目前涉等，3D打印技術(shù)的應(yīng)用及研究主要集中在航空航天系羞、電子复罐、醫(yī)療等精密零件的加工和修復(fù)領(lǐng)域，而在以鐵基金屬為主的大型鑄鍛件領(lǐng)域上的應(yīng)用還很少趟紊。大型鑄鍛件產(chǎn)品氮双，如火電主軸、核電封頭霎匈、水輪機(jī)葉片等的重量動(dòng)輒幾十上百噸戴差，而以目前的金屬3D打印技術(shù)平均1kg/h的加工速度以及每公斤上千元的材料成本計(jì)算，采用大型鑄鍛件整體3D打印技術(shù)完成大型鑄鍛件的制造無法實(shí)現(xiàn)铛嘱。但是暖释，這并不是說3D打印技術(shù)不能在大型鑄鍛件領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

只要應(yīng)用得當(dāng)波烘，3D打印技術(shù)也可以像鑄造在摔、鍛造以及焊接一樣，成為大型鑄鍛件制造中不可缺少的重要生產(chǎn)工藝亥矿，并且在大型鑄鍛件行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新唤吐、降本增效、質(zhì)量提升過程中發(fā)揮重要作用锨飞。本文通過參考當(dāng)前金屬及非金屬3D打印技術(shù)在其他領(lǐng)域取得的研究成果诫幼，對(duì)未來3D打印技術(shù)在以鐵基金屬為主的大型鑄鍛件領(lǐng)域的應(yīng)用方向進(jìn)行了分析，從而為大型鑄鍛件行業(yè)的發(fā)展提供借鑒徘敦。

1.金屬材料3D打印技術(shù)

3D打印鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件等大型零件的金屬材料的性能可以達(dá)到或接近鍛件水平翅殃。3D打印技術(shù)修復(fù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3D打印與零件基體結(jié)合區(qū)域的性能達(dá)到了零件的要求。與傳統(tǒng)的焊接相比虾钾，金屬3D打印修復(fù)具有以下特點(diǎn)：

(1)熱影響區(qū)小臊娩，不影響基體組織應(yīng)力分布;

(2)無需加熱及后續(xù)熱處理;

(3)3D打印組織與基體冶金結(jié)合致密，性能接近零件原組織;

(4)3D打印區(qū)域組織性能達(dá)到鍛件水平;

(5)自動(dòng)化控制透嫩，加工余量少框全。

1.1 大型鍛件局部3D打印成形

以AP1000核電主管道為例察绷，設(shè)計(jì)要求采用超低碳控氮不銹鋼整體鍛造，鍛件生產(chǎn)的主要難點(diǎn)是兩個(gè)管嘴的成形竣况，鍛件材料利用率在15%以下。受3D打印技術(shù)修復(fù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的啟發(fā)筒严，核電主管道的成形可以簡化為鍛造或擠壓不銹鋼管+3D打印管嘴成形丹泉，該方法能夠極大的降低核電主管道的生產(chǎn)難度及成本。

類似核電主管道及多管嘴封頭等具有局部難成形特征的大型鍛件都可以采用鍛件主體+3D打印局部的方式成形鸭蛙，該方法將在保證鍛件整體質(zhì)量的情況下大大降低鍛件的生產(chǎn)難度摹恨、成本和周期。另外娶视，還可將大型鍛件局部3D打印成形的思路拓展到大型零件3D打印拼焊技術(shù)晒哄。如果3D打印區(qū)域以及3D打印區(qū)域與基體結(jié)合區(qū)域的金屬材料性能都能達(dá)到鍛件要求，這就預(yù)示著未來完全可以采用3D打印拼焊鍛件代替整體大鍛件肪获。

1.2 大型鍛件缺陷修復(fù)

