论文《谈增材制造技术应用及发展》-仁创编译转载

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　　摘要：增材制造技术是基于材料堆积法的高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果.增材制造技术作为一种重要的数字化制造技术，可以由三维数字模型直接成形任意复杂实体结构，省去了传统的材料去除制造方法中使用的刀具、工装、冷却液和其他辅助装置，在产品单件或小批量生产方面具有显著的成本和效率优势.介绍了增材制造技术的发展现状、原理与特点，对目前较为先进的金属成型工艺作了重点介绍，阐述了增材制造技术的工程应用及其今后发展趋势.

　　关键词：增材制造技术;金属快速成型;工程应用;发展趋势

　　中图分类号：TB47 文献标志码：A

　　增材制造技术又称快速成型技术(RapidPro-totyping，RP)，是20世纪80年代中期发展起来的一种利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术.该技术借助计算机、激光、精密传动和数控等手段，将计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)集成于一体，以逐层累积的建造方式在短时间内直接制造产品样品，无需传统的机械加工设备和工艺，显著地缩短了产品开发的周期，增强了企业的竞争能力[1].相比传统机械制造方法，增材制造技术可以实现任意复杂结构模具等的快速制造，在单件或小批量生产用机械制造过程中，具有制造成本低，周期短的优势，因此广泛应用于机械制造业[2].

　　1增材制造技术发展现状

　　1.1增材制造技术在国外的发展

　　增材制造技术最早出现在1892年，美国Blan-ther用分层制造法构成地形图并申请了专利，开启了该技术发展的序幕.20世纪80年代，RP技术经历了快速及根本性的发展，仅在1986～1998年期间注册的美国专利就有274个[3].美国的3DSystems公司于1988年生产出了世界上第一台液态光敏树脂选择性固化快速成型机(SLA-250).20世纪90年代后期，出现了3DP、SDM、SGC、FDM等十几种不同的快速成型技术.2012年美国总统奥巴马为重振美国制造业提出一系列计划，将3D打印技术列为11项重要技术之一.英国技术战略委员会“未来的高附加值制造技术展望”中，把增材制造技术列为提升国家竞争力，应对未来挑战的22个应优先发展技术之一[4].目前，美国Ford汽车公司和DuPont公司已经在他们的生产线上采用RP技术，美国Pratt&Whitney公司已应用RP技术制造铸造熔模.欧洲和日本等国家也不甘落后，纷纷进行RP技术及设备研制等方面的研究工作，如德国的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等[3].近年来，采用RP设备最积极的地区是东亚，尤其是韩国、香港、新加坡[5].国外RP技术在航天航空、汽车交通、医疗器械、艺术创作等多个领域得到应用.

　　1.2增材制造技术在国内的发展

　　我国于90年代初才开始增材制造技术研究，虽短短20余年时间，却得到了工业界的高度重视，发展迅速.2013年，国内媒体纷纷报道，将RP技术称为“3D打印—无所不能的未来”[6]、“几乎颠覆传统的制造模式”[7]等.我国已拟定增材制造技术路线图和中长期发展战略，中国工程院2012年1号文件内容即为进行“增材制造技术工程科技发展战略的研究”，成立了由华中科技大学、西安交通大学、清华大学、北京航天航空大学、西北工业大学和国防科工委625所等专家组成的工作组，并已在2013年3月提交相关咨询研究报告[4].目前，我国已初步形成增材制造设备和材料的制造体系.部分国产设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，设备及材料价格便宜.在国家科学技术部的支持下，我国已在深圳、天津、上海、西安等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，推动了增材制造技术在我国的广泛应用.另外，我国的部分科研院所和企业已研发出光固化、金属熔敷、生物制造、陶瓷成形、激光烧结、金属烧结、生物制造等类型的增材制造装备和材料[8]，取得了很好的效果.但与工业化国家相比，我国RP技术的研究和应用尚存在一定的差距.

　　2增材制造技术基本成型原理与工艺

　　2.1增材制造技术的原理

　　增材制造技术是采用离散∕堆积成型的原理，通过离散获得堆积的路径、限制和方式，经过材料堆积叠加形成三维实体的一种前沿材料成型技术[9].其过程为：对具有CAD构造的产品三维模型进行分层切片，得到各层界面的轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸(或树脂固化、粉末烧结等)，形成各界面并逐步叠加成三维产品[10].由于增材制造技术把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在没有模具和工具的条件下生成任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性[11].增材制造技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：三维模型构造、近似处理、切片处理、堆积成形、后处理等.增材制造过程如图1所示.

