金屬材料增材制造技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展

張?jiān)谟?/p>

（安順學(xué)院， 貴州 安順 561099）

增材技術(shù)使上個(gè)世紀(jì)八十年代中期所發(fā)展起來(lái)的一種高新技術(shù)，其實(shí)利用材料堆積法制造實(shí)物產(chǎn)品的一項(xiàng)快速成型技術(shù)。其技術(shù)需要借助計(jì)算機(jī)、激光和數(shù)控等科學(xué)手段相互作用完成，相較于以往傳統(tǒng)的加工模式，金屬增材制造縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期并且可以任意實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品的快速制造。而我國(guó)也開(kāi)展了對(duì)于金屬材料增材制造技術(shù)的應(yīng)用研究并在一定程度上取得了發(fā)展和進(jìn)步，本文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 技術(shù)原理

激光金屬沉積是利用激光能量使金屬粉末融化，而是融化的金屬粉末生成熔池在基底材料上，并根據(jù)激光光斑的使其進(jìn)入熔池和粉末凝固后的基底材料進(jìn)行有機(jī)合成，通過(guò)一步步堆積而生成的3D物質(zhì)實(shí)體[1]。另外，為了防止基底材料的氧化對(duì)于金屬材料增材制造技術(shù)的開(kāi)展過(guò)程中，必須要使用一定的化學(xué)元素例如氦氣等惰性氣體保證材料的質(zhì)量。

2 研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

（1）航天領(lǐng)域研究。目前，在航天、汽車(chē)制造等行業(yè)中，金屬材料增材制造技術(shù)受到了青睞并得到了廣泛的使用。德國(guó)目前對(duì)于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)取得了很大的成就，主要表現(xiàn)在航空領(lǐng)域?qū)τ跍u輪發(fā)動(dòng)機(jī)方面滲入了金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用主要包括渦輪葉片和發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒部分；在電子束熔融技術(shù)方面的研發(fā)和應(yīng)用位于世界前列的是瑞典，瑞典利用高能電子制造出高度密集和高精度的三維幾何模型，其技術(shù)原理是將金屬粉末通過(guò)高能電子得到了束融，并且一步一步積攢堆積而成；同時(shí)意大利和俄羅斯也分別在金屬材料增材制造技術(shù)中取得了頗為杰出的成就，它們分別利用該技術(shù)的科學(xué)技術(shù)制造出了葉片和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣。美國(guó)的3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)生產(chǎn)零件的弊端，不僅大大提高了其耐久性能而且還省去零部件使用的數(shù)量從而進(jìn)一步節(jié)省了材料制造成本花銷(xiāo)。3D打印技術(shù)可以將以往復(fù)雜的設(shè)計(jì)趨向于簡(jiǎn)單化，不僅縮短了交貨的時(shí)間而且還保障了產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，惠普公司利用3D打印技術(shù)不僅為發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件制造了高達(dá)數(shù)百個(gè)零件，而且已經(jīng)制造了超過(guò)十萬(wàn)個(gè)的原型部件。在很大程度上節(jié)省了材料使其更好的進(jìn)行成本控制，并且提高了工作效率和工作質(zhì)量。

（2）零部件修復(fù)領(lǐng)域。金屬材料增材技術(shù)不僅在航天領(lǐng)域方面取得了巨大的成就，而且在零部件修復(fù)領(lǐng)域方面也有很大的優(yōu)勢(shì)。目前很多國(guó)家已經(jīng)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行零部件的修復(fù)，并且這種技術(shù)手段相比較以往傳統(tǒng)的修復(fù)手段不僅僅可以節(jié)省時(shí)間和人力，在很大程度上還可以節(jié)省材料成本從而推動(dòng)發(fā)展?；萜展緦?duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，其認(rèn)為3D打印技術(shù)在修復(fù)領(lǐng)域上會(huì)取得巨大的成就不僅僅在于零部件的修復(fù)，未來(lái)的大型設(shè)備的維護(hù)和修理可能都要依靠于金屬增材技術(shù)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

