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增材制造(3D打印)

发布时间:2015-08-31


一、发展历程

        西安交通大学自1993年开始增材制造(3D打印)技术研究,是国内最早开展增材制造技术研究的单位之一。经过二十年的发展,西安交通大学形成了以光固化成型(SL)为技术特色、以快速制造系统为工程应用的研究队伍,产生了以卢秉恒院士为学术带头人的“增材制造”教育部创新团队。研究团队依托机械制造系统工程国家重点实验室(西安交通大学)开展基础研究。。研究团队承担了“九五”和“十五”国家科技攻关项目,1997年实现了光固化快速成型机的产业化,开发出激光快速成型机、紫外光快速成型机、真空浇注成型机等快速成型与模具制造设备,多项技术成果处于国内领先、国际先进水平。获得国家科技进步二等奖一项,国家技术发明二等奖三项,省部级一等奖四项。

二、技术研究优势

1  3D打印装备和材料

1.1快速成形设备的智能化

   为提高制造效率,研发了变光斑高速扫描工艺方法。研究了一种无余量固化智能控制的扫描工艺,根据激光功率的实时变化和光斑直径的变化提出了一套智能控制扫描工艺系统,可以提高成型效率30%左右。

1.2系列化光固化成型材料研制

       重点研发了铸造原型用低残炭量及易烧蚀光固化快速成型材料。研制了力学性能接近ABS塑料的通用型激光快速成型树脂,其断裂延伸率达到60%以上;研制了具有高耐温性的光固化材料,可以直接用于小批量注塑和压蜡模具;研制了高成型精度的光固化树脂,可用于制造微细结构制造。

1.3 低成本LED光源和面成形增材制造设备

   UV-LED具有低能耗、高单色性的突出优势,其成本是激光器的1/100 。成功研制了低成本大功率UV-LED的成型设备,是一种经济型光固化3D打印设备,目前应用于教育和培训。

          

                                           图1 LED三维打印设备及制件

1.4陶瓷光固化成型设备研发

        研制了水基陶瓷浆料光固化快速成形材料与设备,对光固化直接成形陶瓷零件的干燥和焙烧工艺进行了研究,实现了光子晶体、一体化铸型等复杂陶瓷零件的快速制造。

      

                                            图2陶瓷光固化成型单元截面与成形的陶瓷涡轮盘

1.5大尺寸双激光选区烧结设备研发

       面向大尺寸原型高效制造,研究了双激光器、工件箱可更换的选区激光烧结设备,具有后续处理简单的特点。目前承担国家863计划项目,开展多光源同步激光选区烧结成形样机开发,采用四台激光器、四套振镜同步扫描技术,实现台面尺寸达到2米×2米的加工能力,该技术在汽车、模具等行业产品研制中具有巨大的应用市场,例如汽车动力系统复杂零件、复杂塑料结构件及小批次试验样机所需模具等的快速制造。

      

                             图3大尺寸双光源并行粉末烧结快速成形设备叶轮制件

1.6激光金属熔覆成形设备研发

研制了金属熔覆直接成形技术与设备。针对空心涡轮叶片的形状特征对成形精度的影响展开研究。研究了叶片轮廓曲率变化对熔池温度场的影响规律,制造出了成形质量良好的薄壁及空心涡轮叶片。开展了定向晶组织叶片的制造。采用该设备实现了钛合金人工假体的制造。

     

       图4高温合金复杂空心叶片样件与钛合计人工髋关节样件

1.7 金属选择性激光烧结3D打印设备

       以钛合金、高温合金等材料为代表的复杂结构制造与微观组织控制是目前金属3D打印的难点和热点。自主研发了金属选择性激光烧结3D打印设备,计划开展结构与组织同步制造方面的研究;提出了电磁致密工艺,通过提高粉体材料在成形过程中的致密度优化零件的最终力学性能;自主研发了专用工艺控制软件,针对扫描路径进行了多种工艺尝试,有效降低了粉体材料成形过程中产生的内应力,提高金属零件的成形精度。

 


                    图5  金属选择性激光烧结设备

1.8 大尺寸熔融沉积设备(FDM)设备

      研发了面向航空航天、工业领域应用需求的大尺寸FDM设备及工艺,设备成形尺寸为2.5m×3.5m×2.0m;提出了分区域数据处理及并行加工工艺,将整体打印任务统筹分配到各个打印头,通过合理的路径规划,同时使用多打印头加工同一零件,有效提高成形效率。

   

