Advantages and disadvantages of 3D printing technology compared with traditional processing technology

• YE Dongsen

  Affiliation：

  Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

  ×
• ， SHEN Peiliang

  Affiliation：

  Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

  ×
• ， ZHANG Dachuang

  Affiliation：

  Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

  ×
• ， YANG Fan

  Affiliation：

  Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

  ×
• ， WU Lei

  Affiliation：

  Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

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• ， WANG Qianqian

  Affiliation：

  Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

  ×

Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China；

叶冬森,女,博士,工程师。主要研究方向:增材制造。E-mail:[email protected];

沈培良,男,本科,研究员。主要研究方向:金属疲劳损伤容限。E-mail:[email protected];

张大川,男,硕士,高级工程师。主要研究方向:金属疲劳损伤容限。E-mail:[email protected];

杨钒,女,硕士,助理工程师。主要研究方向:增材制造。E-mail:[email protected];

吴磊,男,硕士,助理工程师,主要研究方向:增材制造。E-mail:[email protected];

王倩倩,女,硕士,助理工程师。主要研究方向:增材制造。E-mail:[email protected]

随着计算机技术的飞速发展,3D打印(增材制造/快速成形)技术基于分层制造原理,采用材料逐层累加的方法,直接将数字化模型制造为实体零件,在多个领域具有广泛的应用前景。3D打印技术与传统加工各有千秋,3D打印与数控加工、铸锻造及模具制造等传统加工手段相结合,正在成为新产品快速成形与制造的方法之一。在民机制造领域,3D打印生产的零件,尤其是金属成形件,需要进一步的后处理(如热处理)才能投入生产使用。对于特定金属材料的3D打印成形零件,形状可以优化控制,并且结构静力性能可与铸锻件媲美。但是,由于无损检测能力的限制,3D打印零件内部孔隙度和微裂纹不可预测。对3D成形件的认识程度相比于传统加工还有较大差距,在民机应用中还有较长的路需要走。

Abstract

With the rapid development of computer technology, 3D printing (additive manufacturing/rapid prototyping) technology is based on the principle of layered manufacturing and accumulates materials layer by layer to directly manufacture digital models into solid parts. It has be applied in many fields. 3D printing technology and traditional processing have their own advantages. Mixed manufacturing of 3D printing and traditional processing is becoming one of the methods for prototyping and manufacturing of new products. In the field of civil aircraft manufacturing, parts produced by 3D printing, especially the metal ones, require further post-processing (e.g. heat treatment) before they can be put into production. For 3D printed parts of specific metal materials, the shape can be optimized and controlled, and the static properties of the structure can be comparable to that of castings and forgings. However, due to the limitation of the nondestructive testing ability, the internal porosity and microcracks of 3D printed parts are unpredictable. The understanding of 3D parts is still far from traditional processing in civil aircraft application.

3D打印技术是一项前沿性的先进制造技术,利用3D打印机使三维CAD数据直接打印成三维模型,快速实现各种复杂个性化原型设计,比传统的制造方法快速、省时,在航空航天 ^{[ 1 ]} 、生物医学 ^{[ 2 ]} 、机械制造 ^{[ 3 ]} 、文化创意 ^{[ 4 ]} 等行业有广泛的应用前景。在全球兴起的新一轮数字化制造浪潮中,3D打印技术作为其中最为关键的核心技术,是第四次工业革命重要的推动力和催化剂,正在引领设计与生产的变革。3D打印产品有诸多优点,但在工业应用上仍受诸多限制。一方面,3D打印产品应用量少,价格居高不下;另一方面,缺乏有效的缺陷评估能力,3D打印产品的可靠性不可预测。目前传统工艺原材料丰富、制作工艺完善、产业链条完整、制作成本低 ^{[ 5 ]} ,仍然是航空业的主要应用工艺。同时,作为一种新兴技术,3D打印金属产品在疲劳性方面的研究还处于起步阶段,金属增材民机应用有很大的局限性。但3D打印工艺的灵活性使结构优化设计有更大的发挥空间,可以弥补传统制造工艺对飞机结构设计的限制 ^{[ 6 ]} ,给民机设计降本减重带来可能性。随着技术的进步,增材产业链完善和工艺水平的进步,3D打印将会给飞机结构设计理念带来更大的机遇。

