激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)的發(fā)展

□ 樊恩想 □ 劉小欣 □ 吳歡歡

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 激光選區(qū)熔化概述

增材制造應(yīng)用軟件對三維模型進行切片,對材料按照切出的二維輪廓進行逐步堆疊,形成三維實體。增材制造技術(shù)是一項融合激光、電氣、機械、材料、軟件、控制、仿真、檢測等多學(xué)科的跨領(lǐng)域新型加工技術(shù),具有無模具、加工柔性高等特點,適合生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或高附加值產(chǎn)品,同時在產(chǎn)品未定型初期能起到加快設(shè)計與驗證效率的作用。相比傳統(tǒng)加工方式,如機加工、鑄、鍛、焊、粉末冶金等,增材制造加工方式的市場體量還比較小。2020年,增材制造全球市場達到150億美元,我國市場達到200億元人民幣。增材制造未來市場增長潛力強勁,預(yù)計會以超過20%的年增長率持續(xù)發(fā)展[1]。增材制造的材料主要分為高分子、金屬及陶瓷三大類,其中,專注做金屬加工的激光選區(qū)熔化是最有前景的增材制造技術(shù)之一[2]。

目前,激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)已在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如太空探索技術(shù)公司的火箭氧化劑閥體、通用電氣公司的發(fā)動機燃油噴嘴、中國商飛公司的艙門零件等,如圖1所示。激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)同時在醫(yī)療、汽車、模具、文創(chuàng)、珠寶等領(lǐng)域也已有較多應(yīng)用[3]。

▲圖1 激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

增材制造技術(shù)不受加工條件限制,可以最大程度釋放工程師設(shè)計理念。工程師不再將增材制造技術(shù)視為一項僅快速響應(yīng)加工復(fù)雜零件的技術(shù),而是認可增材制造的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新功能,逐步培養(yǎng)自身的增材制造設(shè)計思維[4],將產(chǎn)品設(shè)計為符合增材制造加工特點的結(jié)構(gòu),從而使產(chǎn)品呈現(xiàn)出一體化、仿生化、定制化等新價值。

增材制造特有的拓撲加點陣[5]、格柵加復(fù)雜內(nèi)流道的兩類結(jié)構(gòu)設(shè)計更加成熟,如圖2所示。前者可以在宇航、汽車等領(lǐng)域的輕量化中發(fā)揮更大優(yōu)勢,如動力燃料電池鋁端板減重。后者可以在熱交換等方面實現(xiàn)新突破,如配套的增材制造微型散熱器,有助于解決功率半導(dǎo)體散熱瓶頸問題。增材制造微型散熱器如圖3所示。應(yīng)用增材制造技術(shù)制備動力鋰電池格柵結(jié)構(gòu)電極,實現(xiàn)模組一體化,理論上可以提高能量密度與功率密度,為新能源汽車續(xù)航與超充打下基礎(chǔ)[6]。

▲圖2 增材制造特有結(jié)構(gòu)▲圖3 增材制造微型散熱器

3 專用材料

激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)是一種材料高性能制備技術(shù),要發(fā)揮出超過傳統(tǒng)加工方式的材料性能,需要開發(fā)專用的激光選區(qū)熔化增材制造材料。針對特定的激光選區(qū)熔化增材制造機,開發(fā)出與之匹配的低成本、高性能粉末原材料,以專機加專粉的模式保證性能穩(wěn)定。市面上材料商、設(shè)備商、打印服務(wù)商獨立運作,是導(dǎo)致當下打印材料性能不穩(wěn)定的原因之一。雖然激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)的極冷極熱加工特點不同于傳統(tǒng)加工方式,但是激光選區(qū)熔化增材制造材料還是沿用傳統(tǒng)加工方式的材料體系,材料與加工工藝不匹配是導(dǎo)致打印性能不穩(wěn)定的原因之二。針對激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)加工特點,結(jié)合產(chǎn)品最終服役工況,開發(fā)專用材料是推動激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點。激光選區(qū)熔化增材制造專用鈷鎳高溫合金[7]和含鈧鋁合金[8]給激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)提供了更大的應(yīng)用空間。

當下熱門的新材料,如石墨烯、納米氧化物增強復(fù)合材料、輕質(zhì)鋼、銅合金、高強鋁合金、可降解醫(yī)用鎂或鋅合金、醫(yī)用鉭、鈦銀或鈦銅合金、阻尼錳銅合金、純銀、鎢、非晶合金、高熵合金、陶瓷等,與激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)結(jié)合,可以實現(xiàn)新的價值增長點。

