3D打印-金属3D打印新进展-同济大学张曙教授博士生导师-20181016-V1.0

2015年11月26日-27日杭州金属3D打印的新进展上海市科技功臣全国优秀科技工作者中国机械工程学会荣誉理事同济大学张曙智能制造时代的产品创新变革内容产品创新的新纪元激光烧结3D打印与铣削的集成激光堆焊3D打印与铣削的集成超声3D打印与铣削的集成结束语的新进展产品创新的新纪元金属3D打印3D打印：产品创新的新方法3D打印是直接数字制造，将产品CAD实体模型切成薄片，按轮廓进行加工，再一层层叠加而成，故也称为叠层制造，是智能制造的支撑技术。3D打印可构建任意复杂形状的产品，最有效地发挥材料特性，为设计师打开了无限的创新空间。3D打印的产品是定制和个性化的独一无二产品，不仅可按需制造，还可以在本企业就地制造。汽车、航空航天和模具的重要零件都是金属而非塑料制成的；因此金属3D打印零件而非原型制作处于增材制造前沿，堪称产品创新的新纪元。产品创新的新纪元金属3D打印：选择性激光烧结薄壁多孔不锈钢涡轮增压腔具有共形冷却道的模具钢模芯耐热合金涡轮叶片传统设计的飞机起落架零件3D打印轻量化结构产品创新的新纪元3D打印新进展：增材与切削集成增材制造的原理是通过材料的不断添加而形成零件，包括粉末激光融化、粉末激光烧结、液态树脂光固化和丝材熔融涂覆等，都是加法。切削加工是从毛坯上切除多余的材料而形成最终零件，包括车、铣、钻、刨、磨等，与增材制造相反，就材料成形过程而言，都是减法。增材制造优势在于在构建结构和形状极其复杂的零件的同时节省材料，而传统切削加工却具有高效率、高精度和高表面质量三高的优点，当两者集成在一起，就展现了令人鼓舞的应用前景。产品创新的新纪元的新进展激光烧结3D打印和铣削的集成金属3D打印激光烧结3D打印与铣削的集成选择性激光烧结是金属3D打印（增材制造）的主要方法之一，它借助激光束将混有粘结剂的金属粉末烧结成零件，其软肋是表面质量较差。将金属3D打印（如选择性激光烧结）与铣削加工中心集成为一台增材制造机床，无需电加工就能造出具有深沟、薄壁且结构形状复杂的高精度模具，颠覆了传统模具制造的概念和工艺方法。激光烧结与铣削集成交替进行，发挥各自优势，既保持叠层制造的特点（可构建复杂零件）又克服了薄壁、深沟难以加工和工件表面粗糙问题。激光烧结和铣削的集成LumexAvance25增材制造机床深沟槽（L×D17）构造复杂的电动螺丝刀外壳模具薄壁（L×D24）激光烧结和铣削的集成集成增材制造和纯3D打印的比较金属3D打印（激光烧结）的模具表面粗糙度大需后续精加工才可使用金属3D打印与铣削集成加工的模具表面粗糙度小可直接应用激光烧结和铣削的集成激光烧结与铣削的集成原理激光烧结铺3粉D打印与铣削混合激加光工烧结的原理是每打印薄片后，用高精加工一次复，最终叠加10层（约0.5mm~2mm)形成激光一金属速铣削（主轴45000r/min）对其轮廓，再打印10层，再精铣轮廓，不断重已烧结成为层高精度的重复复杂10次零件。重复金属3D打印和高速铣削过程直至零件加工完毕铺粉金属粉末激光铺粉器金属粉末高速铣削每打印10层后铣削轮廓r/min升降台升降台升降台铣削电主轴45000激光烧结和铣削的集成优点一：复杂模具无需拼装复杂模具的传统制造方法是，将模具其分解为若干组件，制成后加以拼装，不仅费时费事，而且不可避免存在一定误差，降低了模具的精度。在激光烧结3D打印和铣削集成的机床上却可将具有深沟、薄壁的复杂模具一次加工完成。激光烧结和铣削的集成优点二：3D冷却管道效率高注射机将融化的塑料射入注塑模，会产生高温，使冷却时间大于注射成形的时间，冷却管道的设计和加工往往成为注塑模优劣的关键。传统注塑模采用钻孔方法制作直通和交叉的冷却管道，与模具表面形状不等距，热传导不均匀，冷却效果较差。采用激光烧结3D打印，可制作沿模具表面共形的3D冷却管道，发热表面与冷却表面基本等距，明显提高冷却效果，缩短冷却时间，明显提高注射机的生产效率。