編者按：批量生產(chǎn)與首件試制不同，推開(kāi)實(shí)驗(yàn)室的大門(mén)邁進(jìn)生產(chǎn)車(chē)間，關(guān)注的就不僅僅是如何打印出一個(gè)合格的工件，而是如何穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)出一批合格的產(chǎn)品。從原材料到成品檢測(cè)的全面質(zhì)量管理和持續(xù)不斷的成本優(yōu)化，才是推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用從1到N的關(guān)鍵。

格智學(xué)院專(zhuān)訪中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院絲材打印中心
副主任子集團(tuán)科技帶頭人、研究員 明珠

導(dǎo)彈由動(dòng)力裝置、制導(dǎo)系統(tǒng)、戰(zhàn)斗部和彈體組成。彈體是導(dǎo)彈的盔甲，它包括彈身、彈翼、尾翼、舵面等部分。鋁合金因?yàn)榫哂休^高的強(qiáng)度和剛度，以及較好的工藝成型性能，通常被用來(lái)制造導(dǎo)彈的蒙皮和彈翼，傳統(tǒng)采用鑄造或卷焊工藝進(jìn)行制備。然而鑄造工藝存在內(nèi)應(yīng)力大、變形大、特殊位置容易出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題，且無(wú)法響應(yīng)復(fù)雜程度日益增加的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

成立于2017年5月，中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所（中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院）絲材打印中心專(zhuān)注于響應(yīng)兵器及三航飛行器、彈箭類(lèi)產(chǎn)品需求，不斷攻克材料、工藝、裝備等方面的關(guān)鍵技術(shù)，5年間已采用電弧增材制備30余個(gè)型號(hào)1000余件產(chǎn)品，已實(shí)現(xiàn)電弧增材技術(shù)在多個(gè)型號(hào)的小批量生產(chǎn)應(yīng)用及驗(yàn)證。

異形、復(fù)雜、多筋結(jié)構(gòu)電弧增材優(yōu)勢(shì)明顯

框架類(lèi)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是厚薄差異大，鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂。同時(shí)鑄造是完全拘束狀態(tài)內(nèi)應(yīng)力大，從而導(dǎo)致變形大，而電弧增材是自由無(wú)拘束狀態(tài)，打印后應(yīng)力小變形小。

結(jié)構(gòu)異形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，鑄造出現(xiàn)缺陷的情況更多，甚至有的缺陷無(wú)法探傷，微裂紋可能會(huì)在使用中延展開(kāi)，產(chǎn)生大問(wèn)題。采用增材與減材交替復(fù)合加工的方法，可以直接完成大型異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制備，且減少缺陷、減少變形。

傳統(tǒng)焊絲無(wú)法滿足電弧增材需要

從材料來(lái)說(shuō)，材料的成分、潔凈度、絲徑均勻程度、表面質(zhì)量等等都至關(guān)重要。對(duì)于絲材電弧增材來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的焊接絲材無(wú)法滿足需要。因?yàn)楹附油赃B接為目的，比如兩塊板材之間的對(duì)接或角接，更多關(guān)注的是垂直于焊縫方向的二維性能，而3D打印是三維的，需要關(guān)注XYZ三維空間甚至任意角度的性能，都要盡可能同性，而要減小各向異性，就對(duì)絲材成分控制、潔凈度要求極高。而不均勻的絲徑、表面的劃傷、油污、氧化等，都可能造成產(chǎn)品制備過(guò)程中的夾渣、氣孔等缺陷，最終影響產(chǎn)品成品的質(zhì)量。

五二所對(duì)材料的經(jīng)驗(yàn)可以追溯到上世紀(jì)90年代，發(fā)展至今已經(jīng)形成從材料開(kāi)發(fā)、材料制備到產(chǎn)品制備的包括原材料，工藝，裝備，后處理，檢測(cè)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

歷經(jīng)六代裝備迭代演進(jìn)

除材料之外，工藝也是控形和控性的關(guān)鍵因素，控形和控性需要打印路徑的合理規(guī)劃，還有熱處理、機(jī)加工等后處理過(guò)程中對(duì)變形的控制。

打印工藝也離不開(kāi)裝備，從第一代“機(jī)器人+焊機(jī)+工作臺(tái)”的簡(jiǎn)單配置，到第五代商業(yè)化程度極高的數(shù)字化大型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，到第六代智能化的原位增減復(fù)合裝備，絲材打印中心將多年來(lái)積累的工藝實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)融合進(jìn)了生產(chǎn)裝備的不斷迭代之中，目前擁有增材裝備20套，其中鋁合金增材裝備18套，鈦合金增材裝備2套。