大型鍛件表面及內(nèi)部的超標(biāo)缺陷寝凌、由于缺料造成的鍛件加工余量不足等質(zhì)量問題，都可能導(dǎo)致鍛件的整體報(bào)廢孝赫，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和能源浪費(fèi)央颈。由于焊接組織的性能低于鍛件組織，因此鍛件一般不容許補(bǔ)焊岗制，而金屬3D打印技術(shù)的出現(xiàn)卻能改變這一現(xiàn)狀械耙。目前，金屬3D打印的某些材料性能已經(jīng)能夠達(dá)到鍛件水平刷男，如果3D打印組織與鍛件基體的結(jié)合能達(dá)到鍛件要求袖蝙，就可以采用3D打印技術(shù)局部修補(bǔ)大型鍛件的缺陷區(qū)域，從而提高鍛件合格率剪碱。未來羊耸，隨著3D打印技術(shù)的提高，類似大型鑄件容許補(bǔ)焊一樣穆递，大型鍛件也容許3D打印修復(fù)胸立，這對(duì)于大型鍛件生產(chǎn)工藝將是革命性的突破。

1.3 大型零件在線修復(fù)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子像样、水輪機(jī)葉片绷觉、船用曲軸等大型零件在使用過程中會(huì)出現(xiàn)局部裂紋、磨損及變形等失效問題莫辨，傳統(tǒng)的補(bǔ)焊方法需要通過機(jī)加工→預(yù)熱→焊接→機(jī)加工→熱處理等流程才能修復(fù)傲茄。修復(fù)工作需要在大型專業(yè)設(shè)備上進(jìn)行，但是修復(fù)區(qū)域性能低于零件原組織沮榜，增加了維修成本盘榨、維修周期喻粹，維修效果也不理想。而采用機(jī)器人與3D打印技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的便攜式可移動(dòng)金屬3D打印設(shè)備能改變這一現(xiàn)狀草巡，實(shí)現(xiàn)大型零件的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)守呜，甚至在線修復(fù)。機(jī)器人金屬3D打印技術(shù)修復(fù)大型零件的具體操作步驟是：

(1)確定修復(fù)方案山憨，對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理;

(2)采用三維成像技術(shù)對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行三維反求建模;

(3)將修復(fù)區(qū)域三維模型轉(zhuǎn)化為機(jī)械手移動(dòng)路徑;

(4)確定3D打印參數(shù)查乒，機(jī)械手定位，進(jìn)行修復(fù);

(5)修復(fù)區(qū)域表面處理及檢測(cè)郁竟。

1.4 大型零件表面處理

金屬3D打印技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向就是多材料以及漸變材料的3D打印成形玛迄，該領(lǐng)域的研究成果可以在大型零件，特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜或功能復(fù)雜零件的表面處理上得到應(yīng)用棚亩。相比于電鍍蓖议、熱噴涂以及化學(xué)氣相沉積等傳統(tǒng)的金屬表面處理方式，金屬3D打印技術(shù)被看作是激光涂覆工藝的延伸腹瞒，具有結(jié)合層牢固毁几、涂層厚度大且可控、數(shù)字化控制孝尺、材料范圍廣等優(yōu)勢(shì)殷淮，特別是在大型零件的局部改性和強(qiáng)化方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1.5 金屬材料3D打印技術(shù)的研究重點(diǎn)

根據(jù)目前金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展情況腺拗，以上研究方向在技術(shù)上都有很大的可行性两靖，而且許多技術(shù)已在小型零件上得到應(yīng)用。為了使金屬3D打印技術(shù)在大型鑄鍛件領(lǐng)域早日得到應(yīng)用困碰，當(dāng)前應(yīng)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究：

(1)材料方面耍俱。相對(duì)于鈦合金及高溫合金，大型鑄鍛件使用的鐵基合金較為簡單西龟，關(guān)鍵是材料成本的控制馒脏。

(2)設(shè)備方面。目前3D打印設(shè)備的工作臺(tái)面尺寸及承重有限镣学，無法滿足大型鑄鍛件局部加工要求歌淹，未來需要開發(fā)更加靈活便捷的加工設(shè)備。

(3)系統(tǒng)方面黎炉。3D打印制造及修復(fù)需要三維反求枝秤、建模、二維路徑轉(zhuǎn)化等操作慷嗜，而大型鑄鍛件多為單件小批量生產(chǎn)淀弹，缺陷出現(xiàn)隨機(jī)性大，因此未來需要對(duì)相應(yīng)軟件及操作進(jìn)行集成庆械，從而提高生產(chǎn)效率薇溃。

