可控。
3.大型橋式熔覆設備
擁有2×1.5×0.7m的超大成形空間，數控機床的精度優于機器人手臂，更能保證成形的精度和質量
4.大型車床式熔覆設備
顏永年，江蘇永年激光成形技術有限公司董事長，清華大學教授、博導,從事材料成形研發40多年。第一任清華大學材料成形制造自動化研究所所長，第一任清華大學生物制造研究所所長，江蘇省增材制造專委會理事長，中國3D打印技術產業聯盟首席顧問，國內較早從事3D打印技術研發的專家之一，曾獲國家科技進步獎二等獎兩項，三等獎一項，省、部級獎五項和其它各種獎項幾十項，承擔并完成了多項國家自然科學重點基金、國家863計劃及企業的橫向合作任務。顏教授帶領的研發團隊在三維打印技術的工藝、設備、控制等方面取得了豐碩的成果，其中熔融擠壓成形工藝的3D打印技術已在北京產業化，面向國際化生產。位于昆山的江蘇永年激光成形技術有限公司主營的金屬3D打印設備產品與非金屬3D打印設備產品相比，其技術難度和應用價值更高，可將金屬粉末直接融化、燒結、燒覆，做出技術復雜的金屬零件，在模具、航空航天、汽車制造領域應用廣泛。
(責任編輯：admin)
未來，3D打印將為供應鏈帶
選區激光熔化SLM過程中打
3D打印熱潮已過，下步將如
干貨：3D打印在一汽大眾汽
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