編者按：本文來自微信公眾號(hào)“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3）作者：靖哥，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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)字化無模具制造，是一個(gè)從點(diǎn)到線、到面、到體的過程。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程。該文章分析了在成形過程中，通過合適的路徑規(guī)劃，將原本需要線填充的區(qū)域，通過生成邊緣封閉的“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)模化的嘗試。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薄壁的金屬快速打印，通過坩堝或其它方式將熔融金屬實(shí)現(xiàn)填充的方案，將來應(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的熱變形問題，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)過程中我們同時(shí)也遭受到了層面制造帶來的表面質(zhì)量降低這一副作用。所謂事物的兩面性也不過如此吧。

這種成形后表面質(zhì)量無法直接應(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（來源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

建立微鑄鍛同步成形中的應(yīng)力應(yīng)變耦合計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)微鑄鍛同步可以驅(qū)動(dòng)微區(qū)拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變及其對(duì)內(nèi)部缺陷的抑制效應(yīng)，減輕了拉應(yīng)力導(dǎo)致的零件開裂和變形問題。

圖6 微鑄鍛同步驅(qū)動(dòng)拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變（來源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

建立電-磁-熱-力多能場(chǎng)耦合的系統(tǒng)仿真模型，揭示激光-電弧-磁場(chǎng)-熱力多能場(chǎng)作用下的超常態(tài)成形過程中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和微觀組織的特征及演變機(jī)理，通過多能場(chǎng)耦合作用調(diào)控電弧形態(tài)、熔池對(duì)流和熱力循環(huán)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧飛濺以及難成形材料氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷的有效抑制。采用檢測(cè)精度6.5μm同步輻射三維成像觀測(cè)樣件內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖7 多能場(chǎng)耦合仿真及多能場(chǎng)抑制增材成形內(nèi)部缺陷（來源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

提出了靜-動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)單元的混合分布設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了靜-動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)輔助的復(fù)合制造系統(tǒng)，借助前述的多能場(chǎng)耦合計(jì)算模型，揭示了電、磁、熱、力多場(chǎng)耦合作用對(duì)晶粒尺寸和微觀組織的調(diào)控機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了成形形狀與成分組織調(diào)控的難成形材料零件創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)并行制造。

圖8 電磁作用對(duì)熔池和晶粒形態(tài)的影響（來源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

4、技術(shù)對(duì)比

查新檢索結(jié)論：國(guó)內(nèi)外未見同類技術(shù)的報(bào)道。相近技術(shù)中，以英國(guó)Cranfield大學(xué)的電弧增材制造工藝為代表，采用的是電弧成形與大壓力冷軋先后獨(dú)立非連續(xù)非同步進(jìn)行，對(duì)形狀復(fù)雜的零件適應(yīng)性差，組織細(xì)化和均勻化不足。相較之下，本技術(shù)在關(guān)鍵性能指標(biāo)上具有明顯優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

5、結(jié)論

針對(duì)鑄鍛分離的傳統(tǒng)制造模式流程長(zhǎng)、依賴大型鍛機(jī)、能耗高、難以整體制造大型復(fù)雜零件的難題，張海鷗團(tuán)隊(duì)提出了熔凝微區(qū)增等材同步、僅用萬噸鍛機(jī)萬分之一的小壓力成形方法，顛覆了鑄鍛分離而不能原位復(fù)合的傳統(tǒng)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了用單臺(tái)微鑄鍛銑復(fù)合設(shè)備直接超短流程制造鍛件，解決了無法短流程制造復(fù)雜高品質(zhì)鍛件的世界難題，研制周期縮短60%以上，能耗減少90%。

張海鷗團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)大型復(fù)雜高可靠微鑄鍛同步超短流程制造技術(shù)與裝備，能用最短流程、最低能耗、最高效率制造出世界上高疲勞壽命及最大尺寸的均勻可靠鍛件，將強(qiáng)力支撐多行業(yè)高端裝備的快速研發(fā)，引領(lǐng)重型制造業(yè)的生產(chǎn)模式與產(chǎn)業(yè)鏈的綠色革命。

【靖哥評(píng)論】
張海鷗教授團(tuán)隊(duì)的微鑄鍛技術(shù)使得3D打印在航空，船艦等大型件制造的領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)更加高效的、高強(qiáng)度的成品生產(chǎn)，極大地拓展了3D打印的應(yīng)用范圍。
期望看到更多華人/華人企業(yè)在3D打印領(lǐng)域做出更多的創(chuàng)新，解決眾多應(yīng)用領(lǐng)域的難題。

