一、課題來源與背景:
歐美國家在工業(yè)級選擇性激光燒結(jié)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。以德國EOS和美國3D Systems為代表,這些企業(yè)在高性能設(shè)備、材料開發(fā)及工藝優(yōu)化上擁有完善的技術(shù)體系,并已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療和工業(yè)制造領(lǐng)域。近年來,國外重點關(guān)注多激光協(xié)同控制、超高溫材料燒結(jié)以及大幅面復(fù)雜構(gòu)件的快速制造,進一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能。
國內(nèi)在此領(lǐng)域起步較晚,但近年來快速發(fā)展。以華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等為代表的科研機構(gòu),以及國內(nèi)企業(yè)在高溫激光燒結(jié)設(shè)備、工藝研發(fā)和材料創(chuàng)新方面取得顯著成果。
二、技術(shù)原理及性能指標(biāo)
增材制造的核心是通過逐層添加材料來制造三維物體,SLS 打印設(shè)備完全遵循這一原理。它利用高功率激光選擇性地?zé)Y(jié)粉末材料,將粉末顆粒逐層熔化并粘結(jié)在一起,從而形成三維實體,是增材制造核心原理的典型應(yīng)用案例。
主要性能指標(biāo)如下:
1、材料適應(yīng)性
適用材料為高分子聚合物:PA(尼龍)、TPU、PEEK等共計20余種。
材料利用率:未燒結(jié)粉末可回收(重復(fù)使用率約100%)。
2、成型精度
層厚分辨率:80-150μm。
尺寸誤差:通常為±0.2%。
3、機械性能
拉伸強度:尼龍(PA12)可達45-50MPa。
耐溫性:PA12熱變形溫度約180℃,PEEK可達340℃。
4、生產(chǎn)效能
構(gòu)建尺寸:設(shè)備成型缸尺寸為260×260×450mm至600×600×800mm。
打印速度:約20-26mm/h高度。
三、技術(shù)的創(chuàng)造性與先進性
(一)創(chuàng)造性
1、無模具自由成型
顛覆傳統(tǒng)工藝:首次實現(xiàn)無需模具或刀具的“減法制造”向“增材制造”轉(zhuǎn)型,尤其適合單件或小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)(如拓撲優(yōu)化后的輕量化部件)。
自支撐設(shè)計革命:利用未燒結(jié)粉末作為自然支撐,突破傳統(tǒng)3D打?。ㄈ鏢LA)依賴支撐結(jié)構(gòu)的限制,可制造傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的懸空、內(nèi)腔、晶格等異形結(jié)構(gòu)(如航空航天燃料噴嘴內(nèi)的螺旋冷卻通道)。
2、材料兼容性創(chuàng)新
設(shè)備能夠支持多種高分子材料和復(fù)合材料的打印,并通過特殊的粉末處理工藝和打印參數(shù)優(yōu)化,提升了材料的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。這種多材料適應(yīng)性擴展了設(shè)備的應(yīng)用場景。通過復(fù)合粉末(如尼龍+玻璃纖維、金屬+陶瓷)實現(xiàn)材料性能定制化,例如碳纖維增強尼龍(PA-CF)兼具高強度和耐熱性。
(二)先進性
1、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力
功能集成設(shè)計:可一體成型帶有內(nèi)部流道、鉸鏈或活動部件的組件(如汽車渦輪增壓器的冷卻系統(tǒng)),減少傳統(tǒng)工藝的裝配步驟。
微結(jié)構(gòu)可控性:通過調(diào)整激光參數(shù)(功率、掃描間距)精確控制孔隙率,制造生物相容性骨科植入物或輕質(zhì)吸能結(jié)構(gòu)。
2、高性能材料應(yīng)用
耐極端環(huán)境材料:直接燒結(jié)PEEK、PEKK等高溫聚合物,用于航空發(fā)動機耐200℃以上高溫的電纜支架。
四、技術(shù)的成熟程度,適用范圍和安全性
1、目前技術(shù)已經(jīng)高度成熟,可以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
2、適用場景:
復(fù)雜結(jié)構(gòu):內(nèi)部流道、晶格結(jié)構(gòu)、一體化裝配體(如齒輪組)。
案例:西門子燃氣渦輪機葉片內(nèi)部的冷卻通道(傳統(tǒng)工藝需拆分焊接,SLS一體成型)。
小批量定制:單件或數(shù)百件量級,避免模具成本。
案例:助聽器耳模、骨科植入物(患者特異性匹配)。
輕量化需求:拓撲優(yōu)化后的鏤空結(jié)構(gòu),減重30%-70%。
案例:空客A320艙門支架(SLS尼龍件比金屬件輕50%)。
功能集成:嵌入傳感器或?qū)щ娡返亩嗖牧喜考?
