|
现将吴鑫华教授演讲的主要内容整理如下。 01 1.粉末材料研究 把粉末铺在3D打印设备的成形区用激光来扫描，激光在扫描过程中首先会熔化金属，之后金属再固化，这个冷却过程是一个非常快速的非平衡状态过程。非平衡状态导致了材料形成的组织结构是非常细小的，而且所有材料都含有大量的残余应力。莫纳什大学关于3D打印的研究过程 就是从粉末开始的。主要包括以下内容： 🔵 可用粉末和不可用粉末 🔵 粉末的循环 🔵 鉴定粉末的质量 🔵 如何降低粉末成本 02 拓扑优化 所谓优化不仅仅是把一个形状优化出来，更重要的是在高温、高应力情况下，保证优化的产品所有性能一致，包括拉伸性能，更主要是疲劳性能，这里面存在非常复杂的优化和论证工作。工艺的优化取决于所用的材料，在跟激光结合的时候究竟产生什么样的组织结构，有没有裂纹，这是非常重要的。首先要产生一个较完美的结构，后面才能进行后处理。实际上真正要达到产品的性能要求，所有的3D打印构件都需要进行热处理，要对材料非常了解，根据产品结构的要求，在不同情况下选择不同的组织结构，才能真正进行3D打印最后的热处理。 现有的商业软件不一定具备非常适合3D打印的拓扑优化功能。莫纳什大学通过六七年的工作，开发了一个专业软件，利用这个软件设计了发动机的转子，今年3月通过了发动机试验，转速可达84000r/min（标准是70000r/min），这是3D打印构件第一次通过发动机试验，也是3D印能否用于制造转动构件的重要里程碑事件。  🔵 参数优化。这个参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距等一系列参数。通过优化，使得整个产品各部位性能达到一致。举个例子，如果打印参数设置不好，有的时候就会出现空洞，你可能会讲我就挑最慢的速度，保证制件100%致密，但是最慢的速度就影响到生产率，所以这里面就要平衡，根据生产的要求选择最佳的参数。 🔵 后处理的问题。 ▶ 后处理是非常复杂的，是真正的材料学的问题。具体怎么去后处理需要根据用户对产品的 要求来协调和平衡。我们采取热处理的目的是改变它的组织结构，第一是提高性能，第二是根据组织结构情况满足用户对各材料构件的性能要求。 ▶ 不能照搬常规的铸造件或者锻件的热处理方法应用于3D打印。因为，首先材料快速冷却之后组织结构是不平衡的状态，而且是非常细小的组织结构，如果想要恢复到原来的组织结构性能，首先要求的温度、时间都不一样；其次，我们现在处理的是一个构件，而不光是一个块状的材料，这个构件有时有不同的厚度，比如发动机构件厚度有的是2mm厚，有的是30mm厚，在我们处理材料的时候，处理2mm的条件和处理30mm的条件是不一样的。现在在同一个构件里面，热处理只能是同一个条件，我们做了150种实验，才真正把工艺条件优化出来，使得构件各个部位都满足性能要求。这里面还有非常复杂的问题，包括残余应力的消除、自然时效的问题。所有的问题都必须要全部解决以后，才能真正找到一个优化的后处理工艺。 03 3D打印中常见的材料问题 🔵 粉末材料标准问题。按照现在的标准去买镍基合金材料，买回来的粉末三批出来的制件结果可能完全不一样，有的是开裂的，有的不开裂，开裂的时候有的是长裂纹，有的是短裂纹。因为各个元素对于快速冷却的敏感性不一样，对开裂的敏感性也不一样。这意味着需要在以前制定的针对铸造或者锻造的标准下再加载一个标准，才真正适合3D打印，它并没有走出现有的标准，只是适合3D打印的成分范围要比铸造、锻造范围要窄很多。 🔵 粉末的尺寸大小和分布。举一个简单的例子，如果粉末的尺寸大小和分布不一样，有的是0-50微米的，有的是10-50微米，要求的参数不一样，同样的工艺参数下做出来的制件密度也不一样。所以我们选择粉末的时候，一旦想真正做产品，必须要有一个粉末尺寸的规范，不可以随意变更。 🔵 高强度材料。高强度镍基合金和高强度钢都有同样的问题——直接3D打印的时候会开裂，尤其是在镍基合金当中，强化项超过46%的材料都会开裂。目前我们中心终于把这个问题解决了，保证这个材料在3D打印当中不开裂，这在世界上还是唯一的。这里面涉及材料相关各个因素的影响，包括形状的影响、加工工艺条件的影响，所以是一个非常复杂的过程。为了完成这个任务，除了要考虑前面说的这些问题，实际上更重要的是需要借助计算机的模拟，这个模拟必须是真实的模拟，一定要模拟它的非平衡状态的固化，才能真正把这个问题解决，当然还有一系列材料的参数。所以我们在做计算机模拟的时候，有9个不同的条件都必须考虑进去，最后才能真正把温度场和温度梯度以及残余应力分布计算出来，才能最后找到一个最佳的加工工艺，就是在什么情况下做出来不开裂。当然有了这个基础知识之后，就可以应用到其他的镍基合金中去。   🔵 专用材料开发 ▶ 高强铝合金 开发的高强铝合金可以使用于250℃高温（所有的铝合金目前都是使用于100℃以下），这样，在发动机前端的零部件，以前是用钛合金的，现在可以用铝合金代替，可以进一步降低重量。一般的铝合金，现在市场上所有的铝合金屈服强度最高是280MPa左右，一般260MPa左右，这个高强铝合金强度是580MPa，比它高一倍。