激光选区熔化增材制造技术的发展

□ 樊恩想 □ 刘小欣 □ 吴欢欢

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 激光选区熔化概述

增材制造应用软件对三维模型进行切片,对材料按照切出的二维轮廓进行逐步堆叠,形成三维实体。增材制造技术是一项融合激光、电气、机械、材料、软件、控制、仿真、检测等多学科的跨领域新型加工技术,具有无模具、加工柔性高等特点,适合生产复杂结构或高附加值产品,同时在产品未定型初期能起到加快设计与验证效率的作用。相比传统加工方式,如机加工、铸、锻、焊、粉末冶金等,增材制造加工方式的市场体量还比较小。2020年,增材制造全球市场达到150亿美元,我国市场达到200亿元人民币。增材制造未来市场增长潜力强劲,预计会以超过20%的年增长率持续发展[1]。增材制造的材料主要分为高分子、金属及陶瓷三大类,其中,专注做金属加工的激光选区熔化是最有前景的增材制造技术之一[2]。

目前,激光选区熔化增材制造技术已在航空航天领域得到广泛应用,如太空探索技术公司的火箭氧化剂阀体、通用电气公司的发动机燃油喷嘴、中国商飞公司的舱门零件等,如图1所示。激光选区熔化增材制造技术同时在医疗、汽车、模具、文创、珠宝等领域也已有较多应用[3]。

▲图1 激光选区熔化增材制造技术在航空航天领域应用

2 结构创新

增材制造技术不受加工条件限制,可以最大程度释放工程师设计理念。工程师不再将增材制造技术视为一项仅快速响应加工复杂零件的技术,而是认可增材制造的结构创新功能,逐步培养自身的增材制造设计思维[4],将产品设计为符合增材制造加工特点的结构,从而使产品呈现出一体化、仿生化、定制化等新价值。

增材制造特有的拓扑加点阵[5]、格栅加复杂内流道的两类结构设计更加成熟,如图2所示。前者可以在宇航、汽车等领域的轻量化中发挥更大优势,如动力燃料电池铝端板减重。后者可以在热交换等方面实现新突破,如配套的增材制造微型散热器,有助于解决功率半导体散热瓶颈问题。增材制造微型散热器如图3所示。应用增材制造技术制备动力锂电池格栅结构电极,实现模组一体化,理论上可以提高能量密度与功率密度,为新能源汽车续航与超充打下基础[6]。

▲图2 增材制造特有结构▲图3 增材制造微型散热器

3 专用材料

激光选区熔化增材制造技术是一种材料高性能制备技术,要发挥出超过传统加工方式的材料性能,需要开发专用的激光选区熔化增材制造材料。针对特定的激光选区熔化增材制造机,开发出与之匹配的低成本、高性能粉末原材料,以专机加专粉的模式保证性能稳定。市面上材料商、设备商、打印服务商独立运作,是导致当下打印材料性能不稳定的原因之一。虽然激光选区熔化增材制造技术的极冷极热加工特点不同于传统加工方式,但是激光选区熔化增材制造材料还是沿用传统加工方式的材料体系,材料与加工工艺不匹配是导致打印性能不稳定的原因之二。针对激光选区熔化增材制造技术加工特点,结合产品最终服役工况,开发专用材料是推动激光选区熔化增材制造技术发展的关键点。激光选区熔化增材制造专用钴镍高温合金[7]和含钪铝合金[8]给激光选区熔化增材制造技术提供了更大的应用空间。

当下热门的新材料,如石墨烯、纳米氧化物增强复合材料、轻质钢、铜合金、高强铝合金、可降解医用镁或锌合金、医用钽、钛银或钛铜合金、阻尼锰铜合金、纯银、钨、非晶合金、高熵合金、陶瓷等,与激光选区熔化增材制造技术结合,可以实现新的价值增长点。

在功率半导体散热新材料开发领域,利用激光选区烧结增材制造技术已成功合成碳化硅功率半导体散热板。由此可见,同样为激光加工技术的激光选区熔化,同样具备将混合粉合成新材料的能力,即激光选区熔化增材制造技术不单单是一种结构加工技术,还是一种新材料合成技术。

4 设备升级

相比传统加工方式,目前激光选区熔化增材制造设备的不足是加工效率低,仅为30～200 cm3/h;设备成本高,300 mm通用型设备大约需150万元;成品率不高,为50%～95%。发展更多激光头是主机商提升激光加工效率的必然趋势,发展过程监控及反馈调节是提升打印质量、控制精度的途径[9]。未来一段时间内,主机商将围绕高效率、高精度、高性能、低成本进行相应的激光选区熔化增材制造设备研发,通用型打印设备将转变为针对细分应用领域的专用机型。除工业打印机器外,还可能会出现桌面级居家消费型金属增材制造机。

为改善现有激光选区熔化增材制造设备的人机交互体验,还需要围绕粉材前后处理,配套粉末充装、烘干、筛分、上料、清理、循环利用等装置,或集成相关功能形成一体机,以保证激光选区熔化增材制造金属粉材采用全封闭式操作。生产过程中以高效的自动化方式运行,在完成初期工艺稳定工作后,设备就可以自主完成产品制备。