案例:柔性電子穿戴設(shè)備的TPU基電路支架。
3、安全性:材料無毒害,安全性高。
五、應(yīng)用情況及存在的問題
目前設(shè)備已與韓國現(xiàn)代汽車,廣汽、一汽等汽車廠商合作用于汽車的試制和產(chǎn)線夾具的使用,同時廣泛應(yīng)用于3D打印服務(wù)領(lǐng)域,銷售與國內(nèi)眾多服務(wù)商,為醫(yī)療、汽車、消費品及電子、電器、教育等領(lǐng)域均有使用。
應(yīng)用方面存在的問題是設(shè)計思維轉(zhuǎn)換困難,由于傳統(tǒng)設(shè)計慣性,工程師習(xí)慣為注塑/CNC設(shè)計,不能充分利用SLS技術(shù)的無支撐、復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(如晶格減重)。
1.招鑾 2.何德生 3.歐健泉
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評價單位: |
中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會 |
報告編號: |
中電節(jié)評字【2025】第CG023號 |
評價日期: |
2025-04-22 |
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組織單位: |
中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會 |
項目負責(zé): |
廖婷 |
成果管理: |
18017017723 |
1. 提供的資料基本齊全,符合評價要求。
2. 該項目的關(guān)鍵技術(shù)及主要創(chuàng)新點:
(1)研發(fā)了雙CO₂激光系統(tǒng)與對焦技術(shù),單激光功率可達140W,能量輸出可保障高效成型,實現(xiàn)3軸數(shù)字動態(tài)對焦,聚焦精度0.4mm,適應(yīng)復(fù)雜零件的加工,能顯著提升成型質(zhì)量。
(2)首創(chuàng)靈活調(diào)節(jié)成型技術(shù),自主發(fā)明自動冷卻技術(shù),成型速度控制在15-25mm/h,層厚0.06-0.2mm可調(diào),最大掃描速度達到22,000mm/s,兼顧了效率與精度,綜合效能顯著優(yōu)于同類進口設(shè)備。
(3)研發(fā)了超高溫打印技術(shù)與紅外溫漂檢測技術(shù),最高工作溫度可達340℃,可充分滿足多種材料的加工需求,溫漂檢測精度達到0.1℃/年,可確保溫度的穩(wěn)定性,減少成型缺陷。同時設(shè)計的“上出粉+雙側(cè)供粉”結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)粉末均勻分布,提高了材料利用率。
3. 該項目技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利,具有自主知識產(chǎn)權(quán)。
評價委員會認為該項目技術(shù)達到國際先進水平,一致同意通過科技成果評價。
| 姓名 |
工作單位 |
職稱 |
從事專業(yè) |
| 黃利斌 |
工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司 |
正高 | |
| 張序國 |
科技部火炬中心 |
正高 | |
| 李晉華 |
后保部 |
正高 | |
| 梁生 |
北京交通大學(xué) |
正高 | |
| 張霞 |
航天八三五八所航天光電科技發(fā)展(天津)有限公司 |
正高 | |
| 李建武 |
北京理工大學(xué) |
正高 | |
| 洪晟 |
北京航空航天大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能安全研究所 |
正高 | |