攻克“卡脖子”难题，500公斤全等轴晶液态金属3D打印智能设备下线

2020年10月28日，南极熊注意到，本月24日上海交通大学全等轴晶3D打印装备首台套在昆山周市镇下线。相关新闻中表示：“这意味着我国在国际上首次制备出全等轴晶组织的铸锭，打破了高端铝合金材料铸锭制造技术的国际垄断，也破解了我国大飞机制造关键材料“卡脖子”难题。”

△报道视频

那么“全等轴晶3D打印装备”究竟是什么样的一种技术，这个项目又是怎样的呢？南极熊为您逐步解析：

项目发展历程

2019年04月10日，昆山晶微新材料研究院成立，上海交大材料学院院长孙宝德、上海交通大学材料学院研究员张佼作为核心成员。

2019年7月16日，昆山市与上海交通大学签订战略合作协议，面向大飞机的全等轴晶材料3D打印智能装备项目落户苏州周市镇。上海交大材料学院技术团队，将开展面向大飞机的全等轴晶材料3D打印智能装备项目研究和产业化，实现重要航空铝材生产技术的自主可控，破解我国大飞机制造关键材料的“卡脖子”问题，解决我国核心技术领域国产化问题。

△2019年生产出20kg级全等轴晶铸锭

2020年10月24日，全等轴晶3D打印装备首台套在昆山周市镇下线。项目由上海交大材料学院孙宝德院长团队领导，得到国家科技部重大科研项目支持，经过近两年的攻关，已经成功地走出了从科研成果向创新产品迈进的第一步。

昆山晶微新材料研究院研制的首台500公斤液态金属3D打印智能设备，实现了连续液态金属3D打印的增材成型方法，而且产品为全等轴晶组织，铝的强度、均匀性、一致性等性能指标，都远远优于传统铸造工艺，技术已成功申请了海内外30多项发明专利。

项目总投资约8亿元，预计五年内完成科研产业化项目3项，全等轴晶高性能航空铝铸锭装备试制超过10吨级，目前，已完成首台500公斤液态金属3D打印智能设备组装 ，占地面积40亩的3D打印智能装备生产项目一期工程也将在年内交付。活动现场还进行了上交大全等轴晶3D打印装备订购合同签约仪式。

核心技术

1、增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置（专利申请号201710421415.X）

项目团队针对现有技术设备和工艺较为复杂能耗较高且局部偏析难以避免，难以制备完全的从宏观到微观的无偏析铸锭的缺陷，提出一种增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置，通过将雾化喷射改为液态注射的工艺手段提高合金锭的致密度，减轻其氧化，同时提高了铸锭的生产效率，可以快速制备具有更为细小均匀的全等轴晶组织且完全消除宏观偏析的铝及其合金铸锭。

2、阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备及方法（专利申请号201811363977.4）

该方法生产效率高，可以制备超大尺寸铝合金铸锭，凝固组织为全等轴晶，且无宏观偏析。与现有技术相比，本技术通过产生负压使大体积熔体经喷射形成稳定连续金属液柱，通过对多个喷嘴进行阵列式的排布设计，使大体积铝液均匀分散形成数十乃至数百股连续液流，结合下方快速冷凝台的三维运动，实现薄层铝液的大面积铺展并通过连续凝固形成铸锭。

3、等轴晶铝合金的高动量快速成型制备装置及方法（专利申请号：CN201910513418.5）

什么是“等轴晶”

晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒叫等轴晶，南极熊在一本书的配图中找到了等轴晶、柱状晶、单晶的对比图。

传统技术制造出来的金属铸锭由中心等轴晶+柱状晶区+表面细晶区组成，而上海交大材料学院孙宝德团队制造出的铸锭为全等轴晶。

500公斤全等轴晶液态金属3D打印智能设备制造出的铸锭。跟我们常规所见到的3D打印技术不同，这个液态金属3D打印应该是用层层累加的理念，来制造铸锭。

应用领域

全等轴晶铸造技术与装备可广泛应用于铝合金及其它合金大型零部件制造，推动核电、航空、航天、电子等关键领域实现技术创新。

1、航天航空及国防领域

“轻量化”、“高强度”、“高性能”及“复杂零件集成化”一直是航空航天零部件制造和研发的主要目标。3D打印技术所制造出来的零件能够很好地迎合这些要求。其应用优势主要体现在以下几个方面：1）缩短新型航空航天装备及零部件的研发周期；2）复杂结构设计得以实现；3）满足轻量化需求；4）提升航空航天装备的零部件强度和耐用性；5）提高材料的利用率，降低制造成本。

2、汽车工业

3D打印技术在汽车行业的应用贯穿汽车整个生命周期，包括研发、生产以及使用环节。随着3D打印技术不断发展、车企对3D打印认知度提高以及汽车行业自身发展需求，3D打印技术在汽车行业的应用将向市场空间更大的生产和使用环节扩展，在最终零部件生产、汽车维修、汽车改装等方面的应用将逐渐提高。

3、模具行业

CNC加工(Computerized Numerical Control 计算机数字控制加工中心)是在制造模具时最常用的技术。虽然它能够提供高度可靠的结果，但同时也非常昂贵和费时。所以很多模具制造企业也开始寻找更加有效的替代方式，3D打印技术就是一个很好的替代方式。

3D打印模具涵盖了多个优点，包括：①模具生产周期缩短；②制造成本降低；③模具设计的改进为终端产品增加了更多的功能性如随型水冷等；④优化工具更符合人体工学和提升最低性能；⑤定制模具帮助实现最终产品的定制化，提升注塑模具的生产效率以及模具寿命。

4、消费和电子产品行业

借助3D打印的优势，可以缩短产品开发周期，大幅削减设计成本，现有的3D打印技术可以实现各种复杂设计的模型制作，赋予设计师更多的自由，产品设计水平大幅提升，这对于消费品行业意义重大。

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