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    三維金屬“打印”走出實驗室

    以航空發動機里面的一個零件為例:如果采用傳統的加工方式,大概需要40個小時,而采用增材制造技術,則加工過程可控制在12~13個小時之內。

    國內也在開展相關技術的研究,但是總體而言,國內企業的應用量和技術拓展力度還不夠大。

    在工業制造的“高精尖”領域,如航空發動機領域,由于零部件結構及形狀復雜,精度要求高,材料難加工, 在生產過程中需要耗費大量的成本和時間。

    如今這一局面正在發生改變。誕生于上世紀80年代的“快速成型技術”取得了新進展。目前該項技術不僅能用于加工樹脂、尼龍、蠟等熔點和硬度較低的材料,還可以直接將金屬材料加工成所需要的功能零部件。

    從油漆到金屬

    1985年,化學家查克·赫爾在為一家油漆生產商從事研發工作時,生產商提出要求,希望室外油漆能干得快些。于是,由查克·赫爾領導的小組研制出了一種新式油漆,這種油漆對陽光敏感,能夠迅速從液體變成固體。

    在開發過程中,查克·赫爾意識到,如果油漆的層數足夠多,說不定能夠制作出三維的物體。

    這就是“快速成型技術”的由來。

    誕生之初,該項技術多應用在樹脂、尼龍、蠟等熔點和強度較低的材料上面。真正能夠將金屬材料直接加工成復雜的零部件,則是最近才剛剛走出實驗室。

    近日,通用電氣公司(GE)宣布,該公司的科學家運用一種基于快速成型原理的增材制造技術,可以一步將零件加工到最終形狀。目前,GE已將該技術應用于制造超聲設備中的超聲探頭,以及飛機發動機的零部件,以降低勞動力和生產成本。

    GE中國研發中心研究員李延民向《科學時報》記者講述了利用上述技術加工金屬材料的過程。

    首先在計算機中生成所要加工零部件的三維數字模型。然后,工程師將模型“切成”一定厚度的薄層,從而得到一系列的二維輪廓。接下來,工程師按照二維輪廓,用激光一層層地掃描燒結預先鋪制好的金屬粉末,最后制造出與三維數字模型相同的零部件。

    另一種制造方法與此類似,只不過不是預先鋪制好粉末,而是在激光掃描過程中,通過噴嘴向材料熔化的區域不斷添加金屬粉末,從而“由點到線,由線到面”地制作出立體的零部件。

    “高精尖”領域是重要突破口

    與傳統的加工和制造技術相比,增材制造技術有著諸多優勢。

    李延民告訴《科學時報》記者,以他們正在做的航空發動機里面的一個零件為例,如果采用傳統的加工方式,大概需要40個小時,而采用增材制造技術,則加工過程可控制在12~13個小時之內。

    除了時間上的節省,該技術在節省用料方面也很有優勢。

    據李延民介紹,在航空發動機領域,從購買原材料到最終加工成零部件,材料的利用率有的僅在10%~20%。

    在工業制造領域,這已經屬于較高水平。其他領域的材料利用率更低,比如蒸汽機,在10%甚至更低,很多材料都被切成廢屑, 浪費了原材料、 刀具、工時和能源。而增材制造技術理論上可以實現材料100%的利用。

    “當然,在實際應用中會打一些折扣,但也可以達到80%以上?!崩钛用裾f。

    此外,在所加工零部件的尺寸和精確度方面,增材制造技術的范圍也較寬。李延民告訴記者,他們用該技術加工過超過1米的零部件,也做出過壁厚為0.1~0.2毫米之間的復雜薄壁件。

    “從理論上說,尺寸是沒有限制的,主要看機床設備能支持什么樣的尺度?!崩钛用裾f。

    GE中國研發中心制造和材料技術總監魏斌向《科學時報》記者表示,現在航空、發電和醫療領域的原材料,特別是貴重金屬和高強度合金的價格越來越高, 高技能勞力成本在增加,產品制造周期在縮短,這對工業制造技術提出了更高的要求。

    “比如設計一個燃油效率更高的飛機發動機,會用到許多新材料,以及新的幾何形狀的零部件。如何讓這些復雜的設計經濟、快速地變成真正的零件?這對制造技術提出了迫切的要求?!蔽罕笳f。

    增材制造技術無疑是可行的解決辦法之一。魏斌還指出,在過去,復雜零件生產成本過高及制造工藝的局限在一定程度上限制了設計人員的思維。而增材制造技術是把三維的零部件“切”成兩維來實現,過去因為加工手段限制而避免設計的東西,現在可以重新思考。

    與傳統加工方式相比,增材制造技術可以加工復雜零部件,且更省材料、時間和能源,因此,在航空航天、軍工、大型船艦維護等“高精尖”領域很有優勢。

    “這些領域的零部件非常難加工,傳統加工方式又使不上勁,所以是增材制造技術應用的重要突破口?!蔽罕笳f。

    走出實驗室

    據李延民介紹,GE很早就對增材制造技術開始了研究和應用。比如,用該技術進行零件的修復和再制造,這方面GE已經有近20年歷史。

    而將該技術用于制造航空發動機零件,則處于“剛剛從實驗室走出”的過渡階段。

    魏斌告訴記者,使用該技術制造出的零件,性能還需要進一步優化?!爱吘故且粚訉印选鰜淼?,而不是鍛造出來的。而在航空發動機領域,對零部件的材料性能和使用壽命非??粗??!?p>

    不過,魏斌同時表示,該項技術已經取得了較大進步,可以用于生產部分航空發動機零部件。對于一些對強度、性能要求很高的零部件,則仍然處于測試階段?!氨仨氂写罅繙y試數據的積累,才能決定是否能真正替換掉傳統手段制造的零部件?!?p>

    此外,作為一項新興的制造技術,增材制造還需要進一步普及,以形成規模效益,降低成本。

    “只有當價格和性能都滿足市場需求后,才能作為一個可普及的生產手段?!蔽罕笳f。

    據了解,GE全球研發中心在4月底成立了增材制造實驗室。魏斌表示,此前GE全球研發中心也有一些實驗室在進行相關研究。之所以成立專門的實驗室,則是因為GE認為該技術已經到了從實驗室到應用的關鍵期。

    “我們成立這個實驗室,主要想集中力量突破目前的一些技術瓶頸,并探索更多的應用?!蔽罕笳f。

    西安交通大學教授、機械制造系統工程國家重點實驗室主任李滌塵一直關注快速成型技術的發展。在他看來,GE將增材制造技術應用于超聲傳感器和航空發動機的零部件制造,充分體現了國外領先企業快速將新技術與傳統領域相結合,并形成生產力的特點。

    據他介紹,國內也在開展相關技術的研究。例如西安交通大學開展的空心渦輪葉片制造的研究,清華大學和六二五研究所開展的電子束制造金屬零件的研究,華中科技大學、北京隆源科技公司、機械科學研究院開展的鑄造方面的研究,以及西北工業大學和北京航空航天大學開展的激光直接制造金屬零件的研究等。但是,總體而言,國內企業的應用量和技術拓展力度還不夠大。

    李滌塵告訴《科學時報》記者,該技術在國內發展不夠好的原因,一方面是相關研究的國家投入比較少。另一方面,我國制造業目前仍以批量制造為主,靠低成本贏得市場,相對而言,在新產品開發方面的投入較少。而增材制造在小批量制造方面具有優勢,尤其適合在新產品開發中發揮關鍵作用。

    “可以說,增材制造技術的普及程度,代表著一個國家的產品創新和創意能力?!崩顪靿m說

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