探訪全球最大工作面—激光燒結快速制造裝備

文/熊少翀 耿俊偉

探訪全球最大工作面—激光燒結快速制造裝備

文/熊少翀 耿俊偉

兩米多高、一米見方的大鐵箱子里，細細的激光束在薄層粉末上游走，鋪粉輥一次次把原料粉末均勻地平鋪在工作面上，這一幕不斷上演，旁邊的顯示屏上，顯示著三維結構的制件正一點點地“生長”出來。

這是近日記者在華中科技大學材料學院的快速制造中心，探訪該院副院長史玉升教授和他的團隊研發的激光燒結快速制造裝備時，實地見證該裝備工作時的神奇一幕。這臺裝備工作面達1.2米×1.2米，是目前世界上最大工作面的同類裝備。

專家表示，這一裝備與工藝的開發表明，我國快速制造技術處于國際領先地位，這也是我國在先進制造領域的一項新突破。

隨你所想 立體打印

激光燒結快速制造技術是一種集激光、機械、計算機、數控、材料于一體的新型先進制造技術。與傳統成形裝備不同的是，該裝備可以自動地通過軟件將任意復雜度的三維模型拆分成層層疊加的二維平面圖形，然后利用激光選擇性地將圖形區域的粉末材料燒結成形，最終層層疊加生長成為所需要的具有復雜結構的制件，相當于一個“立體制造打印機”，只需要三維模型，無需刀具和模具，就可以整體成形任意復雜度的制件。

史玉升介紹到，快速制造技術與傳統工藝相比具有獨特的優越性和特點。一是突破了傳統去除加工方法的限制，無需零件毛坯和大型鍛造、鑄造設備及模具，可實現材料設備與成形的一體化，顯著縮短零件制造周期、降低制造成本、提高材料利用率；二是在同一套生產系統上可進行不同材料零件的制造，具有廣泛的材料及設計適應性；三是整個生產過程數字化，可以方便地通過材料及工藝的調節與控制，實現多種材料在同一零件上的集成制造，滿足零件不同部位的不同性能需要；四是由于采用非接觸加工的方式，沒有工具更換和磨損之類的問題，無切割、噪音、振動以及廢水、廢料等排放，符合現代綠色制造理念。

快速制造技術原理

選擇性激光快速成形制造技術原理

砂芯

史玉升認為，快速制造技術是一種新型的數字化添加材料成形技術，對于產品的幾何形狀并沒有約束，可以說“只要你能想得到，我就可以做出來”。因此，設計零部件時可以采用最優的結構設計，而無需顧慮加工問題。而這正是快速制造技術最大優勢所在—拓展設計人員的想象空間，尤其是在航空航天、武器裝備、汽車等動力裝備結構復雜的高端領域。

多年攻堅 領先全球

華中科大從1991年就開始快速成形制造技術的研究，是國內最早從事此技術研究的單位之一，目前已在國際處于領先水平。

由史玉升和他的團隊研發的這臺裝備工作面達1.2米×1.2米，也是目前世界上最大工作面的同類裝備。國外該技術領域的主要裝備供應商是美國的3D systems公司和德國的EOS公司，3D systems公司裝備的最大工作面為0.55米×0.55米。EOS公司裝備的最大工作面為0.73米×0.38米。

激光燒結快速制造裝備工作面從小到大的發展，其難度就像“從小飛機到大飛機”的過程一樣。當工作面大到一定程度時，必須解決“大工作面溫度場均勻性”、“高效的掃描方法”及“高強度粉末材料的裝備與成形工藝”等業界公認的技術難題。團隊已先后申請發明專利20多項，獲發明專利10多項，軟件著作權多項，并在武漢濱湖機電技術產業有限公司實現了產業化。

經濟快速 前景廣闊

在快速制造中心的產業化基地—武漢濱湖機電技術產業有限公司，記者被擺在二樓展廳的一件鑄造用大型砂芯所吸引。

“這是一家著名公司委托我們加工的一款大型發動機缸蓋砂芯。你看，這個砂芯的結構非常復雜，里面有大量的管道，管道的細微調整都可能帶來發動機性能的巨大變化。研制一款新型發動機往往需要制造一系列具有細微差異的砂芯模具。”武漢濱湖機電技術產業有限公司副總吳澄指著砂芯告訴記者，該著名公司此前曾找到英國一家公司請其代為加工，但對方告知共需6個月時間、要價1000多萬元。

鑒于發動機研發的高度復雜性，巨大的時間和金錢投入，且最終不一定能夠得到符合實際應用的新型發動機產品，無奈之下，他們輾轉找到了華中科大快速成形制造中心，結果只用了1個月時間、花費20余萬元就研制出了滿足性能要求的大型發動機缸蓋鑄件。

目前，該裝備已成功應用到了航空航天、汽車發動機等多種高端領域，正在為我國企業高端技術的創新研發發揮著重要作用。由于快速制造技術最大的優點是對于制件的幾何形狀幾乎沒有約束，有望對航空航天、武器裝備、汽車等動力裝備等結構復雜的高端制造領域帶來革命性的影響。

據了解，激光燒結快速制造技術及裝備屬于“高檔數控機床與基礎制造裝備”的重要內容之一，也是“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”和“大型飛機專項”等國家科技重大專項研發內容的重要組成部分，還可以在“載人航天與探月工程專項”、“0901”和“0902”等國家科技重大專項中發揮作用。但目前國內工業界對其了解不夠，其應用前景還有待進一步開發。

激光燒結快速制造設備

責編／王圣媛