鍛造級(jí)的金屬3D打印技術(shù)，武漢天昱全球首創(chuàng)微鑄鍛

2017年6月，南極熊到訪位于武漢的天昱智造公司（武漢天昱智能制造有限公司），并參觀了其3000㎡金屬3D打印廠房。廠房?jī)?nèi)，屹立著兩臺(tái)高達(dá)十幾米的大型金屬3D打印機(jī)，還有激光熔覆設(shè)備等，相當(dāng)震撼。據(jù)了解，兩臺(tái)大型金屬3D打印機(jī)為全球首創(chuàng)“智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造”設(shè)備，由其制造出來(lái)的金屬零部件，性能質(zhì)量可達(dá)到鍛件水平，為12級(jí)超細(xì)晶粒，可以被稱為鍛造級(jí)的金屬3打印。
△微鑄鍛銑金屬3D打印機(jī)

天昱智造公司由中鋼集團(tuán)中鋼設(shè)備有限公司控股，是一家立足金屬3D 打印、金屬部件修復(fù)與再制造、工業(yè)智能系統(tǒng)等領(lǐng)域，集定制生產(chǎn)、設(shè)備研發(fā)、技術(shù)服務(wù)于一體，以承接國(guó)家和企業(yè)重大項(xiàng)目為主的高新技術(shù)企業(yè)。公司以全球首創(chuàng)“智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造”技術(shù)與設(shè)備為基礎(chǔ)，為用戶提供鍛件級(jí)別、大型金屬3D打印服務(wù)。當(dāng)前，公司現(xiàn)有設(shè)備能打印的最大尺寸為5000×2000×1500mm，涵蓋小批量、打樣、后處理、工藝評(píng)定、熱制造過(guò)程分析、微觀組織分析等。

天昱智造相關(guān)技術(shù)人員介紹，“智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造”技術(shù)和設(shè)備由公司首席科學(xué)家、華中科技大學(xué)張海鷗教授及其團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，將鑄、段、銑削“三合一”，用一臺(tái)設(shè)備就能生產(chǎn)結(jié)實(shí)、耐磨的金屬產(chǎn)品成品，可直接應(yīng)用，打破了3D打印行業(yè)存在的最大障礙，有望開(kāi)啟人類實(shí)驗(yàn)室制造大型機(jī)械的新篇章。

2017年3月份，“智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造”獲第45屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)和中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)特別獎(jiǎng)。早在今年1月份，空中客車（Airbus）和美國(guó)通用電氣公司（GE）與天昱智造達(dá)成了合作，在科研領(lǐng)域展開(kāi)全面的研發(fā)。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，該項(xiàng)技術(shù)使我國(guó)在3D打印技術(shù)的某些領(lǐng)域由“跟跑”開(kāi)始進(jìn)入“領(lǐng)跑”階段。中國(guó)3D打印雖然起步晚，處在探索的階段，但是圍繞“清華、華科、交大”形成的三足鼎立的局勢(shì)，使整個(gè)行業(yè)獲得巨大的加速度。

下面南極熊就來(lái)為你揭秘這項(xiàng)“鑄鍛銑合一，智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造技術(shù)”金屬3D打印技術(shù)。

傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限性
1.鑄-鍛-銑分離
2.裝備巨大
3.流程復(fù)雜，周期長(zhǎng)
4.高能耗、高污染
5.材料利用率低

常規(guī)金屬3D打印存在致命缺陷：一是沒(méi)有經(jīng)過(guò)鍛造，金屬抗疲勞性嚴(yán)重不足；二是制件性能不高，難免存在疏松、氣孔和未熔合等缺陷；三是大都采用激光、電子束為熱源，成本高昂。所以常規(guī)金屬3D打印“中看不中用”，發(fā)展緩慢。正因如此，全球金屬3D打印行業(yè)一直處在“模型制造”和展示階段，無(wú)法進(jìn)入高端應(yīng)用。

而且，GE公司曾經(jīng)認(rèn)為：3D打印件難以達(dá)到鍛件同等性能要求。但是中國(guó)卻首先主導(dǎo)研發(fā)了“鑄鍛銑合一”先進(jìn)技術(shù)，將引導(dǎo)未來(lái)智能制造技術(shù)的發(fā)展。

“智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造技術(shù)”技術(shù)原理
智能微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)融合3D打印、半固態(tài)快鍛、柔性機(jī)器人3項(xiàng)重大技術(shù)，將金屬鑄造、鍛壓、銑削技術(shù)合三為一，實(shí)現(xiàn)3D打印鍛態(tài)等軸細(xì)晶化、高均勻致密度、高強(qiáng)韌、形狀復(fù)雜的金屬鍛件，全面提高制件強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命及可靠性，全面解決世界性難題。
常規(guī)3D打印金屬零件的過(guò)程是打印算一層，鑄造算一層，鍛壓又一層，三者要分開(kāi)依次進(jìn)行，即前一個(gè)步驟完了，后一個(gè)步驟方可進(jìn)行，中間還要騰出金屬冷卻的時(shí)間。智能微鑄鍛銑復(fù)合技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行上述步驟，邊鑄邊鍛，銑削，打印完成即為成品。

鑄造、鍛壓、銑削合三為一，改革傳統(tǒng)制造技術(shù)，短流程綠色制造，一臺(tái)設(shè)備替代原有的多工序長(zhǎng)流程和多臺(tái)大設(shè)備。

鑄鍛復(fù)合成形 45 號(hào)鋼熱處理后晶粒直徑約5μm，為12級(jí)超細(xì)晶粒度，傳統(tǒng)鍛件為7~8級(jí)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)
高性能可靠性：發(fā)揮難成形材料極限潛能；
高效率：熔積效率 5～15kg/h至大幾十kg/h；
低成本：熱源及絲材為激光和粉材的1/5～1/10，能量及材料利用率高。

技術(shù)創(chuàng)新
1.率先提出電弧微鑄軋復(fù)合直接成形高性能金屬零件的方法；
2.施加微區(qū)逐步鍛造機(jī)械力使熔積自由成形的半凝固/剛凝固區(qū)產(chǎn)生粘塑性變形；
3.面向高端部件極端服役條件和增材制造成形性。

△和常規(guī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

2016年7月，張海鷗團(tuán)隊(duì)打印出全球第一批鍛件，鐵路關(guān)鍵部件轍叉和航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件過(guò)渡段。專家表示，這種新方法制件強(qiáng)度和塑性等性能及均勻性顯著高于自由增材成形，并超過(guò)鍛件水平，將為航空航天高性能關(guān)鍵部件的制造提供我國(guó)獨(dú)創(chuàng)國(guó)際領(lǐng)先的高效率、短流程、低成本、綠色智能制造的前瞻性技術(shù)支持。

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△45＃發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡段

△45＃發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡段力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

包括原國(guó)家航空航天部部長(zhǎng)林宗棠在內(nèi)的多位專家建議，在《中國(guó)制造2025》重大專項(xiàng)中列入此項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)重點(diǎn)推動(dòng)該技術(shù)與裝備在航空航天、先進(jìn)兩機(jī)、核電、艦船、高鐵等重點(diǎn)支柱領(lǐng)域的應(yīng)用，讓這一技術(shù)首先提高我國(guó)的制造能力與國(guó)防實(shí)力，將技術(shù)優(yōu)勢(shì)變?yōu)楦?jìng)爭(zhēng)實(shí)力，成為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造領(lǐng)域“中國(guó)夢(mèng)”的國(guó)之重器、戰(zhàn)略推手。開(kāi)辟機(jī)械制造史上前所未有的綠色時(shí)代。