徐州航天美利達“等離子電弧+激光”復合金屬3D打印技術(shù)

2025年，隨著中國制造向高端制造目標的不斷邁進，增材制造技術(shù)也在不斷推陳出新。南極熊獲悉，徐州航天美利達自動焊接設(shè)備有限公司憑借深厚的焊接技術(shù)積累與自主研發(fā)實力，正式發(fā)布國內(nèi)首創(chuàng)“等離子電弧熔絲+激光”復合增材制造技術(shù)與機器人系統(tǒng)設(shè)備，突破了傳統(tǒng)電弧熔絲和激光增材的瓶頸，填補國內(nèi)高效復合增材制造在復雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)用方面的關(guān)鍵技術(shù)空白。

從焊接工程轉(zhuǎn)型，瞄準高端智能制造

徐州航天美利達的前身是一家專注于高難度金屬裝飾工程的企業(yè)，承接過2008年北京奧運主火炬、深圳世界之窗環(huán)球舞臺等標志性項目。近年來，公司完成了從工程安裝到智能焊接裝備研發(fā)制造的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，構(gòu)建了以增材制造為核心的新技術(shù)體系，并于2021年整體遷至徐州工業(yè)園區(qū)，形成集研發(fā)、制造、試驗為一體的產(chǎn)業(yè)平臺。

公司研發(fā)團隊由多位來自航天科研院所、高校教授、高級技師組成，掌握焊接、數(shù)控、激光、材料等多學科交叉核心技術(shù)，成功研制出行業(yè)領(lǐng)先的“等離子電弧+激光復合增材機器人系統(tǒng)”。

△徐州航天美利達自動焊接設(shè)備有限公司 生產(chǎn)基地

復合增材技術(shù)：融合優(yōu)勢、打破瓶頸

傳統(tǒng)定向能量沉積金屬3D打印以激光送粉和等離子電弧熔絲兩大路徑為主。激光送粉雖成形精度高，設(shè)備成本和金屬粉材成本高，且增材工藝要求高、應(yīng)力集中、易裂，增材中途停機時，增材工件需要保溫防裂，鋁合金增材反光，容易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。而等離子電弧熔絲增材側(cè)面送絲有方向性，對于拐彎或轉(zhuǎn)角的增材軌跡，側(cè)面送絲方向不能隨拐彎或轉(zhuǎn)角軌跡而改變，不能滿足復雜形狀增材產(chǎn)品的要求，限制等離子電弧熔絲增材的發(fā)展應(yīng)用。

航天美利達的解決方案是：將兩種技術(shù)“合二為一”，實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化。他們開發(fā)的“等離子電弧熔絲 + 激光復合增材”技術(shù)，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 解決送絲方向性限制，實現(xiàn)復雜形狀打印

傳統(tǒng)等離子電弧熔絲技術(shù)中，送絲方向固定，難以適應(yīng)復雜軌跡。美利達研發(fā)的8軸等離子旋轉(zhuǎn)焊槍電弧熔絲增材機器人，其焊槍和送絲方向可以無限旋轉(zhuǎn)，解決等離子電弧增材側(cè)面送絲有方向性問題，側(cè)面送絲方向能隨增材軌跡拐彎或轉(zhuǎn)角而改變，成功應(yīng)用于如閥門密封面、異形零件等復雜部件打印。此外，可連續(xù)增材多個工件，實現(xiàn)增材流水作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。

△8軸旋轉(zhuǎn)焊槍增材焊接機器人

2. 熔池優(yōu)化，減少缺陷

通過脈沖激光對熔池的沖擊與攪拌作用，有效改善了熔池內(nèi)流動性、降低溫度梯度，減少氣孔、裂紋、偏析等典型缺陷，使成形構(gòu)件具備更穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)。

3. 復合能量場控制組織性能

激光和等離子電弧在微觀組織上發(fā)揮協(xié)同作用，激光與等離子電弧作用區(qū)的平均晶粒尺寸相比減小約40%，且元素分布更加均勻?；谧灾餮邪l(fā)的鋁合金等離子電弧熔絲+激光復合增材制造技術(shù)：以Al-Cu合金為例，增材后抗拉強度達300MPa以上，熱處理后可達T6態(tài)鍛件標準，斷后伸長率超過15%。該技術(shù)解決了金屬熔滴過渡過程中電弧弧柱溫度高、熔滴比表面積大，更容易吸氫，產(chǎn)生大量氣的孔問題，實現(xiàn)了增材制造鋁合金組織-應(yīng)力-性能協(xié)同控制以及缺陷可控性的目標。此外，該技術(shù)也可用于鋁鋅合金、鋁鋰合金、銅合金等金屬構(gòu)件增材制造，拓展激光增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

