增材制造技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

夏 丹

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，215400，江蘇蘇州）

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）是基于三維設(shè)計(jì)模型，通過(guò)分層切片，逐層制造出產(chǎn)品的制造技術(shù)[1]?！霸霾摹钡母拍钍窍鄬?duì)于傳統(tǒng)機(jī)械加工去除材料（即“減材”）而定義的，增材制造技術(shù)突破了工裝夾具及刀具的結(jié)構(gòu)及性能限制，設(shè)計(jì)的自由度得到極大的提高，同時(shí)摒棄了傳統(tǒng)制造方法的規(guī)定流程，節(jié)約了生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間，尤其是新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域。例如在航空航天領(lǐng)域，將增材制造技術(shù)引入發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制造，可以顯著降低其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)型芯/型殼的無(wú)模制備[2]；通過(guò)增材制造技術(shù)可以對(duì)空間探測(cè)器等受損零件進(jìn)行快速制造。在汽車(chē)及民用產(chǎn)品制造領(lǐng)域，采用增材制造技術(shù)，省去了模具開(kāi)發(fā)與制造時(shí)間，簡(jiǎn)化了新產(chǎn)品的研發(fā)制造流程[3]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用增材制造技術(shù)制備人體骨骼及器官。

目前增材制造技術(shù)已成為各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的研究熱點(diǎn)，作為世界第一制造業(yè)大國(guó)，我國(guó)緊跟國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展步伐，規(guī)劃并頒布了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017—2020 年）》[4]和《中國(guó)制造2025》[5]等系列政策，在為該產(chǎn)業(yè)提供政策支持的同時(shí)，也積極推動(dòng)增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。

本文重點(diǎn)論述了常見(jiàn)的增材制造技術(shù)的工藝方法，并分析了各種工藝在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后提出了增材制造技術(shù)目前面臨的幾個(gè)問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

1 增材制造技術(shù)的工藝及研究現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，增材制造技術(shù)開(kāi)始用于制造產(chǎn)品的外觀模型，此時(shí)由于受技術(shù)及材料的限制，加工的成品只能作為原型，達(dá)不到產(chǎn)品的性能要求。隨著研究者對(duì)增材制造的認(rèn)識(shí)逐漸深入，新材料新工藝的不斷發(fā)展，增材制造技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)用，開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)品制造階段，常見(jiàn)的增材制造技術(shù)有以下幾種。

1.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

1989 年，美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校提出了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），其工作原理為將粉末材料鋪在工作臺(tái)上，激光器根據(jù)界面輪廓信息，對(duì)粉末進(jìn)行掃描燒結(jié)并堆積成型[6]，如圖1 所示。該技術(shù)加工的產(chǎn)品力學(xué)性能較低，需要進(jìn)一步后處理才能滿足產(chǎn)品功能要求。SLS 生產(chǎn)出的產(chǎn)品致密度高，但是粗糙度差，會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)[7]。

圖1 SLS 技術(shù)原理圖

1.2 選擇性激光熔融（SLM）

20 世紀(jì)90 年代中期，基于SLS 的前期發(fā)展，SLM技術(shù)誕生了。其原理是在高能量密度的激光作用下，將金屬粉末完全熔化，經(jīng)冷卻凝固層層累積后完成制件的加工，因此SLM 成型件的致密度及力學(xué)性能較好。馬歇爾航天飛行中心利用SLM 技術(shù)替代發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的加工工藝，產(chǎn)品的可靠性得到進(jìn)一步提升[8]，圖2 為采用SLM 技術(shù)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴。北京航空航天大學(xué)王華明教授團(tuán)隊(duì)利用SLM 技術(shù)，研制出針對(duì)鈦合金和超高強(qiáng)度鋼的激光成型技術(shù)，并制造出鈦合金大型構(gòu)件[9]，如圖3 所示。

圖2 采用SLM 技術(shù)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴

圖3 采用SLM 技術(shù)制造的鈦合金飛機(jī)產(chǎn)品

1.3 電子束熔融（EBM）

電子束熔融技術(shù)，是采用電子束代替激光作為熱源，以金屬粉末為成型材料，高速掃描加熱預(yù)置的粉末，通過(guò)逐層疊加，獲得金屬零件。由于加工在高真空的工作環(huán)境下進(jìn)行，故非常適于加工易氧化的鋁鈦類(lèi)金屬，主要應(yīng)用于航空航天和骨科移植方面。日本Hoshi Isao 等人利用EBM 技術(shù)，采用超低間隙鈦合金粉末為下頜骨制備鈦網(wǎng)托盤(pán)和自體骨試樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證出EBM 在該領(lǐng)域的應(yīng)用十分有效[10]。解放軍總醫(yī)院毛克政等人利用EBM 技術(shù)為小尾寒羊制備多孔鈦合金椎間融合器，如圖4 所示。通過(guò)觀察其內(nèi)外部結(jié)構(gòu)（如圖5 所示），得出EBM 制備的融合器具有良好的力學(xué)性能和椎間融合效果[11]。