激光烧结和铣削的集成优点二：3D冷却管道效率高注射机将融化的塑料冷却时间大于注射成加工往往成为注塑模优传统注塑模采用钻孔道，与模具表面形状不效果较差。采用激光烧结3D打印3D冷却管道，发热表提高冷却效果，缩短冷却时间，明显提高注射机生产效率。射入注塑模，会产生高温，使形的时间，冷却管道的设计和劣的关键。方法制作直通和交叉的冷却管等距，热传导不均匀，冷却，可制作沿模具表面共形的面与冷却表面基本等距，明显直通和交叉的冷却管道与模具表面共形的冷却时间8s的3D冷却管道激光烧结和铣削的集成冷却周期缩短10s冷却时间18s传统冷却管道的效果3D冷却管道的效果注射周期缩短33%优点三：缩短模具制造周期传统工作方法模具设计电极设计模具加工数控编程电极加工数控编程切削加工电加工装配调整模具设计电极设计3D打印（激光烧结）装配调整铣削等设计缩短53%生产周期缩短83％加工时间缩短80％从设计到制作完成缩短周期38%3D打印与铣削混合对应的CAM激光烧结和铣削的集成的新进展激光堆焊3D打印和铣削的集成金属3D打印激光堆焊3D打印和铣削的集成随着航空航天、精密模具等领域的发展，零件的形状越来越复杂，材料也更难加工，在某些情况下，甚至无法用传统切削加工工艺加以完成。激光堆焊是3D打印增材制造工艺之一，其缺点是表面质量差，但与五轴铣削加工中心集成在一起，就可以加工出结构复杂、高质量的零件。与激光烧结不同，激光堆焊无需专门的高温工作室和上下升降的粉床工作台，可在切削加工的同一工作空间进行，激光堆焊头具有与铣刀柄相同的接口，可像铣刀一样插入机床主轴。激光堆焊和铣削的集成LASERTEC653D增材加工机床德马吉LaserTec653D混合机床采用喷嘴供粉在保护气体中进行激光堆焊，无需专门的工作室，且成形速度比粉床激光烧结快20倍。无论是不锈钢、工主轴具钢，还是铝合金、铜合金、镍基合金皆可采用激光堆焊工艺，制成复杂构造的大型零件，堆焊的壁厚取决于激光束和喷嘴的几何尺寸，在C0EL.O1Smm~5mm之间激。光堆焊头激光堆焊铣削混合加工可用于产品的原型制作和小批量生产，模具和涡轮叶片的修复，模具和其他零件的耐磨涂层。刀库控制面板激光堆焊和铣削的集成LASERTEC653D的结构配置LASERTEC6主5轴3滑D枕混合机床的结构配置以德马吉加工中刀心库的单体结构MonoBlock为基础，在机床正CE前RL方O添S加一个向右伸出的悬臂，堆焊主轴头滑沿座悬臂移动，闲置时处于右端，堆焊时与主轴连接。LASERTEC653D机床的左侧配置有刀库，铣削和堆焊过程可以相互交替进行，与常规的加工中心换刀没有两样。LASERTEC653D混合机床采用具有CELOS界面的数控系统，与铣削加工的编程和操作方法保持一致。激光堆焊头（立柱）控制面板AC双摆工作台床身激光堆焊和铣削的集成激光堆焊3D打印的工作原理金属粉末经输送管喷向基体材料，在激光高温下一层层堆焊到基体材料上，是一种没有空穴缝的融合过程，粉末与基体材料以及层与层之结合强度很高。堆焊时，喷头在同一轴线上喷出隔离和输送粉气流（保护气体），以保证零件构建过程不被，堆焊层冷却后就可以进行切削加工。用裂的作和间金属粉末熔融池激光束熔覆材料保护气体过渡区工件(基体材料)的化末氧堆焊头外周有叶片的壳体激光堆焊和铣削的集成由于激光进行，使件在成形堆得工堆焊和铣削加能够在零件后刀具无法可方便地相焊成形过程达的部分。互中切换和交间，精铣替工完典型案例孔的法兰12个接头于底座的一喇叭状涡需铣削外圆需焊接、铣，造成法增压壳体，平面和钻孔、钻孔等，上的孔难以端有带分喇叭外周叭口的大工。法兰兰按照传统无法在一却创造了制造观念，设备上加工代制造的奇这完迹是一个工艺毕的零件，。极差、几是混合加2.转90°堆焊法到是，，轮底布、削，喇有加的台现性但乎工涡轮壳体激光堆焊和铣削集成加工1.激光堆焊圆柱环兰3.铣削法兰平面4.转90°法兰上钻孔5.继续堆焊外圆柱6.