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增材制造的發展趨勢

大型整體鈦合金關鍵結構件成形制造技術被國內外公認為是對飛機工業裝備研制與生產具有重要影響的核心關鍵制造技術之壹。西北工大凝固技術國家重點實驗室已經建立了系列激光熔覆成形與修復裝備,可滿足大型機械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復和再制造。應用該技術實現了C919 飛機大型鈦合金零件激光立體成形制造。民用飛機越來越多地采用了大型整體金屬結構,飛機零件主要是整體毛坯件和整體薄壁結構件,傳統成形方法非常困難。商飛決定采用先進的激光立體成形技術來解決C919飛機大型復雜薄壁鈦合金結構件的制造。西北工大采用激光成形技術制造了最大尺寸達2.83m的機翼緣條零件,最大變形量<1mm,實現了大型鈦合金復雜薄壁結構件的精密成形技術,相比現有技術可大大加快制造效率和精度,顯著降低生產成本。  北航在金屬直接制造方面開展了長期的研究工作,突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術,解決了大型整體金屬構件激光成形過程零件變形與開裂“瓶頸難題”和內部缺陷和內部質量控制及其無損檢驗關鍵技術,飛機構件綜合力學性能達到或超過鈦合金模鍛件,已研制生產出了我國飛機裝備中迄今尺寸最大、結構最復雜的鈦合金及超高強度鋼等高性能關鍵整體構件,並在大型客機C919等多型重點型號飛機研制生產中得到應用。  西安交大以研究光固化快速成型(SL)技術為主,於1997年研制並銷售了國內第壹臺光固化快速成型機;並分別於2000年、2007年成立了教育部快速成形制造工程研究中心和快速制造國家工程研究中心,建立了壹套支撐產品快速開發的快速制造系統,研制、生產和銷售多種型號的激光快速成型設備、快速模具設備及三維反求設備,產品遠銷印度、俄羅斯、肯尼亞等國,成為具有國際競爭力的快速成型設備制造單位。  西安交大在新技術研發方面主要開展了LED紫外快速成型機技術、陶瓷零件光固化制造技術,鑄型制造技術、生物組織制造技術、金屬熔覆制造技術和復合材料制造技術的研究。在陶瓷零件制造的研究中,研制了壹種基於矽溶膠的水基陶瓷漿料光固化快速成型工藝,實現了光子晶體、壹體化鑄型等復雜陶瓷零件的快速制造。  西安交大與中國空氣動力研究與發展中心及成都飛機設計研究所合作開展了風洞模型制造技術的研究,圍繞測壓模型、測力模型、顫振模型和氣彈模型等方面進行了研究工作。設計了樹脂—金屬復合模型的結構方案,采用有限元方法計算校核樹脂—金屬復合模型的強度、剛度以及固有頻率。通過低速風洞試驗,研究了復合模型的氣動特性,並與金屬模型試驗數據相對比。強度校核試驗顯示,模型的整體性能良好,滿足低速風洞的試驗要求,研制的復合模型在低速風洞試驗下具有良好的前景。  復合材料構件是航空制造技術未來的發展方向,西安交大研究了大型復合材料構件低能電子束原位固化纖維鋪放制造設備與技術,將低能電子束固化技術與纖維自動鋪放技術相結合,研究開發了壹種無需熱壓罐的大型復合材料構件高效率綠色制造方法,可使制造過程能耗降低70%,節省原材料15%,並提高了復合材料成型制造過程的可控性、可重復性,為我國復合材料構件綠色制造提供了新的自動化制造方法與工藝。  AM已成為先進制造技術的壹個重要的發展方向,其發展趨勢有三:(1)復雜零件的精密鑄造技術應用;(2)金屬零件直接制造方向發展,制造大尺寸航空零部件;(3)向組織與結構壹體化制造發展。未來需要解決的關鍵技術包括精度控制技術、大尺寸構件高效制造技術、復合材料零件制造技術。AM技術的發展將有力地提高航空制造的創新能力,支撐我國由制造大國向制造強國發展。

我國在電子、電氣增材制造技術上取得了重要進展。稱為立體電路技術(SEA,SLS+LDS)。電子電器領域增材技術是建立了現有增材技術之上的壹種綠色環保型電路成型技術,有別於傳統二維平面型印制線路板。傳統的印制電路板是電子產業的糧食,壹般采用傳統的不環保的減法制造工藝,即金屬導電線路是蝕刻銅箔後形成的,新壹代增材制造技術采用加法工藝:用激光先在產品表面鐳射後,再在藥水中浸泡沈積上去。這類技術與激光分層制造的增材制造相結合的壹種途徑是:在SLS(激光選擇性燒結)粉體中加入特殊組份,先3D打印(增材制造成型)再用微航3D立體電路激光機沿表面鐳射電路圖案,再化學鍍成金屬線路。

“立體電路制造工藝”涉及的SLS+LDS技術是我國本土企業發明的制造工藝。是增材制造在電子、電器產品領域分支應用技術。也涉及到激光材料、激光機、後處理化學藥水等核心要素。目前立體電路技術已經成為高端智能手機天線主要制造技術,產業界已經崛起了立體電路產業板塊。