1 3D打印技术的简介

3D打印是一种使用数字文件制作三维立体物体的过程,首先计算机三维软件将零件数模切分成数字化薄片,在成形平台上,送料机构在规定范围内按照数字薄片铺覆材料,同时热源对轮廓数据进行加工,通过连续堆积材料来创建模型,如图1所示。减材制造与3D打印相反,是用铣床等切割或镂空出零件构型。对于传统的材料去除加工技术,3D打印是一种自下而上的材料累积加工方法。3D打印仅在一台设备上即可制造出任意复杂形状的零件,不需要刀具、夹具以及多道加工工序,实现了自由制造,解决了许多复杂结构零件的成形问题,并缩短了制造周期。3D打印技术按照其材料和工艺的不同,划分成了不同类型的3D打印技术。目前,比较成熟的3D打印技术主要包括选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,简称SLM)、快速等离子体沉积工艺(Rapid Plasma Deposition,简称RPD)、激光金属熔覆(Laser Metal Deposition,简称LMD)等,这些主要是金属3D打印技术;此外还有熔融沉积制造技术(Fused Deposition Modeling,简称FDM)、光固化成形技术(Stereo lithography Apparatus,简称SLA)、聚合物喷射技术(PolyJet)等 ^{[ 7 ]} ,这些主要是非金属3D打印技术。目前在民机设计中成功使用的3D打印技术有金属RPD ^{[ 8 ]} 和非金属3D打印FDM ^{[ 9 - 10 ]} ,大幅降低了成本,减少了机加工和材料消耗,缩短了交货时间。

等材加工主要是将熔融材料浇入模型,熔融材料凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的零件毛坯,主要包括铸造、锻造等,如图3所示。等材加工在无机械加工或少量加工后即可使用,可在批量生产时很大程度上降低生成成本并减少制造周期,从而广泛应用于民用飞机设计领域 ^{[ 12 ]} 。

传统的加工技术普遍存在工作环境差、工序多且复杂、模具制造周期长、构型迭代困难,少批量加工时成本高、对人员技术要求高等缺点,这使得传统加工不能满足目前民机中快速、高效迭代的零件研制生产速度。

3D打印虽有广阔发展前景,但也存在巨大的挑战。在技术上,通过材料逐层构造零件的方法不同于传统的锻造或铸造,微结构、缺陷种类、残余应力、可检验性、后处理要求以及结构性能和耐久性等,均不同于传统方法所产生的材料。对于复杂零件,材料设计值可能不能代表结构实际性能,需要通过高于试片级的结构试验验证材料与工艺共同影响结构性能。

同时,适用于3D打印的材料种类有限,用于民机的材料需要满足适航要求,3D打印材料的力学性能、组织结构、制造工艺稳定性、供应商质量监控等都需要严格的控制,这使得3D打印技术只能应用于民机设计的一些特定场合。尤其对于金属材料,增材制造目前还没有达到材料的标准化水平,普遍缺乏工业材料规范和工艺规范、基本性能的共享数据库、以及测试标准,难以用现有生产检测技术表明民机上应用产品的可重复性和质量稳定性。

由于3D打印制造过程控制复杂,采用分层制造,层层叠加制造工艺,层与层之间结合处的质量无法像精锻零件一样整体均匀。材料的微观组织和结构决定了零件的物理性能如静强度、疲劳性能等,目前3D打印技术发展水平还不能满足民用飞机损伤容限和疲劳强度设计要求。

3D打印技术因其固有的成形原理的限制,通过3D打印技术成形的零件尤其是金属零件内部存在制造缺陷,主要有空隙、微裂纹、熔融不良等缺陷,这些缺陷尺寸一般小于20 μm,低于一般的无损检测方法门槛,而这些缺陷又是裂纹萌生源,严重影响结构的疲劳性能。从而导致增材金属零件不能直接作为民机大型关键承力件使用,只能作为小型功能件使用,使其应用范围受到限制。

由于模具制造费用昂贵,等材加工主要用来制造结构相对简单、构型成熟度高、构型更改概率低、大批量生产的零件。减材加工的材料应用广泛、具有较高的加工精度,主要应用在结构复杂度低、表面光洁度要求高的零件。民用飞机的零件设计会根据结构形状、结构性能要求、工作环境、研发生产周期、成本等要求选择合适的加工方式。

目前在民机设计领域,所有零件均可以通过传统加工完成,3D打印的出现是对传统加工工艺的优化补充。同时,3D打印制造零件的全流程也离不开传统工艺(如后处理)的辅助。3D打印与传统加工不是相互取代关系,而是相互结合取长补短的共存技术。

6 3D打印发展展望

3D打印技术设计灵活、节省材料、适合小批量生产,这些只是采用3D打印技术的部分原因,在生产中充分使用该技术,仍需要高效制造技术。目前材料的可用性是3D打印行业的一个重要挑战,3D打印材料的种类确实得到了飞速发展,但没有一个可靠的材料数据库,这使得应用不同材料时会做不同的验证试验,大大限制了3D打印的应用速度和范围。因此,开发具有统一标准的3D打印材料数据库是未来加快3D打印速度的关键。

另外,为实现大尺寸零件的高效制造,发展3D打印多加工单元的集成技术,提高制造效率,保证3D打印组织之间的一致性和单元结合区域的质量是发展3D打印高效制造的另一关键技术。