金属3D打印长出智能“眼睛”

　　近日，由中国核动力研究设计院（下称核动力院）牵头，联合广东汉邦激光科技有限公司、上海汉邦联航激光科技有限公司（下称汉邦激光）研制的核级制品用金属3D打印机“龙焱400”顺利通过专家组审查。来自全国特种加工机床标准化技术委员会、国家增材制造产品质量检验检测中心、中国航发商用航空发动机有限责任公司、西安交通大学、四川大学、北京科技大学、深圳大学、核动力院等8家单位共10名专家一致认为，“龙焱400”拥有自主知识产权，核心技术自主可控，其定制研发的“睿眸”熔池监控系统能够实时测量、记录制造过程中激光功率、光斑、路径等各项关键信息，准确反映制造过程质量情况，总体技术达到了国际先进水平。

　　突破核心难题

　　随着科学技术的发展，金属3D打印技术对于人类而言已经不再陌生，这种技术通过材料逐层累加的方式将数字化设计转化为三维实体零件，能实现复杂结构产品的生产，并且具备制造周期短、成型速度快、材料利用率高等优点，已经在诸多领域开展了工程化应用。

　　“然而，核工业不同于日常生产制造的环境，部件中任何一点小的缺陷在这种特殊环境下都有可能被放大。”中核集团科技带头人罗英在接受中国知识产权报记者采访时介绍。如何在核级制品的制造精度、整体强度与运行可靠性上精益求精？答案是几近严苛的过程质量控制。

　　“传统的金属3D打印设备缺乏运行稳定性验证，不具备过程监督检测手段，无法确定制造过程状态，也就难以符合核级制品的制造需求。”罗英表示，不良的打印参数、原材料的不均匀性、增材制造过程多物理场耦合作用的特性等原因很容易导致制品质量缺陷，对制品的性能和可靠性造成影响。

　　在金属增材制造过程中，熔池状态是重要的在线监测对象，熔池尺寸的大小、融化及冷却区域的温差、液滴和粉末的飞溅等特征包含了细致且丰富的动力学和时空演变信息，工艺参数的细微差异可能会对制品的性能产生天差地别的影响。那么，应该如何让制品达到核工业应用级别的要求呢？核动力院增材制造科技带头人何戈宁对记者说：“首要任务是要为金属3D打印设备搭载上智能‘眼睛’，能够发现缺陷，才能做出完美的制品。”在激光铺粉增材制造过程中，激光光束极小、运动速度极快。“就好像要从一个快速开过的汽车上分辨出只有头发丝直径十分之一大小的缺陷，技术难度极大。”何戈宁表示。

　　为了解决金属增材制造过程监测系统精度提升的问题，核动力院联合汉邦激光组成了研发团队，夜以继日地开展技术攻关。经过数年时间的设计、试验、验证，以及数轮次的研究迭代，最终完成了“睿眸”熔池监控系统的开发。“睿眸”熔池监控系统搭载了研发团队自主开发的高精度传感器，以及自主研发的海量数据滤波软硬件解决方案，拥有自主知识产权，其应用成果“核能装备全过程监控成形制造”成功入选了国家工业和信息化部2023年度增材制造典型应用场景名单。

　　在金属增材制造过程中，“睿眸”熔池监控系统这双智能“眼睛”，紧盯着激光功率、温度变化、路径规划等各项关键信息，并且进行记录分析，通过实时的监控以及详细的记录，“龙焱400”能够有效地实现核级制品制备过程的质量监控，让每一个打印出来的制品可以经受住高温、高压、辐照等极端环境的考验。

　　夯实创新基础

　　解决了金属增材制造监测的难题，还有一道难关摆在研发团队的面前，那就是提升金属3D打印设备制造均匀性、稳定性。“‘睿眸’熔池监控系统能够帮助我们发现制品缺陷，但是如何进一步消除缺陷，就必须要在金属3D打印设备性能提升方面下苦工。”何戈宁表示。

　　不同于传统制造技术，金属增材制造的制品质量很大程度上是由制造设备的质量所决定的。相较于常规部件而言，核级制品的结构更加复杂、均匀性要求更高。加工一个核级制品，通常需要3D打印设备连续运行1000小时甚至更长时间。长时间的工作会导致设备性能变化、环境因素变化等，在制品上也就会表现为不均匀、有缺陷等。因此，如何提升3D打印设备长时间运行的稳定性，进而提高制品的均匀性，是核级制品3D打印设备的研发所面临的重要问题。

　　“我们在‘龙焱400’上创新性地应用了组织结构均匀，膨胀系数极小的新型台基，以提升设备的稳定性。”何戈宁表示，常规金属3D打印设备的台基材料主要采用金属焊接成型，这种类型的台基在高能量激光照射、设备长时间高温运行等情况下，容易发生形变，从而影响打印机的成型精度及运行稳定，而新型台基能够在多种特殊环境中保持稳定的性能。

　　“研发团队在‘龙焱400’设计过程中采用了优化的激光光路设计方案，能够有效提高激光光束质量，同时，制定了科学严格的均匀性验证流程，对‘龙焱400’各个位置制造出的产品性能进行均匀性验证，以保障制品的性能。”何戈宁介绍，经过验证，“龙焱400”成型区域能够完成400毫米级制品的制造，而且产品性能优异、均匀性高，完全满足核工业使用需求。目前，研发团队就“龙焱400”积极进行专利布局，已提交专利申请近10件。

　　核能行业是与能源安全紧密相关的关键行业，增材制造技术作为新质生产力的代表，二者的有机结合，有望为核能行业技术发展带来新的支撑。“过去受限于过程监测、性能鉴定等难题没有解决，增材技术在核能领域始终未能实现大规模应用。‘龙焱400’的成功研发，不仅有效提升了制品的性能，还突破了熔池过程监测等核心技术，为增材技术在核能领域的广泛应用奠定了技术基础。我们将继续砥砺奋进，在未来攻克一道道新的技术难关。”罗英表示。（本报记者 赵振廷）

（编辑：刘珊）