一、项目概况

　　（一）项目名称：全密度金属功能零件激光快速成形系统研究

　　（二）项目预计投资总额：15000万元

　　（三）合作方式：独资

　　（四）主要建设内容：年产10万套激光烧结蜡模生产。技术关键在于开发功能完善的系统数据处理及其控制软件；研制性能优良的同轴送粉系统；研究工艺规划方法；对制造的金属零件的物理性能、机械性能、显微组织结构进行深入研究分析。创新点在于基于激光熔覆制造技术与快速原型技术，利用高功率激光熔化金属粉末，直接制造出全密度、高质量的金属功能零件；综合应用UG建模软件、ANSYS有限元分析软件和Gambit流场分析软件，优化送粉器和粉末喷嘴的结构；采用人工智能分析手段，确定最优化的系统工艺参数。

　　（五）项目建设背景：快速成形技术（Rapid Prototyping）是八十年代末兴起并得到迅速发展的崭新制造技术，被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破、近代制造技术史上的又一个里程碑，其对制造业的影响可与数控技术的出现相比。

　　快速成形系统将机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术熔合为一体，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件／模具，有效地缩短了产品的研究开发周期。它从成形原理上提出一个全新的思维模式：首先在计算机上制作出零件三维模型；然后将零件三维模型进行网格化处理并且存储成STL格式文件；之后对STL格式文件进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，并且按照这些轮廓信息自动生成加工路径；接着由成形设备在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层一层地成形材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维零件；最后进行零件的后处理，形成最终零件。

　　在制造业中，按照成形材料及其成形工艺划分，将快速成形技术分为以下三个发展历程：基于非金属材料的原型件快速制造技术、基于传统快速原型设备的金属零件直接制造技术和全密度金属功能零件直接快速制造技术。

　　基于非金属材料的原型件快速制造技术是最早发展起来的快速成形技术，其加工对象主要集中在光敏树脂、塑料、纸、特种蜡及聚合物等少数几种非金属材料，所加工的模型一般只能作为原型看样和对设计进行验证，不能作为最终零件直接使用。目前比较成熟的技术有：立体光造型(SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、熔融沉积成形(FDM)等。

　　基于传统快速原型设备的金属零件直接制造技术是采用传统快速原型设备，改进所用材料和制造工艺发展起来的能够直接制造金属零件的技术。该技术是为解决原型零件不能直接作为功能零件使用的问题而产生的。目前比较成形的工艺主要是采用LOM工艺和FDM工艺制造金属零件。然而，采用上述技术加工的金属零件虽然比非金属零件力学性能有很大提高，但仍然存在着成形件的致密度和强度低的缺陷，还不能作为最终的零件使用。大多这样的金属零件都需要后烧结工艺，其工艺烦琐、收缩率大、精度较差，因此很难应用到生产实际中去。

　　全密度金属功能零件直接快速制造技术将突破传统快速成形工艺方法和成形材料的局限，是目前快速成形诸多方法中研究最多、最有发展前途的新型制造技术。全密度金属功能零件直接快速制造以基于高功率激光的快速成形技术为主，它以金属粉末为原料、利用高能激光直接制造出具有良好机械性能且能满足精度要求的金属功能零件，这一直是快速成形技术的发展目标之一。传统的RP技术以其巨大优点和发展速度已经引起各国政府的高度重视, 各国纷纷确立了一些RP重点研究项目进行资助。美国国家自然科学基金委员会和其它联邦委员会都投入较大资金向一些大学、公司提供资助和贷款等以推动RP学术研究与应用开发研究。目前，国外许多科研机构如雨后春笋般纷纷开展起全密度金属功能零件直接快速制造技术的研究并且取得了丰硕的研究成果。

　　我国于九十年代初开始快速成形技术的研究工作，尽管起步较晚，但是经过十多年的研究和开发，也取得了丰硕的成果。在九十年代我国在快速成形技术方面的研究基本处在跟踪国外先进技术和工艺阶段，现在一些有实力的大学和研究机构也在进行创新工艺的研究。目前，国内在全密度金属功能零件直接快速制造技术方面也开展了一些研究工作。