　　2.2增材制造技术的制造工艺

　　随着CAD建模和光机电一体化技术的发展，增材制造技术的工艺发展很快，按照所用材料和建造技术的不同，目前投入应用的已有十余种工艺方法.其中发展较为成熟的主要有光固化立体成型、分层实体制造、选择性激光烧结等.上述工艺发展较为成熟，在此不再赘述.金属直接成形法可以实现具有较高致密度和力学性能产品的快速制造，但工艺难度大，因此整体还处于技术研究阶段[2].现将发展潜力较大、较前沿的金属直接成型工艺进行重点介绍.2.2.1激光立体成形技术激光立体成形技术(LSF)是在快速成形技术和大功率激光熔覆技术蓬勃发展的基础上迅速发展起来的一项新的先进制造技术[12].该技术综合了激光技术、材料技术、计算机辅助设计、计算机辅助制造技术和数控技术等先进制造技术，通过逐层熔化、堆积金属粉末，能够直接从数据生成三维实体零件，具有无模具、短周期、近净成形、组织均匀致密、无宏观偏析等优点[13].这项技术尤其适用于大型复杂结构零件的整体制造，在航空航天等高技术领域具有广阔的发展前景.目前，LSF的研究不断取得突破性进展，发展迅速.如西北工业大学凝固技术国家重点实验室，在国内率先提出LSF发展构思，并研发一套完整的高性能致密金属零件的激光立体成形理论、技术与装备，荣获陕西省科学技术一等奖[14].近年来，LSF在大型钛合金构件的研究方面取得重大突破，解决了其变形控制、几何尺寸控制、冶金质量控制、系统装备等方面的一系列难题[4]，如试制成功C919大飞机翼肋TC4上下缘条构件.另外，LSF在一些理论研究方面也取得一些进展，如激光成形凝固组织的理论分析;TC4合金的α+β两相组织控制、断裂韧性、疲劳性能的研究;激光立体成形镍基合金室温拉伸和高温持久性能研究等.LSF在航空航天领域的设备修复、激光组合制造、现场维修和再制造以及医用植入体应用等领域已得到广泛应用.其中，航空航天领域研究进展显著，如航空航天高性能薄壁零件的成形、挽救常规技术不可修复的航空发动机零件、修复高推重比航空发动机整体叶盘、尾气能量处理透平机0Cr17Ni4Cu4Nb叶轮修复[4]等.LSF发展较快，已在国内外获得广泛应用，还须在工艺研究进一步系统化、理论研究继续深化、发展激光涂覆过程的实时观测技术、开发适用于该技术的合金材料、成形精度与成形速率如何达到最佳匹配[15]等方面加大研究力度.2.2.2激光选区熔化工艺激光选区熔化工艺(SLM)是激光选区烧结技术的一种升级和衍生，是直接进行金属打印的最新前沿技术之一.该技术为将零部件CAD模型分层切片，采用预铺粉的方式，扫描镜带动激光束在计算机控制下沿图形轨迹扫描选定区域的合金粉末层，使其熔化并沉积出与切片厚度一致、形状为零件某个横截面的金属薄层，直到制造出与构件CAD模型一致的金属零件[16].其工艺原理图如图2所示，SLM制造激光功率一般在数百瓦级，精度高(最高可达0.05mm)，质量好，加工余量小.除精密的配合面之外，制造的产品一般经喷砂或抛光等后续简单处理就可直接使用.该技术烧结速度快，成型件质量精度高，适合中、小型复杂结构件，尤其是复杂薄壁型腔结构件的高精度整体快速制造[16].SLM可为生产高精密、复杂器件提供全新的制造方法，应用前景广阔.如：美国GE公司在各大型企业中率先成立金属材料激光熔化增材制造研发团队，并在LEAP喷气发动机中采用SLM制造燃油喷嘴;美国NASA马歇尔航天飞行中心于2012年采用激光选区熔化成形技术制造了复杂结构金属零部件样件，用于“太空发射系统”重型运载火箭;2013年8月，NASA对SLM制造的J-2X发动机喷注器样件进行了热试车试验并获得成功;美国加利福尼亚大学圣迭戈分校太空发展探索团队用3D打印方法制造火箭发动机推力室组件等[16].在设备开发方面，早在2004年，华南理工大学与北京隆源合作，在国内选区激光烧结设备的基础上首先开发出选区激光熔化快速制造设备Dimetal-240.2012年，华南理工大学研发出最新精密型Dimetal-100成型机[17].目前，各研究机构一直致力于高(变)致密度、成型角度、薄壁、力学性能等基础研究，适用于该技术的各种金属材料及工艺研究有待开发.