未來的展望

靖哥從三個(gè)角度來分析了3D打印與傳統(tǒng)制造的結(jié)合，能夠在速度、精度和強(qiáng)度方面釋放的潛力。

3D打印相對(duì)于傳統(tǒng)制造所具有的復(fù)雜形狀成形的優(yōu)勢(shì)，是數(shù)字化無模具制造的優(yōu)勢(shì)。無模具的制造能夠有效的服務(wù)于今天柔性制造的需求，個(gè)性化的需求；而逐層成形的工藝特點(diǎn)在速度、成本方面并不是最優(yōu)解。拋開時(shí)間的限制，3D打印的終極應(yīng)該是數(shù)字化無模具工藝。

就像我們可以用磁場(chǎng)去控制高能粒子的運(yùn)動(dòng)，在將來，我們可能是通過聲波、光波等各種場(chǎng)形成一個(gè)看不見、卻摸得著的數(shù)字模具，對(duì)于材料來說就像“結(jié)界”一般。這樣對(duì)于成形工藝的速度和成本將會(huì)到達(dá)今天不可企及的另外一種維度。

小結(jié)

3D打印的劣勢(shì)根源，也正是其優(yōu)勢(shì)的所在。
3D打印的目標(biāo)顯然并不是完全替代傳統(tǒng)制造工藝，至少在當(dāng)前的階段是如此；而且伴隨技術(shù)的發(fā)展，兩者之間結(jié)合將進(jìn)一步加深、形成你中有我，我中有你。3D打印工藝在發(fā)展的過程中，在短期內(nèi)依然將是傳統(tǒng)制造工藝的補(bǔ)充。

【馬博士點(diǎn)評(píng)】將來會(huì)有更多混合制造的概念涌現(xiàn)出來，制造工藝無“跨界”之分，也沒有必要把增材和減材區(qū)分的那么清楚，產(chǎn)品不問技術(shù)出處，好就行。
感謝馬學(xué)為博士的反饋和編撰，感謝張海鷗教授團(tuán)隊(duì)提供詳盡的技術(shù)介紹。

參考文獻(xiàn)
1. Kazmer, David O., and Austin Colon. "Injection Printing: Additive Molding via Shell Material Extrusion and Filling." Additive Manufacturing (2020): 101469.

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場(chǎng)。如若轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

編者按：本文來自微信公眾號(hào)“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3）作者：靖哥，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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)字化無模具制造，是一個(gè)從點(diǎn)到線、到面、到體的過程。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程。該文章分析了在成形過程中，通過合適的路徑規(guī)劃，將原本需要線填充的區(qū)域，通過生成邊緣封閉的“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)模化的嘗試。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薄壁的金屬快速打印，通過坩堝或其它方式將熔融金屬實(shí)現(xiàn)填充的方案，將來應(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的熱變形問題，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)過程中我們同時(shí)也遭受到了層面制造帶來的表面質(zhì)量降低這一副作用。所謂事物的兩面性也不過如此吧。

這種成形后表面質(zhì)量無法直接應(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（來源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

建立微鑄鍛同步成形中的應(yīng)力應(yīng)變耦合計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)微鑄鍛同步可以驅(qū)動(dòng)微區(qū)拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變及其對(duì)內(nèi)部缺陷的抑制效應(yīng)，減輕了拉應(yīng)力導(dǎo)致的零件開裂和變形問題。

圖6 微鑄鍛同步驅(qū)動(dòng)拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變（來源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

建立電-磁-熱-力多能場(chǎng)耦合的系統(tǒng)仿真模型，揭示激光-電弧-磁場(chǎng)-熱力多能場(chǎng)作用下的超常態(tài)成形過程中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和微觀組織的特征及演變機(jī)理，通過多能場(chǎng)耦合作用調(diào)控電弧形態(tài)、熔池對(duì)流和熱力循環(huán)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧飛濺以及難成形材料氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷的有效抑制。采用檢測(cè)精度6.5μm同步輻射三維成像觀測(cè)樣件內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖7 多能場(chǎng)耦合仿真及多能場(chǎng)抑制增材成形內(nèi)部缺陷（來源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

提出了靜-動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)單元的混合分布設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了靜-動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)輔助的復(fù)合制造系統(tǒng)，借助前述的多能場(chǎng)耦合計(jì)算模型，揭示了電、磁、熱、力多場(chǎng)耦合作用對(duì)晶粒尺寸和微觀組織的調(diào)控機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了成形形狀與成分組織調(diào)控的難成形材料零件創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)并行制造。