                           图6  大尺寸FDM成型机

1.9 耐高温材料FDM设备

       以聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、尼龙为代表的高性能材料,具有适用温度广、耐化学腐蚀、高强度等优点,但受制于材料本身高熔点(例如,聚醚醚酮的熔点高达343度)、难加工等因素的限制,难以直接成形复杂结构的功能塑料零件。针对以上问题,开展了以耐高温材料为研究对象的FDM工艺及设备研发。设计了分离式高温型喷头,喷头可加热温度最高可达400度,保证了多种高性能材料的熔化和挤出;通过精确控制整体成形腔的温度(±5度),减小材料在成形过程中从半熔融状态向固态转变过程中产生的翘曲和变形,提高了零件的成形精度。

   

                             图7  耐高温FDM成型机

2 开发3D打印工业应用技术

2.1空心叶片无模制造技术

空心涡轮叶片是航空发动机的核心部件,被誉为“皇冠上得明珠”。发明了型壳/型芯结构整体制造新技术,突破了现有叶片熔模铸造工艺的局限性,实现了整体式陶瓷铸型快速制备,保证了型芯/型壳相对位置精度,为复杂叶片制造提供了新的技术路线。研发了快速成形原型直接制造蜡型模具的新方法,实现了小批量精铸技术。

     

                         图8 型壳/型芯结构整体制造空心叶片

2.2 陶瓷基复合材料空心涡轮叶片制造方法

      纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC),具有耐高温、低密度、高比强、高比模等优点,采用CMC替代高温合金制造涡轮叶片,将使发动机的重量明显减少、工作温度明显升高,从而提高推重比,降低油耗。因此,CMC被认为是未来航空发动机热端部件理想的替代材料,在航空涡轮叶片制造上具有广泛的应用前景。基于光固化3D打印技术和纤维编织提出了一种制造CMC涡轮叶片的新方法,初步实现了复杂结构CMC涡轮叶片的制造。

  


                   图9 陶瓷基复合材料涡轮叶片

2.3 飞机风洞模型快速制造技术

  飞机风洞模型的加工质量、周期和成本影响了飞机研制的效率。光固化快速成型具有制造复杂外形和结构的优势,可以为飞机风洞模型提供一种新的制造方法。设计了树脂-金属复合模型的结构方案,与金属模型相比其制造周期缩短85~90%,成本降低45~55%。发展了基于静变形相似的刚度相似设计方法和基于固频相似的质量相似设计方法,有望为颤振风洞模型的设计和制造提供高精度、高柔性、快速、低成本的解决方案。

   

                                      图10 在风洞中的光固化模型和机翼颤振实验模型

2.4 超材料结构创新设计及应用

       提出了一种以物理性能驱动的人工电磁介质宏/微结构一体化设计与制造方法;对超材料光子晶体结构进行了研究,实现了渐变折射率人工电磁介质的可控设计;所设计器件在Ku波段(12-18GHz)具有宽频性能,且能够在自由空间实现电磁波的可控传播。为发展新型天线和微波隐身技术提供了新方法,在军工领域有巨大用途。

 


              a)外观整体结构                b)横断面结构

          图11 采用光固化3D打印制造的三维“电磁黑洞”

三、产业化状况

      西安交通大学大力开展增材制造(3D打印)基础研究,实现了研究与产业的结合,支持西安瑞特快速制造工程研究有限公司和陕西恒通智能机器制造有限公司发展产业化和应用服务,成为我国增材制造技术创新源地和产业转化基地。

1 产品型号和种类,销售产值情况

      产品型号和种类:

 

                图20 新产品创新创意设计及快速制造整体解决方案

       

                 图21 (SL)SPS系列激光快速成型设备(3D打印机),

                包括SPS350EP、SPS450EP型(2014年新款,经济型)

 

                  图22(SLS)激光选区粉末烧结成型机及样件

     

                            图23(FDM)3DP系列小型3D打印机  

2 服务的企业与产品

 协助建立了产品研发平台

 贵阳平台

   


天津平台

   

3D打印样件

                   

                                       图 23制作工艺品样件

3 支撑3D打印技术和产业的全国领先发展

3.1 成立陕西省3D打印产业联盟

3.2支撑陕西渭南高新区的3D打印示范基地建设

(1)协助组织增材制造(3D打印)产业化推进会

(2)协助组织2014年第十八届西洽会(渭南市展馆工业展区)

            

图24 在西洽会暨丝博会综合展区,渭南展团3D打印技术人气旺

(3)协助组织3D打印与生物医疗器械产业化推进会

 

                         图25 陈竺副委员长等领导参观3D打印展厅





 

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