傳統(tǒng)的制造工藝歷經(jīng)千百年的發(fā)展，在速度、精度、強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)性等方面，人民群眾（市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)）已經(jīng)將其發(fā)揮到技術(shù)可能的極致。

       而3D打印正在需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高附加值的領(lǐng)域進(jìn)行著快速規(guī)?；膽?yīng)用，已經(jīng)在醫(yī)療的應(yīng)用中體現(xiàn)其巨大的價(jià)值。而進(jìn)一步的市場(chǎng)開(kāi)拓，則是需要讓增材制造技術(shù)領(lǐng)域的性價(jià)比進(jìn)一步的得到提升。就像我們將青年的干勁與有閱歷的大師智慧相結(jié)合可以產(chǎn)生巨大的生產(chǎn)力，同樣3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的結(jié)合也能夠迸發(fā)巨大的潛力。

      本篇靖哥和大家討論3D打印與傳統(tǒng)制造同步進(jìn)行的一些工藝。當(dāng)然，在3D打印完成之后，再進(jìn)一步的使用傳統(tǒng)制造的工藝如鑄造、熱處理等方式進(jìn)行后加工，這種結(jié)合有非常之多種變化，也為業(yè)內(nèi)所熟知，因而并不在我們討論的范圍。

“增材”的增材，增出高速度

       普遍而言，3D打印的成形過(guò)程較慢；除非傳統(tǒng)工藝參與其中。3D打印技術(shù)是數(shù)字化無(wú)模具制造，是一個(gè)從點(diǎn)到線、到面、到體的過(guò)程。而傳統(tǒng)的鑄造等工藝，是可以實(shí)現(xiàn)高效的體成型，但是該工藝需要模具。而最近由馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校的Kazmer教授發(fā)表的一篇文章中則結(jié)合了這兩者，可以在成形中形成模具，進(jìn)而高效完成材料注射這一過(guò)程。該文章分析了在成形過(guò)程中，通過(guò)合適的路徑規(guī)劃，將原本需要線填充的區(qū)域，通過(guò)生成邊緣封閉的“模具”，而能夠?qū)崿F(xiàn)高速度“體填充”的操作方案。具體實(shí)現(xiàn)如下圖所示：

圖1 注射打印成形工藝示例：3D打印形成成形件的內(nèi)外層，實(shí)質(zhì)性的實(shí)現(xiàn)了”模具”并可以完成材料的注塑（來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

       在該文獻(xiàn)中，作者講到其成形速度是對(duì)比工藝成形速度的3倍，而且各項(xiàng)強(qiáng)度提高了50%以上，同時(shí)也提高了材料的各項(xiàng)同性。

       靖哥選擇這篇文章，是因?yàn)檫@個(gè)概念的成形可以在工業(yè)價(jià)值更高的多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)?；膰L試。這個(gè)概念的應(yīng)用在3D打印的建筑中有較早的應(yīng)用，比如對(duì)于墻體的填充。而靖哥一直心心念通過(guò)薄壁的金屬快速打印，通過(guò)坩堝或其它方式將熔融金屬實(shí)現(xiàn)填充的方案，將來(lái)應(yīng)該也會(huì)出現(xiàn)。在金屬的3D打印成形中，希望有企業(yè)/研究人員考慮這一工藝的應(yīng)用。當(dāng)然，熔融金屬實(shí)現(xiàn)填充的難點(diǎn)之一是高溫度梯度帶來(lái)的熱變形問(wèn)題，因此成形難度比低熔點(diǎn)的塑料要高很多。

       這一成形中生成模具的概念在速度的提升方面還有很大的潛力值得挖掘。

       而3D打印與傳統(tǒng)制造的結(jié)合，也在其它的方向加速成形的速度。事實(shí)上，金屬3D打印在中速度比較快的DED技術(shù)，就是在焊接、熔覆基礎(chǔ)之上，引入了3D打印的概念，并將體成形而非修復(fù)或者焊接作為主要的目的。

增材的“減材”——減出高精度

       增材制造的精度因其層片成形的原因，特別是在高速成形的工藝中，并不能達(dá)到機(jī)加工所能夠達(dá)到的高精度。層片化的制造方法，實(shí)現(xiàn)了降維制造，理論上接近于可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過(guò)程中我們同時(shí)也遭受到了層面制造帶來(lái)的表面質(zhì)量降低這一副作用。所謂事物的兩面性也不過(guò)如此吧。

       這種成形后表面質(zhì)量無(wú)法直接應(yīng)用的應(yīng)用以DED（Directed Energy Deposition）的生產(chǎn)工藝為典型。DED的技術(shù)基礎(chǔ)是熔覆技術(shù)，即在基底材料的表面堆積新的材料，從而達(dá)到增材的效果。該工藝使用電子束、激光、等離子等為能量，實(shí)現(xiàn)高速的增材效率，一般會(huì)做到每小時(shí)幾十公斤的材料。但是該工藝直接生產(chǎn)得到的產(chǎn)品表面質(zhì)量也是不可恭維，因而幾乎所有的成形都會(huì)預(yù)留較大的加工余量。對(duì)于質(zhì)量控制的精準(zhǔn)度，可以減少預(yù)留需要剪除的冗余材料，也能夠減少成形的時(shí)間和成本。 

       從下面這個(gè)動(dòng)圖我們可以看到，粗獷（糙）的成形精度下能夠?qū)崿F(xiàn)粉床成形、甚至是傳統(tǒng)機(jī)加工所不能達(dá)到的成形速度；在成形完成后，借助傳統(tǒng)的機(jī)加工進(jìn)行減材的表面處理，依然是可以得到成形質(zhì)量的鏡面化。

