增材制造技術(shù)的發(fā)展

李滌塵,田小永,王永信,盧秉恒

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,快速制造國家工程研究中心,陜西西安,710049)

增材制造(Additive Manufacturing,AM)技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù),相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù),是一種“自下而上”的制造方法。近20年來,增材制造技術(shù)取得了快速的發(fā)展?？焖僭椭圃臁⒃霾闹圃?、實(shí)體自由制造等,各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)。這一技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序,在一臺設(shè)備上可快速而精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件,從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”,解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形,并大大減少了加工工序,縮短了加工周期。而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,其制造的速度作用越顯著。

1 發(fā)展?fàn)顩r

增材制造原理與不同的材料和工藝結(jié)合形成了許多增材制造設(shè)備,目前已有的設(shè)備種類達(dá)到20多種。該技術(shù)一出現(xiàn)就取得了快速發(fā)展,在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、航天航空、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術(shù)設(shè)計等多個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)是單件或小批量的快速制造,這一技術(shù)特點(diǎn)決定了快速成形在產(chǎn)品創(chuàng)新中具有顯著的作用。美國專門從事增材制造技術(shù)的技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會(Wohlers)在2011年度報告中,對各行業(yè)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。圖1是過去3年快速成形技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域狀況。消費(fèi)商品和電子領(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位,但比例從23.7%降低到20.6%;機(jī)動車領(lǐng)域從19.1%降低到17.9%;研究機(jī)構(gòu)為7.9%;醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)域從13.6%增加到15.9%;工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域?yàn)?2.9%;航空航天領(lǐng)域?yàn)?.9%。在過去幾年中,醫(yī)學(xué)和牙科是快速成形制造技術(shù)的第三大應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 應(yīng)用行業(yè)狀況

圖2是快速成形技術(shù)的主要應(yīng)用功能的比例。它包括:①直觀展具:用于工程師,設(shè)計師,工具制造者,建筑師,醫(yī)學(xué)專家與用戶溝通交流的輔助工具;②展示模型:如地理信息系統(tǒng)模型;③功能模型;④裝配模型;⑤快速模具原型:如硅橡膠模具;⑥金屬鑄造模型;⑦工模具部件;⑧直接數(shù)字/快速制造:如定制化零件,替代物零件等。

圖2 主要應(yīng)用功能的比例

世界上許多國家與地區(qū)都在開發(fā)或應(yīng)用增材制造技術(shù)。增材制造系統(tǒng)的數(shù)量一定程度上表現(xiàn)了國家的經(jīng)濟(jì)活力與創(chuàng)新能力。圖3是自1988～2010年,主要國家和地區(qū)的AM設(shè)備的數(shù)量情況。美國、日本、德國、中國成為主要的設(shè)備擁有國。

2 發(fā)展趨勢

增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢有三個方面:

(1)向日常消費(fèi)品制造方向發(fā)展。三維打印技術(shù)是國外近年來的發(fā)展熱點(diǎn),其設(shè)備稱為三維打印機(jī),將其作為計算機(jī)一個外部輸出設(shè)備而應(yīng)用。它可直接將計算機(jī)中的三維圖形輸出為三維的塑料零件。在工業(yè)造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工藝美術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價值。

圖3 各國增材制造裝備系統(tǒng)的數(shù)量

(2)向功能零件制造發(fā)展。采用激光或電子束直接熔化金屬粉,逐層堆積金屬,形成金屬直接成形技術(shù)。該技術(shù)可直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬功能零件,制件力學(xué)性能可達(dá)到鍛件性能指標(biāo)。進(jìn)一步的發(fā)展方向是陶瓷零件的快速成形技術(shù)和復(fù)合材料的快速成形技術(shù)。

(3)向組織與結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展。實(shí)現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造。如:在制造復(fù)合材料零件中,將復(fù)合材料組織設(shè)計制造與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計制造同步完成,從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體“設(shè)計-材料-制造”的一體化。美國正在開展梯度材料結(jié)構(gòu)的人工關(guān)節(jié)、陶瓷渦輪葉片等零件增材制造的研究。