圖8 電磁作用對(duì)熔池和晶粒形態(tài)的影響（來源：張海鷗教授團(tuán)隊(duì)）

4、技術(shù)對(duì)比

查新檢索結(jié)論：國(guó)內(nèi)外未見同類技術(shù)的報(bào)道。相近技術(shù)中，以英國(guó)Cranfield大學(xué)的電弧增材制造工藝為代表，采用的是電弧成形與大壓力冷軋先后獨(dú)立非連續(xù)非同步進(jìn)行，對(duì)形狀復(fù)雜的零件適應(yīng)性差，組織細(xì)化和均勻化不足。相較之下，本技術(shù)在關(guān)鍵性能指標(biāo)上具有明顯優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

5、結(jié)論

針對(duì)鑄鍛分離的傳統(tǒng)制造模式流程長(zhǎng)、依賴大型鍛機(jī)、能耗高、難以整體制造大型復(fù)雜零件的難題，張海鷗團(tuán)隊(duì)提出了熔凝微區(qū)增等材同步、僅用萬噸鍛機(jī)萬分之一的小壓力成形方法，顛覆了鑄鍛分離而不能原位復(fù)合的傳統(tǒng)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了用單臺(tái)微鑄鍛銑復(fù)合設(shè)備直接超短流程制造鍛件，解決了無法短流程制造復(fù)雜高品質(zhì)鍛件的世界難題，研制周期縮短60%以上，能耗減少90%。

張海鷗團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)大型復(fù)雜高可靠微鑄鍛同步超短流程制造技術(shù)與裝備，能用最短流程、最低能耗、最高效率制造出世界上高疲勞壽命及最大尺寸的均勻可靠鍛件，將強(qiáng)力支撐多行業(yè)高端裝備的快速研發(fā)，引領(lǐng)重型制造業(yè)的生產(chǎn)模式與產(chǎn)業(yè)鏈的綠色革命。

【靖哥評(píng)論】
張海鷗教授團(tuán)隊(duì)的微鑄鍛技術(shù)使得3D打印在航空，船艦等大型件制造的領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)更加高效的、高強(qiáng)度的成品生產(chǎn)，極大地拓展了3D打印的應(yīng)用范圍。
期望看到更多華人/華人企業(yè)在3D打印領(lǐng)域做出更多的創(chuàng)新，解決眾多應(yīng)用領(lǐng)域的難題。

未來的展望

靖哥從三個(gè)角度來分析了3D打印與傳統(tǒng)制造的結(jié)合，能夠在速度、精度和強(qiáng)度方面釋放的潛力。

3D打印相對(duì)于傳統(tǒng)制造所具有的復(fù)雜形狀成形的優(yōu)勢(shì)，是數(shù)字化無模具制造的優(yōu)勢(shì)。無模具的制造能夠有效的服務(wù)于今天柔性制造的需求，個(gè)性化的需求；而逐層成形的工藝特點(diǎn)在速度、成本方面并不是最優(yōu)解。拋開時(shí)間的限制，3D打印的終極應(yīng)該是數(shù)字化無模具工藝。

就像我們可以用磁場(chǎng)去控制高能粒子的運(yùn)動(dòng)，在將來，我們可能是通過聲波、光波等各種場(chǎng)形成一個(gè)看不見、卻摸得著的數(shù)字模具，對(duì)于材料來說就像“結(jié)界”一般。這樣對(duì)于成形工藝的速度和成本將會(huì)到達(dá)今天不可企及的另外一種維度。

小結(jié)

3D打印的劣勢(shì)根源，也正是其優(yōu)勢(shì)的所在。
3D打印的目標(biāo)顯然并不是完全替代傳統(tǒng)制造工藝，至少在當(dāng)前的階段是如此；而且伴隨技術(shù)的發(fā)展，兩者之間結(jié)合將進(jìn)一步加深、形成你中有我，我中有你。3D打印工藝在發(fā)展的過程中，在短期內(nèi)依然將是傳統(tǒng)制造工藝的補(bǔ)充。

【馬博士點(diǎn)評(píng)】將來會(huì)有更多混合制造的概念涌現(xiàn)出來，制造工藝無“跨界”之分，也沒有必要把增材和減材區(qū)分的那么清楚，產(chǎn)品不問技術(shù)出處，好就行。
感謝馬學(xué)為博士的反饋和編撰，感謝張海鷗教授團(tuán)隊(duì)提供詳盡的技術(shù)介紹。

參考文獻(xiàn)
1. Kazmer, David O., and Austin Colon. "Injection Printing: Additive Molding via Shell Material Extrusion and Filling." Additive Manufacturing (2020): 101469.

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