金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

程梓原

（北京市八一學(xué)校，北京 100080）

增材制造技術(shù)，又叫3D打印技術(shù)。近年來(lái)，增材制造技術(shù)在美國(guó)和我國(guó)等多個(gè)國(guó)家取得了快速的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)使產(chǎn)品研發(fā)更加快捷，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)制造業(yè)變大變強(qiáng)。增材制造技術(shù)有著自上而下、逐層累積、快速將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化成實(shí)際產(chǎn)品的特點(diǎn)。由于不需要制造模具以及多道加工工序，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并且縮短了加工周期。同時(shí)增材制造技術(shù)具有很高的加工柔性，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，個(gè)性化特點(diǎn)越明顯，其制造優(yōu)勢(shì)就越顯著。金屬增材制造技術(shù)是通過(guò)高能量密度的熱源將金屬材料熔化，按照CAD模型逐層累積成金屬零件的技術(shù)，在工業(yè)制造方面所占優(yōu)勢(shì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)制造。相比于傳統(tǒng)鑄造與鍛造技術(shù)，有著低成本、高效率、高經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。

1 典型金屬增材制造技術(shù)

按照熱源分，金屬增材制造技術(shù)有激光、電子束和電弧三種制造方法。按制造工藝分，金屬增材制造技術(shù)主要分為送絲/送粉熔化沉積和鋪粉選區(qū)燒結(jié)兩種方法。下面介紹幾種典型的增材制造技術(shù)方法。

（1）選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是現(xiàn)今發(fā)展較為成熟的一項(xiàng)增材制造技術(shù)。設(shè)備在粉床上預(yù)鋪設(shè)一層金屬粉末，由激光作為熱源按照既定的路線進(jìn)行選擇性燒結(jié)，等金屬熔化凝固后在鋪設(shè)下一層粉末。由此自下而上逐層累積，實(shí)現(xiàn)零件的近凈成形。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)能夠制造超復(fù)雜任意形狀的零件，制造精度高，無(wú)需模具且不需要后續(xù)加工，大大提高了材料利用率。內(nèi)部材料組成均勻，力學(xué)性能良好，但這種技術(shù)的效率不高，不適用于大尺寸零件制造。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械自動(dòng)化加工等領(lǐng)域。

（2）送粉激光熔化沉積技術(shù)。送粉激光熔化沉積技術(shù)是一種較為高效的金屬增材制造技術(shù)。由激光器發(fā)出高密度高強(qiáng)度激光，在惰性氣體保護(hù)的環(huán)境以及在已設(shè)定程序路線的指導(dǎo)下，融化從送粉系統(tǒng)中送出的金屬粉末并逐層熔覆堆積材料成型，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)零件的制造。該技術(shù)相較傳統(tǒng)制造及加工技術(shù)，加工周期短，有著高經(jīng)濟(jì)性、柔性好的優(yōu)點(diǎn)。但由于對(duì)各層材料進(jìn)行熔化沉積時(shí)，由于熱輸入的逐層累積，底層材料會(huì)收到累積的熱影響，造成層帶性能的差異性，需要進(jìn)行熱處理來(lái)改善組織性能以及少量后續(xù)機(jī)械加工等后續(xù)操作。目前該技術(shù)主要用于模具制造及制造工藝及國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域。

（3）送絲電弧增材制造技術(shù)。電弧增材制造送絲技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅猛的金屬增材制造技術(shù)，由于其加工成本更低、加工時(shí)間短而備受關(guān)注。該技術(shù)采用電弧作為熱源，以金屬絲材作為材料，在設(shè)備的操控下，設(shè)備內(nèi)部送絲系統(tǒng)送出的金屬絲會(huì)與電弧作用區(qū)域重合，使金屬絲熔化，二者共同以既定路線完成對(duì)構(gòu)件的近凈成形。該技術(shù)相較于其他3D打印技術(shù)，由于使用電弧而非激光作為熱源，材料熔化效果較好、價(jià)格便宜、加工周期短，具有快速響應(yīng)能力，其內(nèi)部材料熔化更加均勻、致密度較高的優(yōu)點(diǎn)。但其加工零件表面質(zhì)量較差，需要二次加工，性能受熱累積影響嚴(yán)重等缺點(diǎn)。目前該技術(shù)現(xiàn)在大多用于新材料加工以及大型航天航空結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域。

2 金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用

由于其不需要模具、制造響應(yīng)速度快、成形效率高等特點(diǎn)，金屬增材制造技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α５怯捎谄涑尚纬叽绲南拗?、生產(chǎn)批量小以及質(zhì)量控制等問(wèn)題，限制了該技術(shù)的應(yīng)用。近些年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外的逐步研究，金屬增材制造技術(shù)進(jìn)步飛快，在諸多制造領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。