電弧增材制造未來(lái)“島”

絲材打印中心在未來(lái)2-3年內(nèi)會(huì)規(guī)劃建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)智能化工序規(guī)劃及調(diào)度的電弧增材制造工藝“島”，將目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的工藝參數(shù)數(shù)字化、熔滴監(jiān)控?cái)?shù)字化，以及熱處理過(guò)程感知等數(shù)字化手段集成其中，用于批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。

進(jìn)一步降低成本推廣民用市場(chǎng)

通過(guò)多年的積累，目前基于絲材打印中心的經(jīng)驗(yàn)和評(píng)估，電弧增材技術(shù)在目前導(dǎo)彈殼體小批量打印的場(chǎng)景中，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)與鑄造成本持平甚至更低，從某種程度上顛覆了普遍對(duì)于3D打印技術(shù)成本更高、更適用于研發(fā)試制場(chǎng)景的刻板印象。

未來(lái)，隨著裝備、工藝、材料的進(jìn)一步進(jìn)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜多材料、低成本、數(shù)字化、智能化的電弧增材，并將這項(xiàng)技術(shù)大量推廣到民用的市場(chǎng)，是最終的目標(biāo)。

注：本文整理自格智學(xué)院策劃并制作的系列行業(yè)科普紀(jì)錄片《DED發(fā)現(xiàn)之旅》，選題報(bào)名聯(lián)系：魏璇 18061635313。

知識(shí)補(bǔ)充：

Directed Energy Deposition（DED）

定向能量沉積
英文名稱(chēng)：Directed Energy Deposition
英文縮寫(xiě)：DED
中文名稱(chēng)：定向能量沉積
技術(shù)定義（ISO/ASTM52900:2021）：
Additive manufacturing process in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting as they are being deposited.
技術(shù)定義（GB/T）：利用聚焦熱將材料同步熔化沉積的增材制造工藝。
技術(shù)細(xì)分（ISO/ASTM52900:2021）：
    DED-LB：能量源為激光
    DED-EB：能量源為電子束
    DED-Arc：能量源為電弧
歸屬此類(lèi)的常見(jiàn)增材技術(shù)（俗稱(chēng)）：LC, LENS, LMD, LDMD, LSF, EBDM, EBAM, EBF, WAAM等

編者按：批量生產(chǎn)與首件試制不同，推開(kāi)實(shí)驗(yàn)室的大門(mén)邁進(jìn)生產(chǎn)車(chē)間，關(guān)注的就不僅僅是如何打印出一個(gè)合格的工件，而是如何穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)出一批合格的產(chǎn)品。從原材料到成品檢測(cè)的全面質(zhì)量管理和持續(xù)不斷的成本優(yōu)化，才是推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用從1到N的關(guān)鍵。

格智學(xué)院專(zhuān)訪中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院絲材打印中心
副主任子集團(tuán)科技帶頭人、研究員 明珠

導(dǎo)彈由動(dòng)力裝置、制導(dǎo)系統(tǒng)、戰(zhàn)斗部和彈體組成。彈體是導(dǎo)彈的盔甲，它包括彈身、彈翼、尾翼、舵面等部分。鋁合金因?yàn)榫哂休^高的強(qiáng)度和剛度，以及較好的工藝成型性能，通常被用來(lái)制造導(dǎo)彈的蒙皮和彈翼，傳統(tǒng)采用鑄造或卷焊工藝進(jìn)行制備。然而鑄造工藝存在內(nèi)應(yīng)力大、變形大、特殊位置容易出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題，且無(wú)法響應(yīng)復(fù)雜程度日益增加的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

成立于2017年5月，中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所（中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院）絲材打印中心專(zhuān)注于響應(yīng)兵器及三航飛行器、彈箭類(lèi)產(chǎn)品需求，不斷攻克材料、工藝、裝備等方面的關(guān)鍵技術(shù)，5年間已采用電弧增材制備30余個(gè)型號(hào)1000余件產(chǎn)品，已實(shí)現(xiàn)電弧增材技術(shù)在多個(gè)型號(hào)的小批量生產(chǎn)應(yīng)用及驗(yàn)證。

異形、復(fù)雜、多筋結(jié)構(gòu)電弧增材優(yōu)勢(shì)明顯

框架類(lèi)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是厚薄差異大，鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂。同時(shí)鑄造是完全拘束狀態(tài)內(nèi)應(yīng)力大，從而導(dǎo)致變形大，而電弧增材是自由無(wú)拘束狀態(tài)，打印后應(yīng)力小變形小。