基于现有激光选区熔化增材制造技术,零件很少能够直接应用,大多还停留在坯料阶段。在完成打印后,零件还需要进行热处理、热等静压、基板分离切割、计算机数控加工、表面抛光处理等工序,才能得到合格产品。为提升激光选区熔化增材制造产品整体解决方案能力,在工程师预留加工余量的基础上,打印设备有两个发展方向。第一,激光选区熔化增材制造设备与加工中心确定加工基准,实现独立设备之间的信息互联互通。第二,激光选区熔化增材制造设备集成必备的后处理功能,如增减复合一体等。

激光选区熔化设备的创新方向如下:① 参照微铸锻铣一体技术的同步改性激光选区熔化复合制造设备[10];② 参照三维印制增材制造设备的阵列式激光或阵列式铺粉激光选区熔化设备;③ 参照电子束选区熔化增材制造设备的真空、高预热且满足堆叠打印的激光选区熔化设备,预热温度能够达到500 ℃甚至更高;④ 参照螺旋式增材制造机的同步铺粉与打印激光选区熔化设备;⑤ 参照西门子叶片增材制造激光修复案例,开发适用于进行激光修复的定制化激光选区熔化设备[11]。

5 数字化

如果沿用现有氩气循环方式,激光选区熔化增材制造设备需要大量内部风场仿真工作,针对不同材料、工艺、设备特点,不断优化内部气流场,保证加工过程中烧损的碳化物等杂质不回落至成型腔,确保粉材纯度与打印材料性能。

目前,激光选区熔化增材制造过程是较为复杂的激光、保护气氛、粉材、熔池等交互作用过程,相关机理尚不完善。为提高打印成功率,降低研发成本,必须依赖数字化仿真技术[12],进行热应力、熔池、工艺、结构等的仿真,并借助虚实结合手段,通过仿真预打印完成材料缺陷与性能预测。激光选区熔化增材制造数字仿真如图4所示。激光选区熔化增材制造过程铺粉式加工原理如图5所示。视觉能够观察的仅为当前加工顶层,零件已加工部分埋在成型腔内部,借助数字孪生技术,可以极好地展现零件加工进度、已加工部分热循环状态及组织演变情况,为工程师更好把控零件状态提供依据。

▲图4 激光选区熔化增材制造数字化仿真

因为具有全生命周期的数字化特点,增材制造技术为制造赋予更多可能性。相比传统加工方式的设计与制造分离,增材制造技术可促使设计与制造融合,通过高通量的设计、制造与验证,极大缩短产品定型周期。设计与制造一体化的新型研发方式已在通用电气公司、西门子公司等知名企业中推广,未来可以作为企业新的核心竞争力。

6 智能化

不同于传统的逆向式设计,采用创成式设计,工程师设定起始参数,计算机通过人工智能算法,不断迭代调整获取优化模型。因为打破了传统设计思维与加工限制,计算机给出的优化模型往往是复杂结构,特别适合增材制造加工。创成式设计加增材制造将极大激发企业的创新热情与活力。

▲图5 激光选区熔化增材制造过程铺粉式加工原理

国内激光选区熔化增材制造打印调节与控制等核心软件还明显落后于欧美国家,如美国一公司通过精细工艺控制,能够将零件支撑角度由45°减小至10°,甚至0°,实现无支撑打印,所见模型即所得实体。模型打印前处理软件现被美国与比利时等国的公司垄断。在大尺寸激光选区熔化增材制造激光搭接控制方面,德国的公司优势明显。总体而言,激光选区熔化增材制造技术还需要大量有经验的工程师来参与零件制备,在打印过程中还缺少较佳的激光功率、铺粉及熔池监控功能。激光选区熔化增材制造过程监控图像如图6所示。打印设备需要配备更多的信号采集器,配合图像识别、边缘计算、大数据等先进技术,对打印过程中由点到线到面到体的海量数据进行处理,建立人工智能模型,实现设备的闭环反馈调节功能,最终使打印设备成为实时自适应打印调节的智能化设备。除了打印过程智能控制外,激光选区熔化增材制造技术未来还可以实现结构、材料、工艺、后处理一体化智能解决方案。

7 跨学科跨领域发展

激光选区熔化增材制造不仅是一门技术,而且是一个技术融合平台,将机械设计、数字化仿真、新材料研发、智能算法控制、设备远程运维、大数据处理等新旧技术融合在一起。现在国内已有高校开办增材制造学科及增材制造学院,教育部也在2021年2月将增材制造工程专业增设入普通高等学校本科专业目录,相信未来增材制造技术一定会成为示范型跨学科跨领域的技术。

8 结束语

通过对市场规模及技术潜力等多方面分析,笔者认为激光选区熔化增材制造技术虽然受限于市场体量,目前还仅是传统加工方式的一种有力补充,但是已能支撑企业进行制造能力转型升级。随着技术的发展,设计与制造一体化新模式将成为企业的核心竞争力,创成式设计加增材制造将会是激发企业创新与活力的新引擎,新材料加增材制造将刺激市场应用,实现井喷式发展。结合大数据、边缘计算、数字孪生、人工智能等新技术,激光选区熔化增材制造技术将会成为未来智能工厂不可或缺的组成部分。

▲图6 激光选区熔化增材制造过程监控图像