目前我國(guó)對(duì)于3D打印技術(shù)的研究也取得了一定的進(jìn)展，其進(jìn)展要得益于我國(guó)科技的不斷發(fā)展和國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)對(duì)于3D打印技術(shù)引起了高度重視和廣泛的深入研究工作。其體現(xiàn)在以下方面：

（1）航天領(lǐng)域方面。在1995年西北大學(xué)就展開(kāi)了對(duì)于金屬材料增材制造的研究和分析，并且在國(guó)內(nèi)首先提出了激光立體成型的發(fā)展構(gòu)思，借此贏得了社會(huì)各界人士的一致表?yè)P(yáng)，更是榮獲了陜西省科技一等獎(jiǎng)。并于2012年為國(guó)產(chǎn)飛機(jī)制造出了中央翼緣條，其制造出的中央翼緣條不僅長(zhǎng)達(dá)3m精準(zhǔn)度極高，而且最大限度發(fā)揮了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

（2）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面。西安交通大學(xué)與第四軍醫(yī)大學(xué)共同合作展開(kāi)對(duì)“下頜骨溶解修復(fù)”手術(shù)的研究并取得了成功，利用金屬材料增材制造技術(shù)定制了人工脛骨半關(guān)節(jié)大段骨重建手術(shù)等研究并且都取得了一定的研究成果；另外昆明軍區(qū)醫(yī)院同西安交通大學(xué)一起合作研究擴(kuò)展個(gè)性化永久植入物的醫(yī)學(xué)手術(shù)，不僅取得了一定的進(jìn)步而且還積極開(kāi)展了基于光固化圓形的支架制作人工活性骨支架的研究。而3D打印技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)漫長(zhǎng)和復(fù)雜的過(guò)程，需要我們每個(gè)人的共同努力，我國(guó)要加大科研的投資使金屬材料增材制造技術(shù)可以再上一層樓。

3 發(fā)展趨勢(shì)

目前，金屬增材制造技術(shù)雖然取得了一定的發(fā)展和進(jìn)步，但是仍在某些方面具有很多的問(wèn)題和弊端，例如材料方面的限制，成型的精準(zhǔn)度和質(zhì)量問(wèn)題和成型質(zhì)量和成型速度之間的問(wèn)題，另外價(jià)格昂貴是導(dǎo)致金屬材料增材制造不能發(fā)展的重要原因之一，成本化消費(fèi)用較高而且容易造成損失將會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，廣泛應(yīng)用也具有一定的難度。另外金屬增材制造技術(shù)要突破瓶頸在最大限度上發(fā)揮其價(jià)值，主要表現(xiàn)在：

一方面3D打印技術(shù)雖然在航天領(lǐng)域方面取得了一定的成就，但是其只能局限于生產(chǎn)較小的零部件，對(duì)于大型的部件的制造問(wèn)題來(lái)說(shuō)還存在很長(zhǎng)的距離。另一方面金屬增材制造技術(shù)雖然已經(jīng)在零部件修復(fù)問(wèn)題上取得了很大的進(jìn)步，但是對(duì)于大型部件的修復(fù)問(wèn)題還是未能取得進(jìn)展。因此科研人員應(yīng)當(dāng)將3D打印技術(shù)和修復(fù)技術(shù)完美的融合在一起以保障大型部件的修復(fù)技術(shù)可以得到進(jìn)一步的進(jìn)展；最后一方面在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面，科研人員應(yīng)當(dāng)積極和醫(yī)院進(jìn)行合作分析，共同進(jìn)行3D技術(shù)滲入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，中國(guó)十分重視金屬材料增材技術(shù)并且加大了資金的投入，雖然我國(guó)已經(jīng)在3D打印技術(shù)方面取得了一定的進(jìn)步但是與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在了一定的差距。因此我國(guó)要堅(jiān)持自主研發(fā)3D技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，在航天航空方面和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中要學(xué)習(xí)西方先進(jìn)的技術(shù)思想以發(fā)展我國(guó)的技術(shù)從而促進(jìn)我國(guó)金屬材料增材技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的大繁榮。