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3D打印技术在冶金行业的应用和创新

增材制造(又称3D打印)技术,亦称快速成型技术。即不需要传统的模具、刀具、夹具和机床,采用树脂、尼龙、石膏、塑料、钢渣、陶瓷、砂石等材料,随着业界研发的进步,已经出现支持钛、不锈钢或铝、铁金属材料的打印机。根据零件或物件的三维模型数据输入电脑,通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。按下打印键,激光就能选择性地将原材料烧结成各种物品,包括复杂的工业零部件、房屋建筑、生活中的锅碗瓢盆。

3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命,它改变了对原材料切削、组装进行生产的加工模式,实现了随时、随地、按不同的需要进行生产。3D打印是以数字化制造及新材料、新能源应用为代表的科技领域的一次重大飞跃,是传统制造技术与新材料的完美结合,已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造。如今,世界上第一辆3D打印汽车亮相加拿大,最高时速可达112公里,欧洲科学家“打印”出自行车,甚至连房屋、人体器官等都能“打印”出来。

作为工业4.0最受瞩目的技术之一,3D打印在全球范围内的发展速度“突飞猛进”。近年来,我国对3D打印技术的发展和应用更是空前关注,《中国制造2025》已将3D打印技术列入重点发展领域。目前,金属3D打印技术在航空航天、军工、医疗等高端制造领域已经有成功应用,在品质、效率、成本上体现出独特优势,但钢铁工业对成本、效率的苛刻要求和恶劣的服役环境是金属3D打印技术面临的主要挑战。

3D打印在冶金行业的应用和创新

下面论述3D打印技术在冶金行业的创新和应用和创新情况。

1.宝钢激光3D打印再制造

2006年,宝钢技术作为集团公司负责金属3D打印产业化应用的企业将3D打印应用于钢铁行业,用项目推动3D打印在工业领域的进一步发展。宝钢技术表面工程事业部联合国内相关高校、科研院所,将激光金属3D打印技术与钢铁冶金部件的再制造需求相结合。

2007年,宝钢技术利用激光3D打印再制造技术,成功修复了宝钢股份初轧1号轧机牌坊窗口面,不仅大大提高了修复效率,设备使用寿命也大幅延长。该技术为国内首创,推动了3D打印再制造技术在冶金行业的产业化应用,并形成了多项专利。

连接激光3D打印设备,就能直接“打印”金属部件,不仅可以让废旧部件“重获新生”,还能提升性能、延长寿命。2017年3月,宝武集团在成功实现多种冶金部件3D打印再制造的基础上,又成功在冶金核心部件——结晶器铜板表面打印出激光强化涂层,使之寿命提高两倍,引领和推动了激光3D打印再制造技术在国内冶金行业的产业化应用。

近年来,宝钢技术成功“打印再制造”出轧机牌坊、扁头套、万向接轴及足辊等一系列产品,还先后参与制订了激光增材再制造多项行业标准,如《在线激光修复轧机架技术规范》、《激光修复轧机扁头套技术条件等》。宝钢技术致力于扩大激光3D打印再制造技术的外延,在做精冶金行业的基础上,将在航空发动机、航空起落架、地面燃机、海工军工产品等领域开展多方位合作及交流,推动3D打印在工业领域的广泛应用。

2. 敬业集团超高速激光熔覆技术

激光熔覆亦称激光包覆,是一种新型的表面修复、表面改性技术。敬业增材的超高速激光熔覆技术更是目前世界上具有领先水平的激光熔覆技术。目前公司共有9台激光熔覆设备,分别是1台多功能设备、5台超高速激光熔覆设备、1台移动式机器人激光熔覆设备、1台10kW激光熔覆设备、1台强化设备。其中与机械研究总院、德国弗朗霍夫研究院合作开发的新型超高速率激光熔覆设备,加工效率为传统熔覆设备的2~10倍,在我国超高速激光熔覆项目方面处于领先地位。

超高速激光熔覆技术可用于汽车制造业的刹车盘、车轴;石油行业的钻井轴、油管;矿业的液压柱;钢铁行业的轧辊;航空航天起落架;海工装备的液压支架;造纸业的混料轴和运输业的耐磨防护等不同领域。

超高速熔覆技术激光能量主要作用于粉末,熔覆层精度高、厚度低,每年至少可加工5000平方米。激光能量仅有20%作用于基材,基材熔化深度小,稀释率低。设备功率小,粉末利用率高,极大的节省材料和能源。近两年来,敬业增材采用激光熔覆技术及快速成形技术等高新技术为冶金行业、煤炭行业、石油行业等受损备件修复原貌后,达到了新件90%以上使用寿命。

敬业增材制造科技有限公司与钢厂合作加工加速辊、对齐辊、轧辊强化、辊道修复,针对钢厂所需求高硬度、高耐磨性类型产品,敬业增材主要提供采用金属粉混合碳化钨进行修复,目前使用时间已达4个月且无明显磨损;同时与卷板车间合作开发激光熔覆修复导齿衬板,现已加工2套导齿衬板,到卷板进行上线实验冶金行业各种轧辊磨损失效,不能正常使用,通过耐高温、高耐磨专用粉末利用激光熔覆技术加工,恢复原尺寸,使其能够正常使用,并能显著延长其使用寿命,减少更换周期,降低企业维修和更换成本,并能减少设备停机时间,为企业创造更大的效益。  

激光熔覆技术既满足了对材料表面特定性能的要求,又节约了大量的贵重元素。这些关键设备和零部件修复及再造应用,又使再制造工程技术得到发展。

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