我國激光立體成形技術************
1892年，一個立體地形模型制造的美國專利首創(chuàng)了疊層制造原理，在其后的一百年間，類似的疊層制造專利有數百個之多，實踐中的技術探索也層出不窮。但以立體光刻技術的誕生為標志，以快速滿足柔性化需求為主要應用目標的現代增材制造技術才真正形成。可以說，如果沒有CAD實體模型和對其進行分層剖分的軟件技術，沒有能夠控制激光束按任意設定軌跡運動的振鏡技術、精工機床或機器手，增材制造技術的柔性化特征就只能停留在一種理想的原理上。因此，增材制造技術應該被稱為信息化增材制造技術或數字化增材制造技術。作為信息化時代的代表性制造技術，增材制造技術是應該得到大力支持的前沿技術，是使我國在信息化時代，特別是當前回歸實體制造業(yè)的世界潮流中占領制造技術領域國際制高點的優(yōu)先發(fā)展方向。 激光立體成形是能夠滿足成形/成性一體化極限需求的增材制造技術 自立體光刻技術誕生以來，產生了很多構思奇妙的增材成形制造技術，對社會生產力的發(fā)展起到了極大的推動作用。但大多數增材成形技術主要是應用于快速原型制造，所以一度被冠以“快速原型”技術的名稱。但增材成形原理絕非只能用于成形，也可以解決高性能的需求。激光立體成形技術就是一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體化制造技術。激光立體成形技術是將增材成形原理與激光熔覆技術相結合，集激光技術、計算機技術、精工技術和材料技術諸多現代先進技術于一體的一項實現高性能致密金屬零件快速自由成形的增材制造技術。 20世紀90年代以來，材料加工技術發(fā)展前沿呈現了一個明顯的趨勢，即追求短流程、低消耗、高柔性、環(huán)境友好、成形與組織性能控制一體化的先進技術。這種趨勢反映的是需求的極限化要求，即同時滿足多方面高端需求。這種極限化的需求在很多領域反映出來，而尤以航空航天領域為典型。航空航天領域的金屬材料加工技術的典型前沿需求是兼顧高精度、高性能、高柔性與快速反應，成形結構十分復雜的薄壁金屬零件。盡管鑄、鍛、焊、粉末冶金等各種傳統技術都被努力發(fā)揮到近于極限，但由于其各自的技術原理所帶來的根本性限制，依然難以滿足這種極限化需求，這常常成為制約航空航天整體技術發(fā)展的瓶頸。激光立體成形技術，作為一種快速自由成形高性能致密金屬零件的新技術，為解決同時滿足上述多方面高端需求的難題提供了一條全新的技術途徑。這項技術在醫(yī)學植入體、船舶、機械、能源、動力領域復雜整體構件的高性能直接成形和快速修復等領域也都有廣闊的應用前景。 同批量化制造相比，滿足多樣化需求的個性化制造本質上是高成本的。信息化增材制造與采用常規(guī)制造技術來滿足多樣化和個性化需求相比，成本已經得到了極大的降低，但同批量化制造相比其成本仍然更高。因此，除了在新品研制和航空航天等可以承受較高制造成本的高端領域外，激光立體成形技術在其他領域的應用發(fā)展還受到較大的限制。但任何新技術的發(fā)展都有一個從初期的高成本逐漸降至低成本的過程。激光立體成形有進一步降低制造成本的廣闊空間。一方面，激光器及其運行成本在不斷降低；另一方面，隨著人力成本越來越高，激光立體成形相對于需要大量人力的傳統加工技術的成本會變得越來越低。在現階段，激光立體成形還主要是在要求高性能、小批量、快速反應的零件生產的場合具有競爭力，而未來在批量生產領域的競爭力也會逐漸增強。 西北工業(yè)大學激光立體成形C919飛機翼肋緣條。 增材制造/激光立體成形技術的發(fā)展現狀與趨勢 近年來，激光立體成形技術得到發(fā)達國家政府、大企業(yè)和研究機構的高度重視。作為美國制造業(yè)振興計劃“WeCan，tWait”項目的一部分,美國政府于2013年8月高調宣布成立國家增材制造創(chuàng)新研究所(NAMII：NationalAdditiveManufacturingInnovationInstitute)，其第一階段的政府和民間投資為7000萬美元。奧巴馬總統強調這個研究所的成立是強化美國制造業(yè)的步驟。在空客于2006年啟動的集成機翼計劃(IntegratedWingATVP，第一階段總經費3400萬英鎊)中，英國焊接研究所(TWI)承擔起落架激光成形研發(fā)工作，經費400萬英鎊，TWI為此建立了兩套激光成形裝備。南非科技與工業(yè)研究院(CSIR)下屬的國家激光中心與南非航空制造公司Aerosud將合作開展Aeroswift項目研究。Aeroswift的目標是，自主開發(fā)高速度、大體積的高性能金屬零件激光添加材料制造(LAM)系統，為全球航空工業(yè)制造鈦金屬材料配件，并力爭在未來三年內，使Aerosud成為全球航空結構材料制造領域的領軍者。Aeroswift的目標是直接加工2m×0.5m×0.5m的零件。為此，南非科技部已經投入了2800萬蘭特(約合1712萬元人民幣)，并且預計他們的LAM制造體系將在2012年底至2013年初完成組建和試驗工作，然后開始優(yōu)化和工藝鑒定，希望從2015年開始全面生產。 美國波音公司、洛克希德·馬丁公司、通用電氣航空發(fā)動機公司、Sandia國家實驗室和LosAlomos國家實驗室、歐洲EADS公司、英國羅羅公司、法國SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大國家研究院、澳大利亞國家科學研究中心等大型公司和國家研究機構都對激光立體成形技術及其在航空航天領域的應用開展了大量研究工作。參與這項研究的世界著名大學更是數不勝數。 值得注意的是，美國軍方對這項技術的發(fā)展給予了相當大的關注，在其直接支持下，美國于2000年率先將這一先進技術實用化。應用目標包括先進飛機承力結構件如鈦合金支架、吊耳、框、梁等，航空發(fā)動機零件如鎳基高溫合金單晶葉片，戰(zhàn)術導彈、人造衛(wèi)星、超音速飛行器的薄壁結構件如導彈制導部外殼座、導彈姿態(tài)控制系統的錸燃燒室等。2002年10月該公司獲得美國國防部后勤局(U.S.DefenseLogisticsAgency)出資1940萬美元，資助AeroMet公司由單純的技術研究開發(fā)到成為軍用及民用飛機的通過認證的、性能可靠的鈦合金結構件激光立體成形制造供應商的轉變。