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(tái)套在昆山周市鎮(zhèn)下線。相關(guān)新聞中表示：“這意味著我國(guó)在國(guó)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(guó)際壟斷，也破解了我國(guó)大飛機(jī)制造關(guān)鍵材料“卡脖子”難題�！�

△報(bào)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(gè)項(xiàng)目又是怎樣的呢？南極熊為您逐步解析：

項(xiàng)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(zhǎng)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(jī)的全等軸晶材料3D打印智能裝備項(xiàng)目落戶蘇州周市鎮(zhèn)。上海交大材料學(xué)院技術(shù)團(tuán)隊(duì)，將開(kāi)展面向大飛機(jī)的全等軸晶材料3D打印智能裝備項(xiàng)目研究和產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)重要航空鋁材生產(chǎn)技術(shù)的自主可控，破解我國(guó)大飛機(jī)制造關(guān)鍵材料的“卡脖子”問(wèn)題，解決我國(guó)核心技術(shù)領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。

△2019年生產(chǎn)出20kg級(jí)全等軸晶鑄錠

2020年10月24日，全等軸晶3D打印裝備首臺(tái)套在昆山周市鎮(zhèn)下線。項(xiàng)目由上海交大材料學(xué)院孫寶德院長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)，得到國(guó)家科技部重大科研項(xiàng)目支持，經(jīng)過(guò)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(jìn)的第一步。

昆山晶微新材料研究院研制的首臺(tái)500公斤液態(tài)金屬3D打印智能設(shè)備，實(shí)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(qiáng)度、均勻性、一致性等性能指標(biāo)，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造工藝，技術(shù)已成功申請(qǐng)了海內(nèi)外30多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。

項(xiàng)目總投資約8億元，預(yù)計(jì)五年內(nèi)完成科研產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目3項(xiàng)，全等軸晶高性能航空鋁鑄錠裝備試制超過(guò)10噸級(jí)，目前，已完成首臺(tái)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(xiàng)目一期工程也將在年內(nèi)交付�；顒�(dòng)現(xiàn)場(chǎng)還進(jìn)行了上交大全等軸晶3D打印裝備訂購(gòu)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(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01710421415.X）

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(wú)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(guò)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(shí)提高了鑄錠的生產(chǎn)效率，可以快速制備具有更為細(xì)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(zhuān)利申請(qǐng)?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(wú)宏觀偏析。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)通過(guò)產(chǎn)生負(fù)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(guò)對(duì)多個(gè)噴嘴進(jìn)行陣列式的排布設(shè)計(jì)，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(tái)的三維運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)薄層鋁液的大面積鋪展并通過(guò)連續(xù)凝固形成鑄錠。

3、等軸晶鋁合金的高動(dòng)量快速成型制備裝置及方法（專(zhuān)利申請(qǐng)?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(shū)的配圖中找到了等軸晶、柱狀晶、單晶的對(duì)比圖。

傳統(tǒng)技術(shù)制造出來(lái)的金屬鑄錠由中心等軸晶+柱狀晶區(qū)+表面細(xì)晶區(qū)組成，而上海交大材料學(xué)院孫寶德團(tuán)隊(duì)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(jiàn)到的3D打印技術(shù)不同，這個(gè)液態(tài)金屬3D打印應(yīng)該是用層層累加的理念，來(lái)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(dòng)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(guó)防領(lǐng)域

“輕量化”、“高強(qiáng)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(lái)的零件能夠很好地迎合這些要求。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(jì)得以實(shí)現(xiàn)；3）滿足輕量化需求；4）提升航空航天裝備的零部件強(qiáng)度和耐用性；5）提高材料的利用率，降低制造成本。

2、汽車(chē)工業(yè)

3D打印技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用貫穿汽車(chē)整個(gè)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(chē)企對(duì)3D打印認(rèn)知度提高以及汽車(chē)行業(yè)自身發(fā)展需求，3D打印技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用將向市場(chǎng)空間更大的生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)擴(kuò)展，在最終零部件生產(chǎn)、汽車(chē)維修、汽車(chē)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制加工中心)是在制造模具時(shí)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(shí)也非常昂貴和費(fèi)時(shí)。所以很多模具制造企業(yè)也開(kāi)始尋找更加有效的替代方式，3D打印技術(shù)就是一個(gè)很好的替代方式。

3D打印模具涵蓋了多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(jì)的改進(jìn)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(shí)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(fèi)和電子產(chǎn)品行業(yè)

借助3D打印的優(yōu)勢(shì)，可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，大幅削減設(shè)計(jì)成本，現(xiàn)有的3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜設(shè)計(jì)的模型制作，賦予設(shè)計(jì)師更多的自由，產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平大幅提升，這對(duì)于消費(fèi)品行業(yè)意義重大。

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