金屬材料增材制造技術及其存在限制性

楊鵬慈

沈陽度維科技開發(fā)有限公司 遼寧沈陽 110000

上世紀八十年代中期，隨著數字化離散堆積思想的發(fā)展，一種生產周期短、性能優(yōu)良、省料省成本的新型材料成型技術應用而生。它就是金屬材料增材制造技術。應用金屬材料增材制造技術加工成形的結構部件精度高、組織細密均勻，同時還具有成本低、周期短、柔性高新等優(yōu)勢。僅材料方面，金屬材料增材制造技術較之于傳統(tǒng)金屬材料制造工藝節(jié)省5倍，材料的利用率提高了80%以上，為大型復雜性構建的加工制造提供了良好的技術條件。顯著的應用優(yōu)勢使得金屬材料增材制造技術獲得了快速的發(fā)展。在金屬增材制造技術方面，其內部缺陷、組織控制、定向凝固等方面出現的瓶頸較多。研究金屬材料增材制造技術及其存在的限制，對進一步突破金屬材料增材制造技術成形工藝的創(chuàng)新與發(fā)展有著重要的意義。

1 金屬材料增材制造技術概述

金屬材料增材制造技術是增材制造技術的一部分。增材制造技術指通過3D打印設備逐層增加材料，由計算機控制系統(tǒng)控制制造三維產品的技術。該技術被稱為是“第三次工業(yè)”的代表。材料是增材制造技術的核心。金屬是增材制造技術中應用最為廣泛的一種，也是目前公認的最有應用潛力的材料。金屬材料廣泛應用與工業(yè)、化工業(yè)、軍事、機械、醫(yī)療、生物等領域。相對于其他材料而言，金屬材料的成本高、制備難度大。目前，國內金屬粉末增材制造還難以達到規(guī)?；a量化的加工，因此也限制著金屬材料增材制造技術市場化的發(fā)展[1]。

在金屬材料增材制造技術中，氣霧化技術是應用較廣的一種技術。由于金屬易受氣流擾動影響，粉末粒度分布很難保證穩(wěn)定、均勻的分布，因此在技術增材制造過程中，會影響成形件的霧化效率和效果，也會不同程度的增加植被成本和成形件的質量。

不同零件的增材制造都是根據其特定的形狀界面和厚度逐層燒結并接合起來的，因此分層制造時影響金屬增材制造技術效果的關鍵因素之一。究其根本，分層制造的效果與設備、材料及制造工藝息息相關。產品最終制備成形的效果并非由單一因素所決定，而是多因素綜合作用的結果。隨著金屬增材制造設備的及工藝的同時進步，以及新型材料的開發(fā)，金屬材料增材制造技術才能真正的做到與時俱進、創(chuàng)新發(fā)展。在金屬材料增材制造發(fā)展過程中，設備與技術的不匹配，材料性能的限制等，都會影響金屬材料增材制造技術的綜合發(fā)展[2]。

2 發(fā)展現狀及其局限性

2.1 發(fā)展現狀

目前，金屬材料增材制造技術已經在美國、英國、德國、西班牙、日本等發(fā)達國家的航空航天等領域得到應用。英國南安普頓大學利用增材制造技術制造出第一下無人駕駛飛機。德國EOS公司開發(fā)的選取激光燒結增材制造裝備是普通尼龍塑料的1倍，能夠連續(xù)服役于超過180℃的動態(tài)力學場合、240℃的靜態(tài)力學場合以及260℃的墊圈場合。除激光技術外，等離子束、電弧能束等金屬增材技術還廣泛應用與船舶、能源、機械制造等領域，為零部件的快速成形及修復提供了核心技術。在生物醫(yī)療方面，利用金屬材料增材技術可以制造出牙齒、人體骨骼、人體肢體、人體關節(jié)等零部件，用于手術修復或植入。據統(tǒng)計，進應用于生物醫(yī)療領域的金屬材料增材制造技術已經占該領域的“人體零部件”應用的15%。

目前，金屬材料增材制造技術已經進度到與電子制造技術高度融合的階段。通過與薄膜太陽能電池、無芯片RFID標簽、柔性器件、有機發(fā)光二極管的同和，金屬材料增材制造技術在材料利用率方面得到顯著提高，相應的金屬材料增材制造技術過程中的污染也得到了較好的控制。

2.2 發(fā)展局限

目前，國內外的金屬材料增材制造技術產品主要應用于汽車快速制模、航空零部件、電子消費品設計、假肢、骨骼、牙科等方面。由于激光增材溫度下降速度快，加工過程中容易初選缺陷。此外，激光成形后再去熱等靜壓，鍛件的力學性能就會降低。以上限制導致金屬材料增材制造技術只能應用于小體積的零件。大部分的國內外金屬材料增材制造技術還處于局部發(fā)展的階段，尚無形成規(guī)模化、產業(yè)鏈的模式，缺乏大型的裝備，因此金屬材料增材制造技術應用的成本相對較高，只能使其局限于小體積高價值的零件制造上[3]。

為了克服大尺寸復雜構件整體金屬增材制造的應用局限，美國提出“損傷容限”的概念，但最終以失敗告終。2012年，中國的王華明做了五代激光快速成型裝備，確定激光束功率3.0～1.0kw、激光束斑直徑2.6±0.4mm、掃描速度5～10mm/min、單層沉積厚度不高于0.8mm、99.999%的高純氬氣或氦氣做保護性氣氛，最終突破了金屬材料增材制造的局限，在大型復雜整體鈦合金結構件上采用就干快速成型技術試驗成功。自此，我國的金屬材料增材制造技術領先于世界。

3 結語

無論是我國，還是歐洲發(fā)達國家，限制金屬材料增材制造技術發(fā)展的無非時設備、成本、產品尺寸、成形效率、產品適用性等問題。該技術作為依靠現代信息技術和新型材料的科學技術，想要取得突破性的研究進展，就必須從設備、材料、工藝等多方面同時加強研究，才能突出綜合限制，取得更快的發(fā)展。