增材制造技術(shù)的應(yīng)用,為許多新產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)的發(fā)展提供了快速制造技術(shù)。在生物假體與組織工程上的應(yīng)用,為人工定制化假體制造、三維組織支架制造提供了有效的技術(shù)手段。為汽車車型快速開發(fā)和飛機(jī)外形設(shè)計提供原型的快速制造技術(shù),加快了產(chǎn)品設(shè)計速度。如:國外增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用量超過9%,而我國的應(yīng)用量則非常低。增材制造技術(shù)尤其適合于航空航天產(chǎn)品中的零部件單件小批量的制造,具有成本低和效率高的優(yōu)點(diǎn),在航空發(fā)動機(jī)的空心渦輪葉片、風(fēng)洞模型制造和復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件制造方面具有巨大的應(yīng)用潛力。因此,增材制造技術(shù)與企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)合,是增材制造技術(shù)發(fā)展的根本方向,也是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性國家的銳利工具。增材制造的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)微納米級的制造精度,有效提高大構(gòu)件的制造效率,發(fā)展多材料和多工藝復(fù)合的控形控性制造技術(shù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

增材制造有廣闊的發(fā)展前景,但也存在巨大的挑戰(zhàn)。目前最大的難題是材料的物理與化學(xué)性能制約了其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。如:在成形材料上,目前主要是有機(jī)高分子材料和金屬材料。金屬材料直接成形是近十多年的研究熱點(diǎn),正逐漸向工業(yè)應(yīng)用,難點(diǎn)在于如何提高精度。新的研究方向是用增材制造技術(shù)直接把軟組織材料(生物基質(zhì)材料和細(xì)胞)堆積起來,形成類生命體,經(jīng)過體外培養(yǎng)和體內(nèi)培養(yǎng)去制造復(fù)雜組織器官。關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)將有力地推動增材技術(shù)的發(fā)展。

3.1 精度控制技術(shù)

增材制造的精度取決于材料增加的層厚和增材單元的尺寸和精度控制。增材制造與切削制造的最大不同是材料需要一個逐層累加的系統(tǒng),因此再涂層(recoating)是材料累加的必要工序,再涂層的厚度直接決定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度,增材單元的控制直接決定了制件的最小特征制造能力和制件精度?，F(xiàn)有的增材制造方法中,多采用激光束或電子束在材料上逐點(diǎn)形成增材單元進(jìn)行材料累加制造,如:金屬直接成形中,激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控制,直接影響制造精度和制件性能。激光光斑在0.1～0.2 mm,激光作用于金屬粉末,金屬粉末熔化形成的熔池對成形精度有著重要影響。通過激光或電子束光斑直徑、成形工藝(掃描速度、能量密度)、材料性能的協(xié)調(diào),有效控制增材單元尺寸是提高制件精度的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著激光、電子束及光投影技術(shù)的發(fā)展,未來將發(fā)展兩個關(guān)鍵技術(shù):一是金屬直接制造中控制激光光斑更細(xì)小,逐點(diǎn)掃描方式使增材單元能達(dá)到微納米級,提高制件精度;另一個方向是光固化成形技術(shù)的平面投影技術(shù),投影控制單元隨著液晶技術(shù)的發(fā)展,分辨率逐步提高,增材單元更小,可實(shí)現(xiàn)高精度和高效率制造。發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)增材層厚和增材單元尺寸減小10～100倍,從現(xiàn)有的0.1 mm級向0.01～0.001 mm發(fā)展,制造精度達(dá)到微納米級。

3.2 高效制造技術(shù)

