激光立體成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

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20xx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(dān)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20xx年底至20xx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20xx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(xué)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(xué)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(dāng)大的關(guān)注，在其直接支持下，美國于20xx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。20xx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。

我國在激光立體成形技術(shù)領(lǐng)域處于世界先進水平。西北工業(yè)大學(xué)于19xx年開始在國內(nèi)率先提出以獲得極高(相當(dāng)于鍛件)性能構(gòu)件為目標的激光立體成形的技術(shù)構(gòu)思，并在迄今xx年的時間里持續(xù)進行了激光立體成形技術(shù)的系統(tǒng)化研究工作，形成了包括材料、工藝、裝備和應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的完整的技術(shù)體系。針對航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)件高性能、輕量化、整體化、精密成形技術(shù)的迫切需求，開展了鈦合金、高溫合金、超高強度鋼和梯度材料激光立體成形工藝研究，突破結(jié)構(gòu)件的輕質(zhì)、高剛度、高強度、整體化成形，應(yīng)力變形與冶金質(zhì)量控制，成形件組織性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。激光成形和修復(fù)了大量飛機中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，解決了飛機任務(wù)研制過程中迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，為飛機研制與生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)保障。針對大型鈦合金構(gòu)件的激光立體成形，解決了大型構(gòu)件變形控制、幾何尺寸控制、冶金質(zhì)量控制、系統(tǒng)裝備等方面的一系列難題，并試制成功C919大飛機翼肋TC4上、下緣條構(gòu)件，該類零件尺寸達450mm×350mm×3000mm，成形后長時間放置后的最大變形量小于1mm，靜載力學(xué)性能的穩(wěn)定性優(yōu)于1%，疲勞性能也優(yōu)于同類鍛件的性能。而專用于先進飛機結(jié)構(gòu)件的激光成形修復(fù)裝備可以修復(fù)尺寸達5000mm×600mm×3000mm的零件。激光組合制造和成形修復(fù)在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的研究和應(yīng)用還包括大型機械裝備關(guān)鍵零件的高性能快速修復(fù)和口腔金屬植入體的成形和醫(yī)學(xué)臨床研究。在激光立體成形工藝裝備建設(shè)方面取得重大突破，實現(xiàn)我國商用激光立體成形工藝裝備制造的零突破。截至20xx年，西工大向航空航天領(lǐng)域內(nèi)國家大型企業(yè)和研究院所，以及GE中國研究中心提供了5臺激光立體成形與修復(fù)裝備，在領(lǐng)域內(nèi)形成較大影響力。在激光立體成形裝備方面，國內(nèi)除西工大外，目前沒有其他單位提供過商用化激光立體成形裝備。目前，西北工業(yè)大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出了系列固定式和移動式激光立體成形工藝裝備。針對不同應(yīng)用特點，分別采用CO2氣體激光器，YAG固體激光器，光纖激光器和半導(dǎo)體激光器，成形氣氛中氧含量可控制在10ppm以內(nèi)，具有熔池溫度、尺寸和沉積層高度的實時監(jiān)測和反饋控制系統(tǒng)，配備自主開發(fā)的材料送進裝置、成形CAPP/CAM及集成控制軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)各種金屬材料，包括高活性的鈦合金、鋁合金和鋯合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的無模具、快速、近凈成形以及修復(fù)再制造。表1比較了目前國際上技術(shù)成熟度比較高的商業(yè)化激光立體成形裝備的主要特性?？梢钥吹?，西北工業(yè)大學(xué)所研制的LSF系列激光立體成形裝備多項指標處于國際領(lǐng)先水平。成形修復(fù)是激光立體成形技術(shù)受到高度重視的發(fā)展方向。有一個十分值得關(guān)注的趨勢是成形修復(fù)技術(shù)。雖然激光立體成形技術(shù)最初主要是作為一種致密金屬零件的高性能快速制造技術(shù)而發(fā)展起來的，但工業(yè)界卻越來越關(guān)注它作為一種高性能成形修復(fù)技術(shù)的巨大技術(shù)優(yōu)勢。除了航空航天領(lǐng)域外，機械、能源、船舶等領(lǐng)域的大型裝備的高性能快速修復(fù)都對激光立體成形技術(shù)提出了迫切的需求。據(jù)報道，美國采用激光立體成形技術(shù)維護的軍事裝備資產(chǎn)達40億美元/年，其包括飛機、陸基和?；到y(tǒng)都配備了激光立體成形系統(tǒng)。以制造成本高昂的整體葉盤為例，近幾年來包括美國GE公司、美國H&RTechnology公司、Optomec公司以及德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所在內(nèi)的多個研究機構(gòu)開展了整體葉盤的激光成形修復(fù)技術(shù)研究。20xx年3月，作為美國激光修復(fù)技術(shù)商用化推進領(lǐng)頭羊的Optomec公司宣稱其采用激光成形修復(fù)技術(shù)修復(fù)的T700整體葉盤通過了軍方的振動疲勞驗證試驗。美軍已經(jīng)在其“野戰(zhàn)零件醫(yī)院”中列裝了激光立體成形裝備，用于在靠近現(xiàn)場需要位置快速制造戰(zhàn)損裝備所需金屬零件。這些激光立體成形裝備已分別布置在科威特、伊拉克和阿富汗的軍事基地。