堆焊过渡区7.堆焊锥形管道9.堆焊12个接头10.铣削接头8.堆焊另一端法兰12.铣接头内圆穴11.铣法兰和内表面激光堆焊和铣削的集成堆焊打印头美国混合制造技术（HybridManufacturingTech-nology）公司推出结构紧凑的3D打印堆焊头，具有与铣刀锥柄相同的接口，可安装在加工中心刀库中，像刀具一样进行交换。当机械手将堆焊头插入主轴后，连接激光光源、供粉和供气管道的接口座随即移至相应位置，插到堆焊头上，接通各种供应，即可开始工作。该公司推出的堆焊头使用方便，颇受各国机床制造商的欢迎，例如，日本马扎克的Integrexi400AM增材制造车铣加工中心就采用这种堆焊头。激光堆焊和铣削的集成堆焊打印头美国混合制造技术（HybridManufacturingTech-nology）公司推出结构紧凑的3D打印堆焊头，具有与铣刀锥柄相同的接口，可安装在加工中心刀库中，像刀具一样进行交换。当机械手将堆焊头插入主轴后，连接激光光源、供粉和供气管道的接口座随即移至相应位置，插到堆焊头上，接通各种供应，即可开始工作。该公司推出的堆焊头使用方便，颇受各国机床制造商的欢迎，例如，日本马扎克的堆焊打印头激光堆焊和铣削的集成堆焊打印头美国混合制造技术（HybridManufacturingTech-nology）公司推出结构紧凑的3D打印堆焊头，具有与铣刀锥柄相同的接口，可安装在加工中心刀库中，像刀具一样进行交换。当机械手将堆焊头插入主轴后，连接激光光源、供粉和供气管道的接口座随即移至相应位置，插到堆焊头上，接通各种供应，即可开始工作。该公司推出的堆焊头使用方便，颇受各国机床制造商的欢迎，例如，日本马扎克的堆焊打印头激光堆焊和铣削的集成美国混合制造技术（HybridManufacturingTech-nology）公司推出结构紧凑的3D打印堆焊头，具有与铣刀锥柄相同的接口，可安装在加工中心刀库中，像刀具一样进行交换。当机械手将堆焊头插入主轴后，连接激光光源、供粉和供气管道的接口座随即移至相应位置，插到堆焊头上，接通各种供应，即可开始工作。该公司推出的堆焊头使用方便，颇受各国机床制造商的欢迎，例如，日本马扎克的堆焊打印头激光堆焊和铣削的集成Hybrid堆焊打印头应用案例¼e•3DtTtFf0产品设计创新不仅导致零件的结构和形状复杂，往往还要求一个零件是由不同材料构成，以获得更佳的物理性能，例如表面材料要硬，里面的材料要软，有时还要将电子器件密封嵌入零件里。超声3D打印是借助产生超声振动的滚压轮将金属薄带“摩擦焊”在一起，然后用铣削方法加工出轮廓，周而复始，一层层叠加成零件。超声3D打印的过程没有高温，两层金属箔在相变以前粘合在一起，不会导致金相结构的变化、物理性能的改变和零件的热变形。超声3D打印和铣削的集成超声打印和铣削的集成产品设往还要的物理，有时超声“焊接”计创新不仅导致零件的结构和形状复杂，往求一个零件是由不同材料构成，以获得更佳性能，例如表面材料要硬，里面的材料要软还要将电子器件密封嵌入零件里。印是借助产生超声振动的滚压轮将金属焊接”在一起，然后用铣削方法加工出轮廓复始，一层层叠加成零件。超声3D打薄带“，周而铜箔带超声3D打印和铣削的集成超声打印和铣削的集成超声换能器箔带焊在基体上网格表面的滚压轮接触区基体板超声3D打印后超声3D打印前金属箔带铝箔带产品设网格表面的滚压轮往还要的物理超声换能器，有时超声“焊接”超声3D打箔带焊在基体上薄带“接触区，周而铜箔带铝箔带金属箔带超声3D打印后基体板超声3D打印前计创新不仅导致零件的结构和形状复杂，往求一个零件是由不同材料构成，以获得更佳性能，例如表面材料要硬，里面的材料要软还要将电子器件密封嵌入零件里。印是借助产生超声振动的滚压轮将金属焊接”在一起，然后用铣削方法加工出轮廓复始，一层层叠加成零件。超声3D打印和铣削的集成超声打印和铣削的集成铣削主轴金属箔带超声波打印头的新进展结束语金属3D打印金属3D打印