(4)工藝方面菌赖。不斷優(yōu)化金屬3D打印工藝參數(shù)，使其更好適應(yīng)大型鑄鍛件的特殊要求沐序，預(yù)防開裂琉用、變形以及脫落等缺陷的產(chǎn)生。

(5)性能方面策幼。為了使3D打印技術(shù)在核電邑时、火電以及大型壓力容器等大型零件上得到持久應(yīng)用，類似持久蠕變垄惧、低周疲勞等材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要長期積累刁愿。

(6)標(biāo)準(zhǔn)問題街赊。不同于小型零件搜计，安全生產(chǎn)是大型鑄鍛件修復(fù)及制造的重點(diǎn)，而各種生產(chǎn)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的缺失是3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域發(fā)展的重要瓶頸娘介，標(biāo)準(zhǔn)的制定也需要較長的時(shí)間杉藐。

2.非金屬材料3D打印技術(shù)

以蠟?zāi)？焖俪尚魏蜕靶涂焖俪尚螢橹鞯?D打印技術(shù)在小型精密鑄件以及鑄件快速成形領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用用载，并且有向大型化發(fā)展的趨勢(shì)攒置，目前已經(jīng)可以制作2m以上的模型。重量在(20～500)t之間的汽輪機(jī)缸體披蚕、水電機(jī)組的葉片以及冶金設(shè)備機(jī)架等大型鑄件一般采用木模+砂型鑄造生產(chǎn)尖坦，目前還未使用3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制造。

2.1 大型鑄件模型3D打印

非金屬材料3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的快速建立讹渴，對(duì)于生產(chǎn)批量大装屈、形狀復(fù)雜、表面要求高的大型鑄件擒欢，可以整體或局部替代木模路学，從而有效縮短大型鑄件生產(chǎn)周期，提高鑄件生產(chǎn)質(zhì)量盒件。針對(duì)3D打印技術(shù)在大型模型建立過程中出現(xiàn)的成形速度慢蹬碧、變形嚴(yán)重以及成本較高等問題，目前的解決方法有幾種：

(1)增大3D打印線材直徑以提高加工速度;

(2)采用多噴頭設(shè)計(jì)以提高加工速度;

(3)多個(gè)小設(shè)備并行工作炒刁，拼粘成大型模型以提高加工速度;

(4)在3D打印設(shè)備上增加熱保溫裝置恩沽，減少零件變形翹曲;

(5)優(yōu)化3D打印參數(shù)，從而減少模型變形及開裂等問題;

(6)優(yōu)化3D打印材料翔始，在保證模型質(zhì)量的同時(shí)降低材料成本及使用量;

(7)采用木撵基體拼粘3D打印局部方案，降低生產(chǎn)成本绽昏，縮短制造周期协屡。

2.2 大型鑄件砂型3D打印

砂型材料3D打印技術(shù)的原理是通過低功率激光器對(duì)樹脂砂進(jìn)行逐層燒結(jié)最終形成復(fù)雜砂型俏脊，目前主要用于中小型復(fù)雜鑄件的快速制造。采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)大型鑄件砂型有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)大型鑄件目前使用的反箱制模型方法對(duì)拔模角度有很高要求肤晓，而3D打印砂型對(duì)拔模角度無要求爷贫，甚至可以實(shí)現(xiàn)負(fù)拔模角度;

(2)3D打印砂型無需制模、反模等過程补憾，就可以制作非常復(fù)雜的鑄件惯篇，擺脫了工藝方法對(duì)鑄件形狀的約束;

(3)3D打印砂型使單件小批量生產(chǎn)的大型鑄件的生產(chǎn)周期縮短，成本降低忱厨。

3.3D打印砂型在大型鑄件中使用的主要難點(diǎn)有：

(1)性能問題辱囤。大型鑄件幾何尺寸很大，3D打印砂型的強(qiáng)度需要提高鲤瞪。3D打印的砂型致密性較高牢介，發(fā)氣量較大，在大型鑄件生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)很多缺陷揉拯，因此泳厌，需要通過實(shí)驗(yàn)方式分析具體工藝措施或原材料配比來解決缺陷。

