增材制造技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀分析

王 碩 宋勝利

（山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 淄博255049）

2012 年《經(jīng)濟學(xué)人》發(fā)表了一篇名為“3D打印機帶來第三次工業(yè)革命”的文章，該文對3D打印技術(shù)進行了重點的介紹，并對該技術(shù)的未來前景進行了分析。緊接著美國總統(tǒng)奧巴馬宣布“重整美國制造業(yè)”計劃，新建了15 個制造創(chuàng)新研究院，其中首個研究院就是國家增材制造創(chuàng)新研究院。我國領(lǐng)導(dǎo)人對增材制造技術(shù)也很關(guān)心，2013 年9 月中央政治局就創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略到中關(guān)村集體調(diào)研學(xué)習(xí)，著重調(diào)研高性能大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)。如今該技術(shù)在航空航天、高分子、生物醫(yī)療、國防、軍工等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

1 增材制造技術(shù)簡介

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種自下而上逐層堆積得到產(chǎn)品的制造方法，我們通常稱之為3D 打?。?D printing）技術(shù)。增材制造的原理類似于噴墨打印機，不同的是其噴出的材料是樹脂，粉末，絲材等。增材制造可以利用計算機逐層增加材料，將三維的物體變成二維，再采用激光熔融方法按照輪廓軌跡逐層堆積材料，最終形成三維實體零件。增材的方式有三種：熔化堆積、燒結(jié)、粘結(jié)。增材制造技術(shù)改變了材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計，帶來材料性能的提升，實現(xiàn)了構(gòu)件制造一體化。

1.1 基本原理

按照材料加工方式，現(xiàn)代制造技術(shù)分為三種：減材制造、等材制造與增材制造。減材制造是使用車、銑、刨、磨等設(shè)備對材料進行切削加工，以達到設(shè)計形狀，該方式原材料的利用率僅有7%；等材制造是指通過鑄造、鍛造、焊接等方式生產(chǎn)制造產(chǎn)品，材料在加工過程中并不增加也不減少；增材制造，顧名思義，其材料為增加的方式，其過程為先通過CAD 等計算機建模軟件建模，然后將建成的三維模型進行分層切片處理，將三維物體轉(zhuǎn)換為二維，之后規(guī)劃打印軌跡，進行逐點逐層堆積成型，最終打印出所需的工件，打印過程如圖1 所示[1]。

1.2 典型增材制造技術(shù)

1.2.1 光固化成形（SLA）

光固化成形（Stereo Lithography Apparatus ，SLA）工藝也被稱為立體印刷工藝，屬于快速成形工藝的一種。它以液體樹脂為原料，用特定強度的激光照射液體材料表面，使其由點到面一層層的固化成為三維實體構(gòu)件。與其他增材制造技術(shù)相比，這種方法加工速度快，生產(chǎn)周期短，能簡捷、全自動地制造出表面質(zhì)量和尺寸精度較高、幾何形狀復(fù)雜的原型，但也存在使用和維護成本高，軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，由于掃描速度較慢導(dǎo)致局部材料沒有完全固化等缺陷。

1.2.2 選擇性激光燒結(jié)成形（SLS）

選擇性激光燒結(jié)成形（Selective Laser Sintering，SLS）它使用激光作為電源，粉末作為材料，以燒結(jié)的增材方式將材料粘合在一起，形成堅固的結(jié)構(gòu)[2]。SLS 的增材方式具有成本低、材料利用率高，成型速度快等優(yōu)點，且因為它是完全自支撐的，它允許在嵌套的過程中在其他部分內(nèi)構(gòu)建具有高度復(fù)雜的幾何形狀的零件，而這些幾何形狀根本無法以任何其他方式構(gòu)造，但SLS 印刷部件具有多孔表面，這可以通過涂覆諸如氰基丙烯酸酯的涂層來密封。因此該增材方式廣泛地在航空、航天、船舶、汽車、機械工程、制造等工業(yè)企業(yè)、研究所、高校100 多家應(yīng)用。

1.2.3 熔絲沉積制造（FDM）

熔絲沉積制造（Fused Deposition Modelling，F(xiàn)DM)是一種不使用激光器的加工方法，它以樹脂絲為原材料，通過噴頭噴出熔融的材料，以快速冷卻的方法將材料一層層牢固的連接在一起[3]。FDM技術(shù)的最大特點是速度快、無污染，原材料利用率高，由于不需要激光器，因此該種增材方法成本低，利于維護。但該方法生產(chǎn)的成型件的表面有較明顯的條紋，且加工時間較長。

