2016年7月22日，由華中科技大學機械學院教授張海鷗主導研發(fā)的一項金屬3D打印技術(shù)“智能微鑄鍛”，在3D打印技術(shù)中加入了鍛打技術(shù)，成功制造出世界首批3D打印鍛件。該成果打破了3D打印行業(yè)存在的最大障礙，開啟了人類實驗室制造大型機械的歷史，并將給全球機械制造業(yè)帶來顛覆性創(chuàng)新。
中國教授突破3D打印制件硬度難題
3D打印技術(shù)現(xiàn)在受到國際制造業(yè)青睞，已經(jīng)成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動力。但由于打印缺乏鍛造這一程序，難免會有疏松、氣孔、未熔合等缺陷難以避免，抗疲勞等性能嚴重不足，使全球3D打印行業(yè)一直處在“模型制造”和展示階段。
為解決這一世界性難題，華中科技大學數(shù)字裝備與技術(shù)國家重點實驗室教授張海鷗團隊經(jīng)過十多年潛心攻關(guān)，獨立研制的微鑄鍛同步復合設(shè)備創(chuàng)造性地將已有千年歷史的人類金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一，實現(xiàn)了首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新，大幅提高了制件強度和韌性，提高了構(gòu)件的疲勞壽命和可靠性。不僅能打印薄壁金屬零件，而且大大降低了設(shè)備投資和原材料成本。
據(jù)張海鷗介紹，目前由“智能微鑄鍛”打印出的高性能金屬鍛件，已達到2.2米長約260公斤。正在建設(shè)的微鑄鍛銑復合制造設(shè)備能制造5.5×4.2×1.5的金屬鍛件，表面粗糙度0.02毫米，達到普通機械加工水平。現(xiàn)有設(shè)備已打印飛機用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等八種金屬材料。在零件尺寸方面也取得重大進展，已打印出2200毫米尺寸鍛件，成功打印1800×1400×50毫米尺寸超大型零件。此前世界激光選擇性熔化3D打印金屬零件最大尺寸是德國一家公司的630毫米，均為一米以下的小型件。目前，此項我國自主獨創(chuàng)的國際發(fā)明專利技術(shù)裝備，不僅可以打印出4倍于上述激光3D打印最大尺寸金屬零件，而且還可以打印和激光送粉成形和電子束送絲成形尺寸相當?shù)牧慵彩鞘澜缟衔ㄒ豢梢源蛴〕龃笮透呖煽啃阅芙饘馘懠脑霾闹圃旒夹g(shù)裝備。
新技術(shù)可打印飛機用鈦合金、海洋深潛器
據(jù)介紹，傳統(tǒng)機械制造中，澆鑄后的金屬材料不能直接加工成高性能零部件，必須通過鍛造改造其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，解決成型問題。但是對超大鍛機的過度依賴，導致機械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗巨大、污染嚴重、浪費嚴重并且難以制作梯度功能材料零件。作為后起之秀的常規(guī)金屬3D打印技術(shù)因為能夠解決傳統(tǒng)制業(yè)的以上弊病而受到青睞，并且在航空航天、模具及汽車領(lǐng)域開始獲得應用。
“以往常規(guī)3D打印存在致命缺陷：一是沒有經(jīng)過鍛造，金屬抗疲勞性嚴重不足，二是制件性能不高，三是存在氣孔和未融合部分，四是大都采用激光、電子束為熱源，成本高昂。所以形成了中看不中用，應用困難的局面。”張海鷗介紹說。現(xiàn)在他的新技術(shù)完全攻破了這一難題。
經(jīng)過專家驗證，儀證實由這種微鑄鍛生產(chǎn)的零部件，各項技術(shù)指標和性能均穩(wěn)定超過傳統(tǒng)鑄件。同時，該技術(shù)以金屬絲材為原料，材料利用率達到80%以上，絲材料價格成本為目前普遍使用的激光撲粉粉材的1/10左右。在熱源方面，使用高效廉價的電弧為熱源，成本為目前普遍使用的大多需要進口的激光器的1/10。而且由于這一技術(shù)能同時控制零件的形狀尺寸和組織性能，大大縮小了產(chǎn)品周期：制造一個兩噸重的大型金屬鑄件，過去需要三個月以上，現(xiàn)在僅需十天左右。
據(jù)了解，我國研制的新型戰(zhàn)斗機上，一種新型復雜鈦合金接頭已經(jīng)使用了該技術(shù)。由于部件復雜，采用傳統(tǒng)方法無法整體制造，只能降低設(shè)計標準，將零件拆分成多個部位制造后再連接，使該戰(zhàn)機先進性能受到影響，使用壽命變短。目前，張海鷗團隊的鑄鍛銑一體化整體3D打印技術(shù)與裝備，已開始與該團隊合作研發(fā)攻關(guān)。用3D技術(shù)打印出來的TC4鈦合金抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊韌性均超過傳統(tǒng)鍛件。
為此，包括原國家航空航天部部長林宗棠在內(nèi)的多位專家建議，在《中國制造2025》重大專項中列入此項技術(shù)，同時重點推動該技術(shù)與裝備在航空航天、先進兩機、核電、艦船、高鐵等重點支柱領(lǐng)域的應用，讓這一技術(shù)首先提高我國的制造能力與國防實力，將技術(shù)優(yōu)勢變?yōu)楦偁帉嵙Γ蔀閷崿F(xiàn)先進制造領(lǐng)域“中國夢”的國之重器、戰(zhàn)略推手。開辟機械制造史上前所未有的綠色時代。