（1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)加工方法往往需要復(fù)雜的工藝和大量的后續(xù)機(jī)械加工，不僅需要很高的制造工藝與加工成本，材料在銑、削的過(guò)程中也會(huì)大量損耗，造成資源浪費(fèi)。而且對(duì)于金屬材料加工成復(fù)雜構(gòu)件過(guò)程中，對(duì)加工器具及機(jī)械也會(huì)造成較大損傷。而金屬增材制造技術(shù)，尤其是鋪粉熔化沉積方法，加工過(guò)程中不受尺寸與形狀的限制，具有強(qiáng)大的柔性制造能力，且材料利用率高，因此能夠?qū)崿F(xiàn)零件超復(fù)雜結(jié)構(gòu)的近凈成形制造。

（2）一體化制造。金屬增材制造具有良好的一體化制造的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于傳統(tǒng)制造復(fù)雜零件，在對(duì)目標(biāo)構(gòu)件進(jìn)行制造之前，都要進(jìn)行前期大量設(shè)計(jì)，例如圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、材料研究等；而對(duì)于無(wú)法一次性制造的構(gòu)件，傳統(tǒng)制造中間往往需要經(jīng)過(guò)大量的加工步驟，采用配合連接等方式，既要消耗大量時(shí)間與人力成本，又要考慮對(duì)材料以及構(gòu)件質(zhì)量本身的影響。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作上，傳統(tǒng)制造無(wú)法高效率的完成制造，而金屬增材制造技術(shù)可以通過(guò)將構(gòu)件逐層的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至計(jì)算機(jī)上形成三維數(shù)據(jù)模型，一次性實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的直接成型，對(duì)于制造一體化要求高的構(gòu)件具有很大優(yōu)勢(shì)。

（3）輕量化制造。對(duì)于傳統(tǒng)制造工業(yè)進(jìn)行輕量化制造，一方面考慮到難以一次性加工而導(dǎo)致中間步驟要經(jīng)過(guò)銑、削、焊等操作，對(duì)材料浪費(fèi)較多；另一方面加工周期較長(zhǎng)，其實(shí)現(xiàn)輕量化制造的成本并不低。金屬增材制造技術(shù)可以利用增材制造技術(shù)結(jié)合建模與仿真技術(shù)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)模型最優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到高質(zhì)量、輕量化制造，而且輕量化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)增材制造由于柔性結(jié)構(gòu)特性，不需要考慮制造工藝難度，且材料越少制造成本就越低，在輕量化制造中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

（4）金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展研究。盡管技術(shù)增材制造技術(shù)具有上述諸多優(yōu)勢(shì)，但目前其制造零件質(zhì)量普遍略低于傳統(tǒng)鍛造工藝水平，且存在表面質(zhì)量不高、內(nèi)部成分不夠均勻、存在氣孔等問(wèn)題。通過(guò)后期熱處理方法與材料成型及控制工程研究可有效減少這些缺陷對(duì)構(gòu)件性能的影響，達(dá)到理想零件的水平，做到高質(zhì)量高精度生產(chǎn)。從研究問(wèn)題中抽象出數(shù)學(xué)理論公式，通過(guò)計(jì)算建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)模型具體分析操作方案，從而使傳統(tǒng)制造的具體化操作轉(zhuǎn)為虛擬化制造。通過(guò)仿真模擬技術(shù)規(guī)避構(gòu)建過(guò)程中產(chǎn)生的例如受熱產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形，或出現(xiàn)氣孔等難以通過(guò)在現(xiàn)實(shí)操作而產(chǎn)生的紕漏，讓加工產(chǎn)品更加貼近期望效果，達(dá)到以較少的人工以及時(shí)間成本完成預(yù)計(jì)加工任務(wù)。同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)與金屬增材制造技術(shù)，數(shù)字化是金屬增材制造面向更快、更有效、更個(gè)性化發(fā)展的必然趨勢(shì)。開(kāi)發(fā)一套數(shù)字化響應(yīng)系統(tǒng)可以做到操作更加智能化、合理，實(shí)現(xiàn)完整產(chǎn)業(yè)鏈制造，做到高效生產(chǎn)。金屬增材技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，仍有許多學(xué)者做著從理論模型到實(shí)際操作的研究。目前，將金屬增材制造技術(shù)投入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、提升增材制造速度、開(kāi)發(fā)新型加工材料以及金屬增材制造智能化是現(xiàn)在人們主要研究的目標(biāo)。人們希望能克服金屬增材制造表面質(zhì)量、材料性能、大批量生產(chǎn)效率較低等問(wèn)題，并將金屬增材制造技術(shù)投入到更多領(lǐng)域應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要圍繞金屬增材制造技術(shù)，介紹了其技術(shù)特點(diǎn)、工程應(yīng)用以及發(fā)展研究。作為一門(mén)發(fā)展迅速的先進(jìn)加工技術(shù)，增材制造技術(shù)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行的理論、加工特性、數(shù)值模擬以及硬件設(shè)施等方面的研究；其技術(shù)越來(lái)越完善，向著高效高質(zhì)量、成本節(jié)約、新型材料、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方向不斷進(jìn)步，在未來(lái)必將有更加廣闊的應(yīng)用。