1.2.4 疊層實體制造（LOM）

疊層實體制造法（Laminated Object Manufacturing,LOM）以紙、塑料膜為原材料，通過一層層橫截面粘結(jié)形成初步模型，之后利用CO2激光器發(fā)射的激光束對模型進行切割，得到最終的工件[4]。該工藝成形速度快，原材料便宜，但成形后對廢料剝離費時，適合于體積較大的工件。

2 發(fā)展難題及我國增材技術(shù)的不足

在發(fā)展增材制造技術(shù)時，依然面對以下科學(xué)難題無法解決：

2.1 熱物理問題，內(nèi)應(yīng)力難以控制[5]

當溫度劇烈循環(huán)變化時會產(chǎn)生熱應(yīng)力；當發(fā)生循環(huán)非均勻固態(tài)相變會產(chǎn)生組織應(yīng)力；當材料凝固時會產(chǎn)生凝固收縮應(yīng)力。產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致構(gòu)件變形甚至開裂，難以制造大型構(gòu)件。

2.2 物理冶金問題

冶金、凝固和固態(tài)相變過程非常復(fù)雜，構(gòu)件"內(nèi)部質(zhì)量"會難以控制，導(dǎo)致產(chǎn)生的構(gòu)件力學(xué)性能及穩(wěn)定性差，打印后的構(gòu)件再經(jīng)HIP、鍛造等后續(xù)致密化加工后，關(guān)鍵力學(xué)性能會低于鍛件，因此難以用作關(guān)鍵主承力構(gòu)件[5]。

雖然我國科研機構(gòu)、科技型企業(yè)眾多，在3D 打印技術(shù)研發(fā)中也獲得了諸多技術(shù)專利，但我國還沒有形成完備的增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，核心零件的供應(yīng)、高強度非金屬材料等還需要從國外進口[6]。如果能突破這一難題，不僅能大大提升我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度以及普及范圍，還能從國際市場中獲得一定量的產(chǎn)業(yè)份額，更可以有效降低增材制造設(shè)備的價格，從而推動增材制造在我國的商業(yè)化進程。

3 發(fā)展趨勢

習(xí)近平總書記在參加全國政協(xié)十二屆一次會議科協(xié)及科技屆委員聯(lián)組討論時強調(diào)“可以預(yù)見，隨著3D 打印技術(shù)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整?！痹霾闹圃旒夹g(shù)對于未來裝備制造和材料制備有深遠的影響。未來的增材制造，將不僅僅是材料的添加，而是在制造的過程中制備材料，合成材料，甚至是復(fù)合材料[7]。增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有以下兩方面：

3.1 實現(xiàn)低成本、短流程、快速數(shù)字制造

對于復(fù)雜、超復(fù)雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實現(xiàn)低成本、短流程制造且構(gòu)件的不同部位具有不同的性能；對于高性能大型、超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實現(xiàn)高效快速制造；對于多品種小批量個性化產(chǎn)品實現(xiàn)低成本快速制造。

3.2 實現(xiàn)高性能新材料數(shù)字制備能力

實現(xiàn)對高性能非平衡材料制備與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造；實現(xiàn)高活性難熔難加工材料制備與結(jié)構(gòu)制造；實現(xiàn)高性能梯度材料制備與結(jié)構(gòu)制造；實現(xiàn)高性能材料多尺度復(fù)合制備與結(jié)構(gòu)制造；創(chuàng)造出超常結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超常功能[8]。

3.3 應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛

未來3D 打印技術(shù)將不僅僅應(yīng)用于機械生產(chǎn)等領(lǐng)域還將應(yīng)用于食品、影視、文化藝術(shù)等領(lǐng)域。

未來的增材制造技術(shù)將對裝備制造技術(shù)產(chǎn)生變革性影響，并帶來重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計的革命，將會變革生產(chǎn)制造模式和維護保障模式。

4 結(jié)論

增材制造是制造技術(shù)大家庭的一名新成員，同傳統(tǒng)技術(shù)相互補充，不會顛覆或者取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，但是增材制造作為一種變革性的制造新技術(shù)，發(fā)展?jié)摿薮?，對于貴而難加工的材料，大而復(fù)雜的高性能整體構(gòu)件將會有很大的應(yīng)用空間。