結(jié)構(gòu)異形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，鑄造出現(xiàn)缺陷的情況更多，甚至有的缺陷無(wú)法探傷，微裂紋可能會(huì)在使用中延展開(kāi)，產(chǎn)生大問(wèn)題。采用增材與減材交替復(fù)合加工的方法，可以直接完成大型異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制備，且減少缺陷、減少變形。

傳統(tǒng)焊絲無(wú)法滿足電弧增材需要

從材料來(lái)說(shuō)，材料的成分、潔凈度、絲徑均勻程度、表面質(zhì)量等等都至關(guān)重要。對(duì)于絲材電弧增材來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的焊接絲材無(wú)法滿足需要。因?yàn)楹附油赃B接為目的，比如兩塊板材之間的對(duì)接或角接，更多關(guān)注的是垂直于焊縫方向的二維性能，而3D打印是三維的，需要關(guān)注XYZ三維空間甚至任意角度的性能，都要盡可能同性，而要減小各向異性，就對(duì)絲材成分控制、潔凈度要求極高。而不均勻的絲徑、表面的劃傷、油污、氧化等，都可能造成產(chǎn)品制備過(guò)程中的夾渣、氣孔等缺陷，最終影響產(chǎn)品成品的質(zhì)量。

五二所對(duì)材料的經(jīng)驗(yàn)可以追溯到上世紀(jì)90年代，發(fā)展至今已經(jīng)形成從材料開(kāi)發(fā)、材料制備到產(chǎn)品制備的包括原材料，工藝，裝備，后處理，檢測(cè)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

歷經(jīng)六代裝備迭代演進(jìn)

除材料之外，工藝也是控形和控性的關(guān)鍵因素，控形和控性需要打印路徑的合理規(guī)劃，還有熱處理、機(jī)加工等后處理過(guò)程中對(duì)變形的控制。

打印工藝也離不開(kāi)裝備，從第一代“機(jī)器人+焊機(jī)+工作臺(tái)”的簡(jiǎn)單配置，到第五代商業(yè)化程度極高的數(shù)字化大型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，到第六代智能化的原位增減復(fù)合裝備，絲材打印中心將多年來(lái)積累的工藝實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)融合進(jìn)了生產(chǎn)裝備的不斷迭代之中，目前擁有增材裝備20套，其中鋁合金增材裝備18套，鈦合金增材裝備2套。

電弧增材制造未來(lái)“島”

絲材打印中心在未來(lái)2-3年內(nèi)會(huì)規(guī)劃建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)智能化工序規(guī)劃及調(diào)度的電弧增材制造工藝“島”，將目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的工藝參數(shù)數(shù)字化、熔滴監(jiān)控?cái)?shù)字化，以及熱處理過(guò)程感知等數(shù)字化手段集成其中，用于批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。

進(jìn)一步降低成本推廣民用市場(chǎng)

通過(guò)多年的積累，目前基于絲材打印中心的經(jīng)驗(yàn)和評(píng)估，電弧增材技術(shù)在目前導(dǎo)彈殼體小批量打印的場(chǎng)景中，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)與鑄造成本持平甚至更低，從某種程度上顛覆了普遍對(duì)于3D打印技術(shù)成本更高、更適用于研發(fā)試制場(chǎng)景的刻板印象。

未來(lái)，隨著裝備、工藝、材料的進(jìn)一步進(jìn)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜多材料、低成本、數(shù)字化、智能化的電弧增材，并將這項(xiàng)技術(shù)大量推廣到民用的市場(chǎng)，是最終的目標(biāo)。

注：本文整理自格智學(xué)院策劃并制作的系列行業(yè)科普紀(jì)錄片《DED發(fā)現(xiàn)之旅》，選題報(bào)名聯(lián)系：魏璇 18061635313。

知識(shí)補(bǔ)充：

Directed Energy Deposition（DED）

定向能量沉積
英文名稱(chēng)：Directed Energy Deposition
英文縮寫(xiě)：DED
中文名稱(chēng)：定向能量沉積
技術(shù)定義（ISO/ASTM52900:2021）：
Additive manufacturing process in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting as they are being deposited.
技術(shù)定義（GB/T）：利用聚焦熱將材料同步熔化沉積的增材制造工藝。
技術(shù)細(xì)分（ISO/ASTM52900:2021）：
    DED-LB：能量源為激光
    DED-EB：能量源為電子束
    DED-Arc：能量源為電弧
歸屬此類(lèi)的常見(jiàn)增材技術(shù)（俗稱(chēng)）：LC, LENS, LMD, LDMD, LSF, EBDM, EBAM, EBF, WAAM等