而且这个材料有非常好的特点，就是它的后处理非常简单，前面所说的材料都需要三步后处理，这个材料只需要一步后处理就可以达到这样好的性能。研究这个材料是源于我们的客户赛峰集团的要求，他们希望有更适合的材料来代替发动机前端的钛合金，我们就根据250℃的应用环境，在这个温度下材料的强化机理是什么，通过强化机理配置相应元素，再来形成这么一个合金。形成一个合金有的时候可能需要几十年，但是我们一旦理解了它的强化机理，再配置研发这个合金就只花了12个月时间。所以真正做材料的研究，如果你了解了材料机理以后，实际上研究新的材料并不难。  ▶ 高强度钛合金 钛合金的屈服强度在850MPa左右，塑性大概是10%。几十年来，实际上钛合金的研究进展是非常缓慢的。除了应用于3D打印以外，我们研究的钛合金还有一个特殊的用途，即这个钛合金更重要的应用是钛合金铆钉，铆钉研制实际上最难，其材料性能经常是矛盾的，要三个性能同时提高是非常困难的。我们在了解了该材料的机理的情况下，改变了所有材料晶界结构，使得三个性能同时提高，这在学术上来讲也是一个非常大的成功。  03 3D打印的国际适航 2012年科技部邀请我回来建立了飞而康公司，一直是生产钛合金粉，为了提高钛合金粉的质量我们做了很多工作，这种粉末材料和3D打印工艺，最后达到了国际航空标准，应用到了C919飞机上。大概有29个构件，通过3D打印的工艺达到国际航空标准，这在中国可能还是唯一的。在这个过程当中大家也问我，你究竟做什么样的工作能够达到国际航空标准？我们做了10.5吨的材料，做了非常多的实验，最后证明这个材料是可靠的才用到了民用飞机，生产的构件必须是天天一样，年年一样，25年都一样的，才真正能够达到民用航空的标准。 04 打印效率和成本 如果用EOS公司的机器，折旧费占60%，为什么有这么高的成本，不是说EOS机器特别贵，这是次要的，更重要的是机器的效率不适合3D打印批量化生产，这些机器是研究用的机器。研究用的机器，待机时间很长，浪费的时间很长，所以要想降低成本，必须要把这些问题解决。航空客户给我们提出这个问题来，通过最近两年的努力，我们重新研发了一个3D打印的机器，这个机器目前叫AmPro SP，这个机器的效果，能够使3D打印构件成本降低80%。 我们在提供机器的同时，也设计整套的系统，这个系统包括粉末的前处理、3D打印和粉末后处理，无论在航空也好、医疗也好，其实真正要达到一致性重复性的批量化生产，首先粉末必须是一致的，后面循环过程当中也不能带进来污染。所以我们现在研发了一整套装置，前面粉末的前处理，保证所有的粉末进到3D打印之前必须是完全一致的，而且所有的装粉的装置有一个二维码，这个二维码使得所有粉末的历史可以在计算机留存，可以保存25年。 经过非常复杂的分析和设备的对比，采用我们的机器和工艺，可以把生产构件单价成本跟EOS相比降低82%左右。这里面还有航空质量的控制技术问题，粉末从开始到最后是不见空气的。另外在3D打印当中有一些烟的问题，这个烟对我们来说就是氧化物，这些氧化物掉到粉末是污染，对构件寿命是有影响的。所以如何除烟我们请了专家做了大量计划和模拟，最后选择一个最佳的除烟装置来控制除烟效果。当然还有工艺优化的问题，使得处理完后一次全部达到性能要求。 05 结束语 🔵 3D打印只会向前，不会退后。 🔵 3D打印技术有自身的局限性，需要开发适合3D打印的应用领域和市场。 🔵 成功的3D打印应用都需要有系统的基础研究作支撑。 编辑整理：卢湘帆&王艳丽 澳大利亚吴鑫华院士简介 吴鑫华，女，1962年6月生，江苏人，澳大利亚国家轻合金研究中心主任、Monash大学教授，英国Birmingham大学教授，Rolls-Royce公司高级顾问，国家教育部第八批“奖励计划讲座教授”，岗位为材料加工工程，从事钛合金、钛铝金属间化合物、钛镍形状记忆合金、激光直接成形、快速原型制造、热等静压成形研究。 纳什大学及增材制造中心简介 莫纳什大学（Monash University）是世界百强名校，澳大利亚顶尖学府，澳大利亚常春藤名校联盟“八大名校”（Group of Eight）之一，澳大利亚五星级大学。莫纳什大学以其卓越的教学和精湛的科研而在国际享有声誉，是澳大利亚规模最大的国立大学之一，其综合实力名列前茅，也是著名的密集研究型大学。莫纳什大学是澳大利亚最大的大学，有7万多名学生，它的材料学科全世界排第7名。  莫纳什大学增材制造中心成立于2012年，现有人员42人，有5000平米的独立实验室，年度受资助700万澳元，主要面向基础研究。主要从事轻金属粉末激光增材制造技术的研究，包括选区激光熔融（SLM）以及直接激光制造（DLF）工艺。 莫纳什大学是澳大利亚联邦轻金属研究中心的核心成员之一，拥有优秀的轻金属研究能力以及先进的增材制造设备，同时，拥有吴鑫华教授这样在轻金属材料领域具有世界知名度的专家。合作伙伴包括空客公司、BAE系统公司、赛峰集团微型涡轮公司、欧洲宇航局、NASA兰利实验室等企业和研究机构。    |
|
|
来自： 小中kdk2n959w3 > 《待分类》
