华中科技开发出结合锻打技术的金属3D打印技术

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日前，由华中科技大学机械学院教授张海鸥主导研发的一项金属3D打印技术“智能微铸锻”，在3D打印技术中加入了锻打技术，成功制造出世界首批3D打印锻件。该成果打破了3D打印行业存在的最大障碍，开启了人类实验室制造大型机械的历史，并将给全球机械制造业带来颠覆性创新。


中国教授突破3D打印制件硬度难题

3D打印技术现在受到国际制造业青睐，已经成为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力。但由于打印缺乏锻造这一程序，难免会有疏松、气孔、未熔合等缺陷难以避免，抗疲劳等性能严重不足，使全球3D打印行业一直处在“模型制造”和展示阶段。

为解决这一世界性难题，华中科技大学数字装备与技术国家重点实验室教授张海鸥团队经过十多年潜心攻关，独立研制的微铸锻同步复合设备创造性地将已有千年历史的人类金属铸造、锻压技术合二为一，实现了首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新，大幅提高了制件强度和韧性，提高了构件的疲劳寿命和可靠性。不仅能打印薄壁金属零件，而且大大降低了设备投资和原材料成本。

据张海鸥介绍，目前由“智能微铸锻”打印出的高性能金属锻件，已达到2.2米长约260公斤。正在建设的微铸锻铣复合制造设备能制造5.5×4.2×1.5的金属锻件，表面粗糙度0.02毫米，达到普通机械加工水平。现有设备已打印飞机用钛合金、海洋深潜器、核电用钢等八种金属材料。在零件尺寸方面也取得重大进展，已打印出2200毫米尺寸锻件，成功打印1800×1400×50毫米尺寸超大型零件。此前世界激光选择性熔化3D打印金属零件最大尺寸是德国一家公司的630毫米，均为一米以下的小型件。目前，此项我国自主独创的国际发明专利技术装备，不仅可以打印出4倍于上述激光3D打印最大尺寸金属零件，而且还可以打印和激光送粉成形和电子束送丝成形尺寸相当的零件，也是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金属锻件的增材制造技术装备。

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新技术可打印飞机用钛合金、海洋深潜器

据介绍，传统机械制造中，浇铸后的金属材料不能直接加工成高性能零部件，必须通过锻造改造其内部结构，解决成型问题。但是对超大锻机的过度依赖，导致机械制作投资大、成本高且制作流程长、能耗巨大、污染严重、浪费严重并且难以制作梯度功能材料零件。作为后起之秀的常规金属3D打印技术因为能够解决传统制业的以上弊病而受到青睐，并且在航空航天、模具及汽车领域开始获得应用。

“以往常规3D打印存在致命缺陷：一是没有经过锻造，金属抗疲劳性严重不足，二是制件性能不高，三是存在气孔和未融合部分，四是大都采用激光、电子束为热源，成本高昂。所以形成了中看不中用，应用困难的局面。”张海鸥介绍说。现在他的新技术完全攻破了这一难题。

经过专家验证，仪证实由这种微铸锻生产的零部件，各项技术指标和性能均稳定超过传统铸件。同时，该技术以金属丝材为原料，材料利用率达到80%以上，丝材料价格成本为目前普遍使用的激光扑粉粉材的1/10左右。在热源方面，使用高效廉价的电弧为热源，成本为目前普遍使用的大多需要进口的激光器的1/10。而且由于这一技术能同时控制零件的形状尺寸和组织性能，大大缩小了产品周期：制造一个两吨重的大型金属铸件，过去需要三个月以上，现在仅需十天左右。

据了解，我国研制的新型战斗机上，一种新型复杂钛合金接头已经使用了该技术。由于部件复杂，采用传统方法无法整体制造，只能降低设计标准，将零件拆分成多个部位制造后再连接，使该战机先进性能受到影响，使用寿命变短。目前，张海鸥团队的铸锻铣一体化整体3D打印技术与装备，已开始与该团队合作研发攻关。用3D技术打印出来的TC4钛合金抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性均超过传统锻件。

为此，包括原国家航空航天部部长林宗棠在内的多位专家建议，在《中国制造2025》重大专项中列入此项技术，同时重点推动该技术与装备在航空航天、先进两机、核电、舰船、高铁等重点支柱领域的应用，让这一技术首先提高我国的制造能力与国防实力，将技术优势变为竞争实力，成为实现先进制造领域“中国梦”的国之重器、战略推手。开辟机械制造史上前所未有的绿色时代。