基于激光立體成形的激光組合制造技術(shù)是重要的技術(shù)發(fā)展方向。同鍛造、鑄造和機械加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合，形成激光組合制造技術(shù)，是激光立體成形技術(shù)一個十分重要的技術(shù)發(fā)展方向。沒有任何一項技術(shù)是十全十美，足以覆蓋任何工藝需求的，而相互結(jié)合，取長補短則是最適當(dāng)?shù)倪x擇。激光立體成形技術(shù)的工藝靈活性和柔性化的特點，使得以其為基礎(chǔ)發(fā)展激光組合制造技術(shù)具有十分重要的實用價值。最為重要的是，激光立體成形技術(shù)可以把異質(zhì)材料結(jié)合成一個高性能的整體構(gòu)件，這是激光組合制造的技術(shù)思路具有實用性的必要基礎(chǔ)。美國Sandia國家實驗室采用激光立體成形技術(shù)開展了“FeatureAddition”(可理解為“特征結(jié)構(gòu)生長制造”)研究，在機械加工的盤上激光直接沉積薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電子裝置支架的激光復(fù)合制造。對于此類結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件，傳統(tǒng)的鑄造成形工藝存在的以下幾個主要問題：由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造本身工藝困難；制造周期長，如電子裝置支架的鑄造周期長達52周；制造成本高。采用激光組合制造后該結(jié)構(gòu)件的制造周期縮短為3周，成本降低65%，同時結(jié)構(gòu)件的重量得以減輕。

進一步深化激光立體成形技術(shù)在材料、工藝和裝備等方面的基礎(chǔ)性研究，對于支撐激光立體成形技術(shù)的進一步快速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用具有重要作用。這一特點同激光立體成形是一個涉及到激光、機械、數(shù)控、材料的多學(xué)科交叉的新技術(shù)有關(guān)。通過整合形成一支具備上述多學(xué)科能力的高水平研究團隊，針對影響激光立體成形進一步發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題開展深入系統(tǒng)的研究，這對于激光立體成形技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域或重點研究方向建議

激光立體成形的材料、工藝的基礎(chǔ)研究和工程化研究。激光立體成形是一個涉及激光、機械、數(shù)控、材料等的多學(xué)科交叉新技術(shù)，并且發(fā)展時間很短，相對于鑄、鍛、焊、粉末冶金、機械加工等傳統(tǒng)的制造技術(shù)而言，其技術(shù)成熟度還有顯著差距，需要開展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和工程化研究工作，這是使激光立體成形技術(shù)得以在工業(yè)與科技實踐中廣泛應(yīng)用的必要基礎(chǔ)，也是使我國在這項占據(jù)戰(zhàn)略制高點的新技術(shù)方面與西方發(fā)達國家長期競爭發(fā)展中保持同步以至于爭取領(lǐng)先所必須堅持的。

先進裝備技術(shù)。任何先進的工業(yè)技術(shù)必然以先進的裝備技術(shù)作為其集中體現(xiàn)。激光立體成形裝備涉及到激光、機械、數(shù)控、工藝軟件設(shè)計、溫度與化學(xué)環(huán)境檢測與控制、成形材料特性等許多方面因素的交互作用與技術(shù)集成，需要高度專業(yè)化的團隊與技術(shù)條件的密切協(xié)同，才能設(shè)計制造出高水平的裝備。具備高水平激光立體成形裝備設(shè)計與制造技術(shù)，也是我國必須在增材制造技術(shù)領(lǐng)域必須發(fā)展的核心競爭力。

高性能激光成形修