　　然而，尽管全密度金属功能零件直接快速制造技术已经成为目前国内外的研究热点，且在国外发展十分迅速，但国内在这方面的研究才刚刚起步，且研究工作还不系统、研究内容过于肤浅，这种状况使得该项技术很难在国内尽快达到实用化的程度。要想使该项技术在国内尽快达到实用化，还存在着如下重要的问题有待于解决：工艺研究因保密原因而缺乏系统性；理论模型需进一步深化；需发展成形过程的实时检测与闭环控制技术；异质材料（复合材料、功能梯度材料）零件的信息处理及成形技术；适用于金属材料激光成形的快速凝固技术有待于深入研究；成形参数最佳匹配技术等等。

　　从上述国内外全密度金属功能零件直接快速制造技术的发展趋势、目前状况以及存在的问题看，使用大功率CO2激光发生器对工业中普遍应用的金属粉末进行直接快速成形制造是快速成形技术研究的必然方向。

　　二、项目建设规模与产品方案

　　（一）建设规模：占地面积2万平方米，建筑面积1万平方米。

　　（二）产品方案：

　　1、激光功率稳定度，要求实现指标小于±5%；

　　2、激光光斑形状及尺寸，要求光斑为圆形，直径小于1.5mm；

　　3、送粉稳定度，要求实现指标小于±1%；

　　4、粉末汇聚点形状及尺寸，要求汇聚点形状为圆形，最小直径小于2mm；

　　5、同轴粉末喷嘴工作中，激光束与粉末束的同轴度误差小于0.5mm；

　　全密度金属功能零件激光快速成形技术作为一项先进的制造技术，是在科学技术充分发展、社会状况广泛进步、人民生活水平需求迅速提高的基础上生产的。该技术项目节约能源、绿色制造、保护环境、避免污染、资源再利用，具有广泛的社会效益。

　　（三）工艺技术方案：

　　1、金属功能零件尺寸：200＊200＊200mm3；

　　2、CO2激光器功率：5KW；

　　3、扫描熔覆速度：5-10mm/s；

　　4、熔覆材料：-200目镍基高温合金粉末；

　　5、零件尺寸精度：±0.5mm/100mm；

　　6、分层制造厚度：0.5-2.0mm；

　　7、送粉方式：刮吸式压力送粉与同轴粉末喷嘴。

　　（四）主要设备选择：

　　激光器、三维运动系统、送粉系统、软件系统

　　三、市场分析

　　（一）产品市场现状与预测：国外金属零件直接快速制造技术的研究已经达到了实用化的程度，创造出巨大的价值。而我国虽然许多机构把研究重点转向金属直接成形技术上来，但是还没有开发出商品化样机。该项目开发的系统可极大地缩短零件生产周期、迅速反应市场需求、提高零件循环使用寿命。据调研，该系统市场需求量至少在5000台套以上，主要应用于梯度材料制造，航空、航天、汽车等行业关键零部件的激光绿色再制造以及模具、刀具、轴类、孔类等零部件的修复制造等。全密度金属功能零件激光快速成形技术作为一项先进的制造技术，是在科学技术充分发展、社会状况广泛进步、人民生活水平需求迅速提高的基础上生产的。该技术项目节约能源、绿色制造、保护环境、避免污染、资源再利用，具有广泛的社会效益。

　　（二）产品竞争力分析：按照项目完成时计划达到的目标，结合研究成果的逐步完善以及市场应用的逐年拓展，估算未来五年内生产成本逐年递减，总额度为人民币1000万元。而销售收估算为逐年递增，总额度为人民币5000万元。

　　四、原材料供应

　　（一）主要原材料用量及供应渠道：主要使用各种金属粉末、塑料粉末、树脂、专用异质材料（复合材料、功能梯度材料）等供应渠道比较单一。

　　（二）主要原材料供需分析：塑料粉末、各种树脂为平时主要原材料，市场供应充足；各种金属粉末、专用异质材料（复合材料、功能梯度材料）等供应渠道比较单一。

　　（三）主要原材料价格分析：各种粉末均以市场价格为准，如使用钛粉则价格非常昂贵，塑料粉末则便宜的多，但根据产品的不同需要所需原材料不同，同一产品价格是不可比的。

　　五、技术来源：项目研制过程中所取得的研究成果全部将拥有自主知识产权，以专利形式加以保护。

　　六、经济效益分析：预计年产值2500万元，利润400万元，税收30万元左右，预计投资回收期10年（因成本后期下降，利润上升）。

　　七、外部协作条件：水、电、气、热等公用设施配套完善。

　　八、项目进展情况：已立项。

　　九、联系人及联系方式：

　　吉林高新区创业中心副主任  隋立东

　　电话：0432-64648203