圖4 多孔鈦合金融合器的設(shè)計(jì)圖

圖5 掃描電鏡觀察鈦合金粉末

1.4 熔融沉積（FDM）

熔融沉積技術(shù)（FDM）的工作原理類(lèi)似于膠槍?zhuān)菍⒏鞣N熱熔性的絲狀材料加熱熔化，然后通過(guò)由計(jì)算機(jī)控制的精細(xì)噴嘴按分層截面數(shù)據(jù)進(jìn)行填充，噴出的絲材經(jīng)冷卻黏結(jié)后，固化生成薄層截面形狀，最后經(jīng)過(guò)層層疊加形成三維實(shí)體，其工藝過(guò)程如圖6 所示。FDM 適用于多種成型材料，生產(chǎn)效率高，但表面粗糙度差，加工周期長(zhǎng)。

圖6 FDM 工藝過(guò)程

在工藝應(yīng)用方面，Lee Jeongsu 等人提出了一種基于熔融沉積（FDM）與計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC ）加工相結(jié)合的系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備操作條件、噴嘴的形狀、加熱器的溫度，開(kāi)發(fā)出一種工業(yè)應(yīng)用的大型3D 打印機(jī)[12]。

1.5 三維打印快速成型（3DP）

三維打印成型（3DP）與SLS 的工藝類(lèi)似，是采用粉末材料成型，按照設(shè)定的層厚進(jìn)行鋪粉，然后利用噴嘴按指定路徑將黏結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域，逐層黏結(jié)后去除多余底料，最后得到所需制件，其過(guò)程如圖7所示。該方法可以用于制造幾乎任何幾何形狀的金屬、陶瓷，并且可通過(guò)在黏結(jié)劑中添加顏料，制作彩色制件。因?yàn)椴牧戏勰┦峭ㄟ^(guò)噴頭用黏結(jié)劑結(jié)合在一起的，所以制件的強(qiáng)度較低。Parhi Rabinarayan 等人提出使用3DP 技術(shù)生產(chǎn)具有可變形狀的個(gè)性化藥品，可以改善由于不同患者藥代動(dòng)力學(xué)的差異導(dǎo)致的副作用[13]。此外，近年來(lái)隨著人類(lèi)對(duì)太空探索步伐的不斷加快，空間飛行器結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，加之空間運(yùn)輸成本高，科學(xué)家們開(kāi)始探索將3DP 技術(shù)用于空間飛行器零部件的可持續(xù)制造[14]，我國(guó)航天五院提出了一種空間3D 打印機(jī)器人，通過(guò)3DP 技術(shù)在太空直接加工大型桁架結(jié)構(gòu)[15]。圖8 為利用蜘蛛機(jī)器人在軌集成空間結(jié)構(gòu)。據(jù)了解，美國(guó)海軍在埃塞克斯號(hào)航空母艦（Essex）上安裝了一臺(tái)3D 打印機(jī)，讓海軍在海上執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候可以3D 打印需要更換的零部件，甚至是無(wú)人機(jī)。

圖7 3DP 成型過(guò)程

圖8 “蜘蛛機(jī)器人”在軌“織網(wǎng)”[16]

1.6 纖維纏繞

纖維纏繞成型技術(shù)最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)40 年代美國(guó)的曼哈頓原子能計(jì)劃，用于纏繞火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及導(dǎo)彈等軍用產(chǎn)品。其原理是在控制張力和預(yù)定線型的條件下，以浸有樹(shù)脂膠液的連續(xù)絲纏繞到芯?；蚰＞呱?，然后加熱或在常溫下固化，經(jīng)過(guò)固化脫模后制成一定形狀的制品，如圖9 所示。纖維纏繞成型的制件纖維體強(qiáng)度高，可靠性好，生產(chǎn)效率高，能夠成型巨大的結(jié)構(gòu)，但是由于纏繞角度和零件形狀受限，目前纖維纏繞常用于制備管件、飛機(jī)殼體、汽車(chē)的框架、導(dǎo)彈發(fā)射管等。

圖9 纖維纏繞示意圖

Mindermann Pascal 等人采用無(wú)芯纖維纏繞方式，通過(guò)擠壓卷繞，在不限制模具使用的情況下降低了復(fù)合材料的幾何不確定性，增強(qiáng)了復(fù)合材料的熱固性[17]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫守政等人采用自主研制的桌面式纏繞機(jī)對(duì)網(wǎng)格承力筒進(jìn)行了纏繞成型[18]。

2 增材制造技術(shù)的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

增材制造由于其自身技術(shù)工藝的特殊性，將對(duì)傳統(tǒng)制造領(lǐng)域產(chǎn)生重大的革新，但是就目前的發(fā)展?fàn)顩r而言，要想實(shí)現(xiàn)增材制造技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，還有很多問(wèn)題亟待解決。首先，批量生產(chǎn)成本高。增材制造技術(shù)在小批量新產(chǎn)品研發(fā)階段具有優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，增材制造的產(chǎn)品成本遠(yuǎn)高于注塑及其他傳統(tǒng)工藝。其次，產(chǎn)品尺寸制約生產(chǎn)周期。由于增材制造是基于三維模型的分層加工，當(dāng)產(chǎn)品尺寸很大時(shí)，為了滿足產(chǎn)品的加工精度要求，需要建立多層截面來(lái)創(chuàng)建產(chǎn)品實(shí)體，這無(wú)疑加大了產(chǎn)品的制造周期。最后，材料有局限性。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，對(duì)增材制造技術(shù)使用的材料有較高要求，因此只有加大新型材料的研究力度，才能進(jìn)一步提高增材制造技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)該技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。