4. 成本與效率雙優(yōu)

• 電弧電源成本僅為激光器1/10、電子束系統(tǒng)1/30；
• 使用絲材而非粉末，成本僅為后者的1/3；
• 成形效率可達350cm³/h，部分材料增材效率高達3kg/h，媲美甚至超越萬瓦級激光系統(tǒng)。
  

多元應(yīng)用場景：從航天到民用產(chǎn)業(yè)

航天美利達的復合增材制造技術(shù)已經(jīng)在多個實際工程項目中驗證其適應(yīng)性與穩(wěn)定性，顯示出廣泛的工業(yè)化前景。

1、閥門密封件制造

在中核蘇閥科技合作項目中，復合增材機器人成功用于深孔Y型截止閥、三偏心蝶閥等閥體的密封面堆焊，通過精加工及檢測，全部達到合格標準，展示出優(yōu)異的密封性能與耐腐蝕能力。

△蝶閥閥板平面密封面螺旋增材堆焊視頻及圖片

2、航空航天結(jié)構(gòu)件

復合增材技術(shù)已用于鈦合金、鋁鋰合金、高溫合金等材料的航天結(jié)構(gòu)打印，如發(fā)動機殼體、連接器等大型復雜部件，滿足輕量化、強度高的嚴苛要求。

3、特種車輛整車增材制造

公司研發(fā)的模塊化組合龍門架機器人系統(tǒng)，可實現(xiàn)對特種車輛整車結(jié)構(gòu)件進行3D打印增材，適用于軍工、應(yīng)急、軌道交通等行業(yè)的快速部署制造需求。

4、復雜零件的微結(jié)構(gòu)精控

通過調(diào)節(jié)激光脈沖參數(shù)與等離子能量分布，技術(shù)團隊實現(xiàn)了對微觀組織的區(qū)域性調(diào)控，為下一步功能梯度材料與多尺度復合構(gòu)件制造打下基礎(chǔ)。

除了在工藝層面的先進性，航天美利達還具備完善的自主研發(fā)與制造體系，已實現(xiàn)自研電源、焊槍、高強光相機等全部核心部件的國產(chǎn)化。截至目前，航天美利達已取得三項發(fā)明專利、六項外觀設(shè)計和二十四項實用新型專利，并獲得“創(chuàng)客中國”及“科創(chuàng)江蘇”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類榮譽。在教育部科技查新報告中明確指出：其八軸旋轉(zhuǎn)焊槍+高強光監(jiān)測系統(tǒng)的流水線蝶閥增材方案為國內(nèi)首創(chuàng)，查新文獻中無同類報道。

更重要的是，復合增材系統(tǒng)在成本控制和運行穩(wěn)定性上已實現(xiàn)工程化突破，為眾多中小制造企業(yè)提供了可落地的金屬3D打印解決方案。

小結(jié)：航天焊魂，點燃國產(chǎn)高端增材制造“引擎

增材制造正從“替代加工”走向“結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”。徐州航天美利達的“等離子電弧 + 激光復合增材機器人技術(shù)”不僅解決了成本與效率的矛盾，也突破了復雜結(jié)構(gòu)與微觀組織控制的技術(shù)瓶頸，構(gòu)建了金屬增材制造的“第二曲線”。

“成就客戶夢想，焊接國家棟梁”，這是航天美利達秉持的企業(yè)理念。復合增材技術(shù)不僅服務(wù)于高端航天產(chǎn)業(yè)，也推動著3D打印在能源、汽車、船舶、醫(yī)療等領(lǐng)域的普及應(yīng)用。該技術(shù)是面向工程應(yīng)用的金屬3D打印解決方案，也是“中國智造”在焊接制造領(lǐng)域一次具有突破性的嘗試。南極熊預(yù)測，未來這項技術(shù)有望與AI設(shè)計、數(shù)字孿生、智能控制等深度融合，邁向真正的智能化增材制造新階段。