我國激光立體成形技術(shù)世界領(lǐng)先
激光立體成形是能夠滿足成形/成性一體化極限需求的增材制造技術(shù)
自立體光刻技術(shù)誕生以來，產(chǎn)生了很多構(gòu)思奇妙的增材成形制造技術(shù)，對社會生產(chǎn)力的發(fā)展起到了極大的推動作用。但大多數(shù)增材成形技術(shù)主要是應(yīng)用于快速原型制造，所以一度被冠以“快速原型”技術(shù)的名稱。但增材成形原理絕非只能用于成形，也可以解決高性能的需求。激光立體成形技術(shù)就是一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體化制造技術(shù)。激光立體成形技術(shù)是將增材成形原理與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，集激光技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和材料技術(shù)諸多現(xiàn)代先進技術(shù)于一體的一項實現(xiàn)高性能致密金屬零件快速自由成形的增材制造技術(shù)。
20世紀90年代以來，材料加工技術(shù)發(fā)展前沿呈現(xiàn)了一個明顯的趨勢，即追求短流程、低消耗、高柔性、環(huán)境友好、成形與組織性能控制一體化的先進技術(shù)。這種趨勢反映的是需求的極限化要求，即同時滿足多方面高端需求。這種極限化的需求在很多領(lǐng)域反映出來，而尤以航空航天領(lǐng)域為典型。航空航天領(lǐng)域的金屬材料加工技術(shù)的典型前沿需求是兼顧高精度、高性能、高柔性與快速反應(yīng)，成形結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的薄壁金屬零件。盡管鑄、鍛、焊、粉末冶金等各種傳統(tǒng)技術(shù)都被努力發(fā)揮到近于極限，但由于其各自的技術(shù)原理所帶來的根本性限制，依然難以滿足這種極限化需求，這常常成為制約航空航天整體技術(shù)發(fā)展的瓶頸。激光立體成形技術(shù)，作為一種快速自由成形高性能致密金屬零件的新技術(shù)，為解決同時滿足上述多方面高端需求的難題提供了一條全新的技術(shù)途徑。這項技術(shù)在醫(yī)學植入體、船舶、機械、能源、動力領(lǐng)域復(fù)雜整體構(gòu)件的高性能直接成形和快速修復(fù)等領(lǐng)域也都有廣闊的應(yīng)用前景。
同批量化制造相比，滿足多樣化需求的個性化制造本質(zhì)上是高成本的。信息化增材制造與采用常規(guī)制造技術(shù)來滿足多樣化和個性化需求相比，成本已經(jīng)得到了極大的降低，但同批量化制造相比其成本仍然更高。因此，除了在新品研制和航空航天等可以承受較高制造成本的高端領(lǐng)域外，激光立體成形技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展還受到較大的限制。但任何新技術(shù)的發(fā)展都有一個從初期的高成本逐漸降至低成本的過程。激光立體成形有進一步降低制造成本的廣闊空間。一方面，激光器及其運行成本在不斷降低；另一方面，隨著人力成本越來越高，激光立體成形相對于需要大量人力的傳統(tǒng)加工技術(shù)的成本會變得越來越低。在現(xiàn)階段，激光立體成形還主要是在要求高性能、小批量、快速反應(yīng)的零件生產(chǎn)的場合具有競爭力，而未來在批量生產(chǎn)領(lǐng)域的競爭力也會逐漸增強。
西北工業(yè)大學激光立體成形C919飛機翼肋緣條。
增材制造/激光立體成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
近年來，激光立體成形技術(shù)得到發(fā)達國家政府、大企業(yè)和研究機構(gòu)的高度重視。作為美國制造業(yè)振興計劃“WeCan，tWait”項目的一部分,美國政府于2013年8月高調(diào)宣布成立國家增材制造創(chuàng)新研究所(NAMII：NationalAdditiveManufacturingInnovationInstitute)，其第一階段的政府和民間投資為7000萬美元。奧巴馬總統(tǒng)強調(diào)這個研究所的成立是強化美國制造業(yè)的步驟。在空客于2006年啟動的集成機翼計劃(IntegratedWingATVP，第一階段總經(jīng)費3400萬英鎊)中，英國焊接研究所(TWI)承擔起落架激光成形研發(fā)工作，經(jīng)費400萬英鎊，TWI為此建立了兩套激光成形裝備。南非科技與工業(yè)研究院(CSIR)下屬的國家激光中心與南非航空制造公司Aerosud將合作開展Aeroswift項目研究。Aeroswift的目標是，自主開發(fā)高速度、大體積的高性能金屬零件激光添加材料制造(LAM)系統(tǒng)，為全球航空工業(yè)制造鈦金屬材料配件，并力爭在未來三年內(nèi)，使Aerosud成為全球航空結(jié)構(gòu)材料制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。Aeroswift的目標是直接加工2m×0.5m×0.5m的零件。為此，南非科技部已經(jīng)投入了2800萬蘭特(約合1712萬元人民幣)，并且預(yù)計他們的LAM制造體系將在2012年底至2013年初完成組建和試驗工作，然后開始優(yōu)化和工藝鑒定，希望從2015年開始全面生產(chǎn)。
美國波音公司、洛克希德·馬丁公司、通用電氣航空發(fā)動機公司、Sandia國家實驗室和LosAlomos國家實驗室、歐洲EADS公司、英國羅羅公司、法國SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大國家研究院、澳大利亞國家科學研究中心等大型公司和國家研究機構(gòu)都對激光立體成形技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量研究工作。參與這項研究的世界著名大學更是數(shù)不勝數(shù)。
值得注意的是，美國軍方對這項技術(shù)的發(fā)展給予了相當大的關(guān)注，在其直接支持下，美國于2000年率先將這一先進技術(shù)實用化。應(yīng)用目標包括先進飛機承力結(jié)構(gòu)件如鈦合金支架、吊耳、框、梁等，航空發(fā)動機零件如鎳基高溫合金單晶葉片，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、超音速飛行器的薄壁結(jié)構(gòu)件如導(dǎo)彈制導(dǎo)部外殼座、導(dǎo)彈姿態(tài)控制系統(tǒng)的錸燃燒室等。2002年10月該公司獲得美國國防部后勤局(U.S.DefenseLogisticsAgency)出資1940萬美元，資助AeroMet公司由單純的技術(shù)研究開發(fā)到成為軍用及民用飛機的通過認證的、性能可靠的鈦合金結(jié)構(gòu)件激光立體成形制造供應(yīng)商的轉(zhuǎn)變。