在功率半導(dǎo)體散熱新材料開發(fā)領(lǐng)域,利用激光選區(qū)燒結(jié)增材制造技術(shù)已成功合成碳化硅功率半導(dǎo)體散熱板。由此可見,同樣為激光加工技術(shù)的激光選區(qū)熔化,同樣具備將混合粉合成新材料的能力,即激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)不單單是一種結(jié)構(gòu)加工技術(shù),還是一種新材料合成技術(shù)。

4 設(shè)備升級

相比傳統(tǒng)加工方式,目前激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備的不足是加工效率低,僅為30～200 cm3/h;設(shè)備成本高,300 mm通用型設(shè)備大約需150萬元;成品率不高,為50%～95%。發(fā)展更多激光頭是主機商提升激光加工效率的必然趨勢,發(fā)展過程監(jiān)控及反饋調(diào)節(jié)是提升打印質(zhì)量、控制精度的途徑[9]。未來一段時間內(nèi),主機商將圍繞高效率、高精度、高性能、低成本進行相應(yīng)的激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備研發(fā),通用型打印設(shè)備將轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍毞謶?yīng)用領(lǐng)域的專用機型。除工業(yè)打印機器外,還可能會出現(xiàn)桌面級居家消費型金屬增材制造機。

為改善現(xiàn)有激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備的人機交互體驗,還需要圍繞粉材前后處理,配套粉末充裝、烘干、篩分、上料、清理、循環(huán)利用等裝置,或集成相關(guān)功能形成一體機,以保證激光選區(qū)熔化增材制造金屬粉材采用全封閉式操作。生產(chǎn)過程中以高效的自動化方式運行,在完成初期工藝穩(wěn)定工作后,設(shè)備就可以自主完成產(chǎn)品制備。

基于現(xiàn)有激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù),零件很少能夠直接應(yīng)用,大多還停留在坯料階段。在完成打印后,零件還需要進行熱處理、熱等靜壓、基板分離切割、計算機數(shù)控加工、表面拋光處理等工序,才能得到合格產(chǎn)品。為提升激光選區(qū)熔化增材制造產(chǎn)品整體解決方案能力,在工程師預(yù)留加工余量的基礎(chǔ)上,打印設(shè)備有兩個發(fā)展方向。第一,激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備與加工中心確定加工基準,實現(xiàn)獨立設(shè)備之間的信息互聯(lián)互通。第二,激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備集成必備的后處理功能,如增減復(fù)合一體等。

激光選區(qū)熔化設(shè)備的創(chuàng)新方向如下:① 參照微鑄鍛銑一體技術(shù)的同步改性激光選區(qū)熔化復(fù)合制造設(shè)備[10];② 參照三維印制增材制造設(shè)備的陣列式激光或陣列式鋪粉激光選區(qū)熔化設(shè)備;③ 參照電子束選區(qū)熔化增材制造設(shè)備的真空、高預(yù)熱且滿足堆疊打印的激光選區(qū)熔化設(shè)備,預(yù)熱溫度能夠達到500 ℃甚至更高;④ 參照螺旋式增材制造機的同步鋪粉與打印激光選區(qū)熔化設(shè)備;⑤ 參照西門子葉片增材制造激光修復(fù)案例,開發(fā)適用于進行激光修復(fù)的定制化激光選區(qū)熔化設(shè)備[11]。

5 數(shù)字化

如果沿用現(xiàn)有氬氣循環(huán)方式,激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備需要大量內(nèi)部風(fēng)場仿真工作,針對不同材料、工藝、設(shè)備特點,不斷優(yōu)化內(nèi)部氣流場,保證加工過程中燒損的碳化物等雜質(zhì)不回落至成型腔,確保粉材純度與打印材料性能。

目前,激光選區(qū)熔化增材制造過程是較為復(fù)雜的激光、保護氣氛、粉材、熔池等交互作用過程,相關(guān)機理尚不完善。為提高打印成功率,降低研發(fā)成本,必須依賴數(shù)字化仿真技術(shù)[12],進行熱應(yīng)力、熔池、工藝、結(jié)構(gòu)等的仿真,并借助虛實結(jié)合手段,通過仿真預(yù)打印完成材料缺陷與性能預(yù)測。激光選區(qū)熔化增材制造數(shù)字仿真如圖4所示。激光選區(qū)熔化增材制造過程鋪粉式加工原理如圖5所示。視覺能夠觀察的僅為當前加工頂層,零件已加工部分埋在成型腔內(nèi)部,借助數(shù)字孿生技術(shù),可以極好地展現(xiàn)零件加工進度、已加工部分熱循環(huán)狀態(tài)及組織演變情況,為工程師更好把控零件狀態(tài)提供依據(jù)。