(2)速度問題液斩。目前的3D打印速度較慢起驱，提高加工速度的方法基本與模型3D打印一致。

(3)設(shè)備問題谤赛。大型砂型強(qiáng)度較低鹊获，應(yīng)盡量減少運(yùn)輸過程，其生產(chǎn)設(shè)備最好設(shè)置在鑄造車間內(nèi)追城。目前刹碾，還不能使用3D打印技術(shù)直接生產(chǎn)大型鑄件的整體砂型，但是可以將3D打印砂型作為大型鑄件砂型的鑲件或砂芯漓柑，用于成形鑄件局部復(fù)雜區(qū)域旧败。

未來假磺，最經(jīng)濟(jì)有效的大型鑄件生產(chǎn)方式將會(huì)是非金屬材料3D打印技術(shù)薇缅、鑄件傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝以及數(shù)值模擬技術(shù)三者的結(jié)合评也，具體的工藝步驟是：

(1)生產(chǎn)單位收到零件圖紙及模型，開始鑄件及澆鑄系統(tǒng)初步設(shè)計(jì);

(2)綜合考慮鑄件變形锋玲、開裂等因素景用，采用有限元軟件對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)和澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化;

(3)將優(yōu)化后的模型進(jìn)行分解，模型基體部分采用傳統(tǒng)木模成形惭蹂，復(fù)雜幾何尺寸部分采用模型3D打印成形伞插，二者通過粘接形成鑄件最終模型;

(4)將鑄件中形狀復(fù)雜、負(fù)拔模角度部分采用砂型3D打印成形;

(5)將3D打印砂型鑲嵌在大型鑄件砂型中盾碗，結(jié)合模型生成最終的大型鑄件砂型媚污。

由于采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的模型及砂型是由數(shù)模直接轉(zhuǎn)化成實(shí)體模型舀瓢，無需人工操作，因此可以提高模型表面質(zhì)量皿掂，縮短鑄件生產(chǎn)周期瓣车，擺脫傳統(tǒng)工藝方法對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的限制，從而提高鑄件的材料利用率般供、減少鑄件缺陷菠贡、降低鑄件成本。

3D打印技術(shù)作為一種通用的零件加工手段栅告，極大的擺脫了傳統(tǒng)工藝方法對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)睛至、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本等生產(chǎn)要素的束縛域抚，為傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)開辟了一種新的思路治部。3D打印技術(shù)在大型鑄鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間，金屬3D打印技術(shù)在大型鑄鍛件的制造及修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用豫鞭，非金屬3D打印技術(shù)改進(jìn)了大型鑄件生產(chǎn)工藝抡悼，實(shí)現(xiàn)了降本增效卿俺、縮短生產(chǎn)周期鬓预、提高鑄件質(zhì)量。從目前3D打印技術(shù)的發(fā)展情況來看颜说，3D打印技術(shù)在大型鑄鍛件領(lǐng)域的應(yīng)用還需要經(jīng)歷一個(gè)由小型到大型购岗，由非關(guān)鍵部位到關(guān)鍵部位，由普通零件到重要零件的發(fā)展過程门粪。

目前喊积，我國大型鑄鍛件行業(yè)處于產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、低端產(chǎn)品惡性競(jìng)爭(zhēng)玄妈，高端產(chǎn)品受制于人的不利局面乾吻。采用傳統(tǒng)的方法對(duì)大型鑄鍛件生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)已不能有效降低生產(chǎn)成本、提高零件質(zhì)量拟蜻、縮短生產(chǎn)周期绎签、拓展市場(chǎng)空間。因此必須引進(jìn)新的技術(shù)和方法才能大幅提高我國大型鑄鍛件行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力酝锅。3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)诡必，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體物品的新興制造技術(shù)搔扁，是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大機(jī)遇爸舒。

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