圖2 Sciaky電子束送絲成形工藝（來(lái)源：Sciaky）

      這些成形工藝適合制造大型非鏤空器件。DED成形工藝沒(méi)有粉床成形的尺寸限制；原材料以絲材或者氣動(dòng)送粉的工藝，原材料的成本更低。因而在航空航天、電力、核能等重型應(yīng)用的場(chǎng)景中得到了廣泛的應(yīng)用。

國(guó)外的一些公司包括Sciaky，Optomec，Trumpf，DMG等公司，國(guó)內(nèi)的公司有鑫精合的大型LENS工藝，西安智熔的電子束熔絲工藝等。

增材的“強(qiáng)化”，強(qiáng)化的強(qiáng)度

       前面所述的成形工藝，其核心的知識(shí)產(chǎn)權(quán)都?xì)w屬于歐美的增材成形公司。微鑄鍛同步復(fù)合技術(shù)，其核心的專利則是華中科技大學(xué)的張海鷗、王桂蘭教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)產(chǎn)生。常規(guī)3D打印的工藝，在工業(yè)、特別是航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，成型后材料若不經(jīng)過(guò)冗長(zhǎng)的熱處理及后處理，則其強(qiáng)韌性難以有效滿足應(yīng)用需求。張教授團(tuán)隊(duì)用微鑄鍛原位復(fù)合技術(shù)，能夠在成形的過(guò)程中將晶粒細(xì)化，從而有效地增強(qiáng)成形件的強(qiáng)韌性和疲勞壽命，能夠滿足極端使役環(huán)境下各向同性高均勻可靠性的要求。

感謝張海鷗教授團(tuán)隊(duì)對(duì)于該前沿技術(shù)提供的詳盡介紹：

1、技術(shù)背景

        高強(qiáng)韌關(guān)鍵承力鍛件是高端裝備在惡劣工況下服役性能的根本保證，一百多年來(lái)世界制造業(yè)一直采用鑄、鍛、焊、削多工序分步長(zhǎng)流程的傳統(tǒng)模式制造。隨著高端裝備輕量化與可靠性的需求不斷強(qiáng)化，大型高端鍛件向整體化、復(fù)雜化和高強(qiáng)韌化方向發(fā)展。然而，大型鍛機(jī)受限于可鍛面積及復(fù)雜度，無(wú)法整體鍛造大型復(fù)雜零件，只能分塊鍛后再拼焊，但可靠性降低，流程更長(zhǎng)；因鑄坯晶粒不均、鍛造應(yīng)力向內(nèi)衰減，難以獲得均勻等軸細(xì)晶，強(qiáng)韌性提升已趨近極限。近期被各強(qiáng)國(guó)紛紛列為戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的增材制造技術(shù)，原理上仍為熔凝微鑄，有鑄無(wú)鍛，強(qiáng)韌性達(dá)不到鍛件水平。因此，大型復(fù)雜鍛件制造仍是陸?？崭叨搜b備快速研制的“卡脖子”難題，亟待從全局簡(jiǎn)約的頂層制造理論出發(fā)，顛覆自古整體先鑄后鍛的認(rèn)知，開(kāi)發(fā)高效高質(zhì)的超短流程制造技術(shù)和裝備。

       華中科技大學(xué)創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)數(shù)字制造張海鷗團(tuán)隊(duì)艱苦奮斗20余年，發(fā)明了多能場(chǎng)微鑄鍛銑原位復(fù)合制造技術(shù)與系統(tǒng)裝備，解決了百余年來(lái)傳統(tǒng)重型鑄鍛長(zhǎng)流程制造難以保證大型復(fù)雜金屬件組織性能均勻性，以及常規(guī)增材制造微鑄層間界面冶金缺陷等科技難題，竭力為航空航天、艦船、發(fā)動(dòng)機(jī)、核電、動(dòng)車、礦山機(jī)械、化工冶金、國(guó)防裝備等關(guān)重行業(yè)的高端裝備高可靠性快速研發(fā)與可大幅度變規(guī)格變批量制造，提供柔性緊湊超短流程綠色智能制造技術(shù)與裝備的支撐。

2、技術(shù)原理

      突破傳統(tǒng)技術(shù)思路，首創(chuàng)電弧成形熔凝微區(qū)小壓力連續(xù)微鍛的新方法（圖1），實(shí)現(xiàn)了增材-等材與調(diào)質(zhì)同一工位復(fù)合制造，邊鑄邊鍛、鑄鍛同步、形性同控，從而得到零件的復(fù)雜形狀和均勻、細(xì)小的微觀組織。

圖3 微區(qū)小壓力微鍛原理（來(lái)源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

3、技術(shù)特點(diǎn)

       在傳統(tǒng)的鑄鍛分離制造模式中，鑄坯原始晶粒不均、鍛造應(yīng)力由表及里衰減，難以獲得均勻等軸細(xì)晶，制約了高端零件的高強(qiáng)韌性。為此，提出成形路徑-熔積能量-鍛造壓力-冷卻速度等多工藝參數(shù)協(xié)調(diào)控制方法，主動(dòng)控制獲得一致熱力循環(huán)條件，實(shí)現(xiàn)了無(wú)后續(xù)熱處理即可獲得傳統(tǒng)技術(shù)難以得到的12級(jí)均勻超細(xì)等軸晶，優(yōu)于傳統(tǒng)制造8級(jí)。鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)鋼等典型航空材料制件強(qiáng)韌性超過(guò)航空鍛件。

圖4 超常態(tài)成形條件下多尺度數(shù)值仿真與晶粒形態(tài)演變（來(lái)源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

圖5 典型航空材料微鑄鍛力學(xué)性能（來(lái)源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）