▲圖4 激光選區(qū)熔化增材制造數(shù)字化仿真

因為具有全生命周期的數(shù)字化特點,增材制造技術(shù)為制造賦予更多可能性。相比傳統(tǒng)加工方式的設(shè)計與制造分離,增材制造技術(shù)可促使設(shè)計與制造融合,通過高通量的設(shè)計、制造與驗證,極大縮短產(chǎn)品定型周期。設(shè)計與制造一體化的新型研發(fā)方式已在通用電氣公司、西門子公司等知名企業(yè)中推廣,未來可以作為企業(yè)新的核心競爭力。

6 智能化

不同于傳統(tǒng)的逆向式設(shè)計,采用創(chuàng)成式設(shè)計,工程師設(shè)定起始參數(shù),計算機通過人工智能算法,不斷迭代調(diào)整獲取優(yōu)化模型。因為打破了傳統(tǒng)設(shè)計思維與加工限制,計算機給出的優(yōu)化模型往往是復(fù)雜結(jié)構(gòu),特別適合增材制造加工。創(chuàng)成式設(shè)計加增材制造將極大激發(fā)企業(yè)的創(chuàng)新熱情與活力。

▲圖5 激光選區(qū)熔化增材制造過程鋪粉式加工原理

國內(nèi)激光選區(qū)熔化增材制造打印調(diào)節(jié)與控制等核心軟件還明顯落后于歐美國家,如美國一公司通過精細工藝控制,能夠?qū)⒘慵谓嵌扔?5°減小至10°,甚至0°,實現(xiàn)無支撐打印,所見模型即所得實體。模型打印前處理軟件現(xiàn)被美國與比利時等國的公司壟斷。在大尺寸激光選區(qū)熔化增材制造激光搭接控制方面,德國的公司優(yōu)勢明顯。總體而言,激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)還需要大量有經(jīng)驗的工程師來參與零件制備,在打印過程中還缺少較佳的激光功率、鋪粉及熔池監(jiān)控功能。激光選區(qū)熔化增材制造過程監(jiān)控圖像如圖6所示。打印設(shè)備需要配備更多的信號采集器,配合圖像識別、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù),對打印過程中由點到線到面到體的海量數(shù)據(jù)進行處理,建立人工智能模型,實現(xiàn)設(shè)備的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)功能,最終使打印設(shè)備成為實時自適應(yīng)打印調(diào)節(jié)的智能化設(shè)備。除了打印過程智能控制外,激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)未來還可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、材料、工藝、后處理一體化智能解決方案。

7 跨學(xué)科跨領(lǐng)域發(fā)展

激光選區(qū)熔化增材制造不僅是一門技術(shù),而且是一個技術(shù)融合平臺,將機械設(shè)計、數(shù)字化仿真、新材料研發(fā)、智能算法控制、設(shè)備遠程運維、大數(shù)據(jù)處理等新舊技術(shù)融合在一起。現(xiàn)在國內(nèi)已有高校開辦增材制造學(xué)科及增材制造學(xué)院,教育部也在2021年2月將增材制造工程專業(yè)增設(shè)入普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄,相信未來增材制造技術(shù)一定會成為示范型跨學(xué)科跨領(lǐng)域的技術(shù)。

8 結(jié)束語

通過對市場規(guī)模及技術(shù)潛力等多方面分析,筆者認為激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)雖然受限于市場體量,目前還僅是傳統(tǒng)加工方式的一種有力補充,但是已能支撐企業(yè)進行制造能力轉(zhuǎn)型升級。隨著技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計與制造一體化新模式將成為企業(yè)的核心競爭力,創(chuàng)成式設(shè)計加增材制造將會是激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新與活力的新引擎,新材料加增材制造將刺激市場應(yīng)用,實現(xiàn)井噴式發(fā)展。結(jié)合大數(shù)據(jù)、邊緣計算、數(shù)字孿生、人工智能等新技術(shù),激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)將會成為未來智能工廠不可或缺的組成部分。

▲圖6 激光選區(qū)熔化增材制造過程監(jiān)控圖像