增材制造在向大尺寸構(gòu)件制造方向發(fā)展,如金屬激光直接制造飛機(jī)上的鈦合金框粱結(jié)構(gòu)件,框粱結(jié)構(gòu)件長度可達(dá)6 m,目前制作時間過長,如何實(shí)現(xiàn)多激光束同步制造、提高制造效率、保證同步增材組織之間的一致性和制造結(jié)合區(qū)域質(zhì)量是發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。此外,為提高效率,增材制造與傳統(tǒng)切削制造結(jié)合,發(fā)展增材制造與材料去除制造的復(fù)合制造技術(shù)是提高制造效率的關(guān)鍵技術(shù)。

為實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的高效制造,發(fā)展增材制造多加工單元的集成技術(shù)。如:對于大尺寸金屬零件,采用多激光束(4～6個激光源)同步加工,提高制造效率,成形效率提高10倍。對于大尺寸零件,研究增材制造與切削制造結(jié)合的復(fù)合關(guān)鍵技術(shù),發(fā)揮各工藝方法的其優(yōu)勢,提高制造效率。發(fā)展目標(biāo)是:增材制造零件尺寸達(dá)到20 m,制件效率提高10倍。形成增材制造與傳統(tǒng)切削加工結(jié)合,使復(fù)雜金屬零件的高效高精度制造技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。

3.3 復(fù)合材料零件增材制造技術(shù)

現(xiàn)階段增材制造主要是制造單一材料的零件,如單一高分子材料和單一金屬材料,目前正在向單一陶瓷材料發(fā)展。隨著零件性能要求的提高,復(fù)合材料或梯度材料零件成為迫切需要發(fā)展的產(chǎn)品。如:人工關(guān)節(jié)未來需要Ti合金和CoCrMo合金的復(fù)合,既要保證人工關(guān)節(jié)具有良好的耐磨界面(CoCr-Mo合金保證),又要與骨組織有良好的生物相容界面(Ti合金),這就需要制造的人工關(guān)節(jié)具有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。由于增材制造具有微量單元的堆積過程,每個堆積單元可通過不斷變化材料實(shí)現(xiàn)一個零件中不同材料的復(fù)合,實(shí)現(xiàn)控形和控性的制造。

未來將發(fā)展多材料的增材制造,多材料組織之間在成形過程中的同步性是關(guān)鍵技術(shù)。如:不同材料如何控制相近的溫度范圍進(jìn)行物理或化學(xué)轉(zhuǎn)變,如何控制增材單元的尺寸和增材層的厚度。這種材料的復(fù)合,包括金屬與陶瓷的復(fù)合、多種金屬的復(fù)合、細(xì)胞與生物材料的復(fù)合,為實(shí)現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)與微觀組織一體化制造提供新的技術(shù)。發(fā)展目標(biāo)是:實(shí)現(xiàn)不同材料在微小制造單元的復(fù)合,達(dá)到陶瓷與金屬成份的主動控制,實(shí)現(xiàn)生命體單元的受控成形與微結(jié)構(gòu)制造,從結(jié)構(gòu)自由成形向結(jié)構(gòu)與性能可控成形方向發(fā)展。

4 結(jié)束語

增材制造已成為先進(jìn)制造技術(shù)的一個重要發(fā)展方向,有著廣闊的發(fā)展前景,也存在著巨大的挑戰(zhàn)。該技術(shù)將向著三個方向發(fā)展:一是日常消費(fèi)品制造方向;二是功能零件制造方向;三是組織與結(jié)構(gòu)一體化制造方向。未來需解決的關(guān)鍵技術(shù)包括:精度控制技術(shù)、高效制造技術(shù)、復(fù)合材料零件制造技術(shù)。增材制造技術(shù)的發(fā)展將有力提高我國工業(yè)產(chǎn)品和日用消費(fèi)品的創(chuàng)新能力,支撐我國由制造大國向制造強(qiáng)國發(fā)展。

[1]Wohlers T T.Wohlers report 2011-additive manufacturing and 3D printing state of the industry[M].Fort Collins:Wohlers Associates,Inc.,2011.