攻克“卡脖子”難題，500公斤全等軸晶液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備下線

2020年10月28日，南極熊注意到，本月24日上海交通大學(xué)全等軸晶3D打印裝備首臺套在昆山周市鎮(zhèn)下線。相關(guān)新聞中表示：“這意味著我國在國際上首次制備出全等軸晶組織的鑄錠，打破了高端鋁合金材料鑄錠制造技術(shù)的國際壟斷，也破解了我國大飛機制造關(guān)鍵材料“卡脖子”難題�！�

△報道視頻

那么“全等軸晶3D打印裝備”究竟是什么樣的一種技術(shù)，這個項目又是怎樣的呢？南極熊為您逐步解析：

項目發(fā)展歷程

2019年04月10日，昆山晶微新材料研究院成立，上海交大材料學(xué)院院長孫寶德、上海交通大學(xué)材料學(xué)院研究員張佼作為核心成員。

2019年7月16日，昆山市與上海交通大學(xué)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，面向大飛機的全等軸晶材料3D打印智能裝備項目落戶蘇州周市鎮(zhèn)。上海交大材料學(xué)院技術(shù)團隊，將開展面向大飛機的全等軸晶材料3D打印智能裝備項目研究和產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)重要航空鋁材生產(chǎn)技術(shù)的自主可控，破解我國大飛機制造關(guān)鍵材料的“卡脖子”問題，解決我國核心技術(shù)領(lǐng)域國產(chǎn)化問題。

△2019年生產(chǎn)出20kg級全等軸晶鑄錠

2020年10月24日，全等軸晶3D打印裝備首臺套在昆山周市鎮(zhèn)下線。項目由上海交大材料學(xué)院孫寶德院長團隊領(lǐng)導(dǎo)，得到國家科技部重大科研項目支持，經(jīng)過近兩年的攻關(guān)，已經(jīng)成功地走出了從科研成果向創(chuàng)新產(chǎn)品邁進的第一步。

昆山晶微新材料研究院研制的首臺500公斤液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備，實現(xiàn)了連續(xù)液態(tài)金屬3D打印的增材成型方法，而且產(chǎn)品為全等軸晶組織，鋁的強度、均勻性、一致性等性能指標(biāo)，都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造工藝，技術(shù)已成功申請了海內(nèi)外30多項發(fā)明專利。

項目總投資約8億元，預(yù)計五年內(nèi)完成科研產(chǎn)業(yè)化項目3項，全等軸晶高性能航空鋁鑄錠裝備試制超過10噸級，目前，已完成首臺500公斤液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備組裝 ，占地面積40畝的3D打印智能裝備生產(chǎn)項目一期工程也將在年內(nèi)交付�；顒蝇F(xiàn)場還進行了上交大全等軸晶3D打印裝備訂購合同簽約儀式。

核心技術(shù)

1、增材法快速凝固全等軸晶鋁合金鑄錠的制備方法及裝置（專利申請?zhí)?01710421415.X）

項目團隊針對現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備和工藝較為復(fù)雜能耗較高且局部偏析難以避免，難以制備完全的從宏觀到微觀的無偏析鑄錠的缺陷，提出一種增材法快速凝固全等軸晶鋁合金鑄錠的制備方法及裝置，通過將霧化噴射改為液態(tài)注射的工藝手段提高合金錠的致密度，減輕其氧化，同時提高了鑄錠的生產(chǎn)效率，可以快速制備具有更為細小均勻的全等軸晶組織且完全消除宏觀偏析的鋁及其合金鑄錠。

2、陣列噴射式大尺寸全等軸晶鋁合金錠增材制造裝備及方法（專利申請?zhí)?01811363977.4）

該方法生產(chǎn)效率高，可以制備超大尺寸鋁合金鑄錠，凝固組織為全等軸晶，且無宏觀偏析。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)通過產(chǎn)生負壓使大體積熔體經(jīng)噴射形成穩(wěn)定連續(xù)金屬液柱，通過對多個噴嘴進行陣列式的排布設(shè)計，使大體積鋁液均勻分散形成數(shù)十乃至數(shù)百股連續(xù)液流，結(jié)合下方快速冷凝臺的三維運動，實現(xiàn)薄層鋁液的大面積鋪展并通過連續(xù)凝固形成鑄錠。

3、等軸晶鋁合金的高動量快速成型制備裝置及方法（專利申請?zhí)枺篊N201910513418.5）

什么是“等軸晶”

晶粒在各方向上尺寸相差較小的晶粒叫等軸晶，南極熊在一本書的配圖中找到了等軸晶、柱狀晶、單晶的對比圖。

傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的金屬鑄錠由中心等軸晶+柱狀晶區(qū)+表面細晶區(qū)組成，而上海交大材料學(xué)院孫寶德團隊制造出的鑄錠為全等軸晶。

500公斤全等軸晶液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備制造出的鑄錠。跟我們常規(guī)所見到的3D打印技術(shù)不同，這個液態(tài)金屬3D打印應(yīng)該是用層層累加的理念，來制造鑄錠。

應(yīng)用領(lǐng)域

全等軸晶鑄造技術(shù)與裝備可廣泛應(yīng)用于鋁合金及其它合金大型零部件制造，推動核電、航空、航天、電子等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。

1、航天航空及國防領(lǐng)域

“輕量化”、“高強度”、“高性能”及“復(fù)雜零件集成化”一直是航空航天零部件制造和研發(fā)的主要目標(biāo)。3D打印技術(shù)所制造出來的零件能夠很好地迎合這些要求。其應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）縮短新型航空航天裝備及零部件的研發(fā)周期；2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計得以實現(xiàn)；3）滿足輕量化需求；4）提升航空航天裝備的零部件強度和耐用性；5）提高材料的利用率，降低制造成本。

2、汽車工業(yè)

3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用貫穿汽車整個生命周期，包括研發(fā)、生產(chǎn)以及使用環(huán)節(jié)。隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展、車企對3D打印認(rèn)知度提高以及汽車行業(yè)自身發(fā)展需求，3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用將向市場空間更大的生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)擴展，在最終零部件生產(chǎn)、汽車維修、汽車改裝等方面的應(yīng)用將逐漸提高。

3、模具行業(yè)

CNC加工(Computerized Numerical Control 計算機數(shù)字控制加工中心)是在制造模具時最常用的技術(shù)。雖然它能夠提供高度可靠的結(jié)果，但同時也非常昂貴和費時。所以很多模具制造企業(yè)也開始尋找更加有效的替代方式，3D打印技術(shù)就是一個很好的替代方式。

3D打印模具涵蓋了多個優(yōu)點，包括：①模具生產(chǎn)周期縮短；②制造成本降低；③模具設(shè)計的改進為終端產(chǎn)品增加了更多的功能性如隨型水冷等；④優(yōu)化工具更符合人體工學(xué)和提升最低性能；⑤定制模具幫助實現(xiàn)最終產(chǎn)品的定制化，提升注塑模具的生產(chǎn)效率以及模具壽命。

4、消費和電子產(chǎn)品行業(yè)

借助3D打印的優(yōu)勢，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大幅削減設(shè)計成本，現(xiàn)有的3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)各種復(fù)雜設(shè)計的模型制作，賦予設(shè)計師更多的自由，產(chǎn)品設(shè)計水平大幅提升，這對于消費品行業(yè)意義重大。

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