　　3增材制造技术的应用典型

　　3.1设计验证方面的应用

　　增材制造技术在设计验证方面应用广泛，可应用于航天系统功能性风扇组装、进行功能性和声响测试，使得模拟实际旋转速度达15000r/min，遴选出问题解决方案，节约成本[18].保时捷将其用于功能性测试，以便分析冷冻液流动特性，改变设计以减少紊流.另外，美国GE公司采用增材制造技术用1个零件代替原设计20个零件组成的飞机发动机喷嘴，减重25%，增效15%，制造成本大幅度降低，已大批量生产;美国公司还采用增材制造技术，成形了能耐热3300°C的复合材料航天发动机零件，使其成为“龙飞船2号推力达到龙飞船1号推力的200倍”技术的关键[19].增材制造技术还可应用于机器人表面映射反馈辅助原型设计[20]、光弹应力分析等.光弹应力分析时，需将作用于激光快速原型工件上的应力可视化，以识别设计不足的区域.图3为增材制造技术设计验证的部分应用.

　　3.2模具制造方面的应用

　　增材制造技术在模具制造方面的应用广泛，主要分为软模具制造和硬模具制造.利用真空浇注软硅胶模翻模技术，可生产小批量的类似工程塑料、聚氨酯等产件.快速铸造方面，光敏树脂消失法铸造可一次完成铸造成型，周期短，机械性能好[21].嘉陵集团利用该技术用于摩托车发动机缸头研制，获得了巨大的经济效益.光固化原型与砂型结合铸造技术应用也较为广泛，如研发新型四缸柴油发动机缸盖[18]、开发汽车零部件[22]等.快速成形原型直接制造蜡型模具可用于小批量精铸，大大提高铸件寿命，节约成本.另外，西安交通大学研发出的陶瓷型铸造，铸型外壳、内芯和浆料包裹层一体化设计，使航空叶片铸件合格率由15%提升至85%.东方气轮机厂利用该技术已研发出空心涡轮叶片，大大提高了叶片机械力学性能[18].目前，最为先进的快速模具制造方法有树脂基复合材料快速制模方法、中或低熔点合金铸造制模、金属电弧喷涂制模等.其中，金属电弧喷涂成型快速制模技术[18]在模具成本、寿命、制造周期、精度等方面具有综合优势，并且模具工作表面具有较好的强度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦学特性更接近于钢质模具，是一种较为理想的快速制模方法.其技术原理、设备及制模应用如图4、5所示.快速模具技术可节约成本3/4，缩短生产周期约2/3.提高模具制造精度、开发新材料新工艺、直接制造高强度金属模具等是该技术的重要发展方向.

　　3.3个性化医疗方面的应用

　　增材制造技术在医疗模型制造和体外医疗器械[23]、个性化永久植入物制造、组织工程支架制造、细胞打印、器官打印方面应用广泛，现已取得较大进展.如利用增材制造技术制造出高精度连体骨骼模型，成功实现连体婴儿分离[24]等.西安交通大学与第四军医大学联合开展骨替代物制造、定制化人工胫骨半关节大段骨重建术、定制化钛合金半膝关节假体复合大段骨移植、定制下颌骨原型设计[25]等研究，并成功实现中国首例“下颌骨溶解修复”手术[18].另外，西安交通大学与昆明军区医院联合进行了脊椎手术导航模板制作等研究，进一步扩展了个性化永久植入物的应用领域.采用TCP材料，西安交通大学积极开展基于光固化原型的支架制作人工活性骨支架研究，取得一定的科研进展.图6所示为利用3D打印技术制作的脊椎手术导航模板.

　　4增材制造技术的发展趋势

　　目前，增材制造技术存在许多问题，如材料方面限制、成形精度与成形速度的矛盾、设备及材料的价格昂贵等.在未来的发展中，该技术将会在新材料及创新工艺[26]、装备与关键器件、与传统工艺相结合等方面展开更深入的研究.另外，增材制造技术要克服一些技术瓶颈，实现关键技术环节上的突破，如：与传统制造结构保持同样的强度;减小成型过程中的变形，细化光斑、优化材料和工艺[27]，以提高制造精度;进行工艺创新与优化，提高光束能量以提高制造效率[18]等.现阶段，该技术将重点研究陶瓷零件制造、复合材料制造、聚合物喷射快速原型制造[28]、金属直接制造等，如：利用光固化原型技术，使支撑结构中组织发生变化制作碳化硅复合材料零件;使用高介电陶瓷材料，构造复杂型腔结构实现微波负折射功能，进行光子晶体制造，完成传统制造技术难以制作的内外形结构;深入研究金属直接成形自愈合原理，进行高温合金叶片制作实现金属直接制造[18]等.增材制造技术在工艺研究方面，存在许多具有潜力的研究方向.如：建立多层激光直接成形的自稳定机制并利用粉末负离焦技术制造薄壁，使工件侧面平均粗糙度达到10.04μm;充分研究叶片制造中的曲率效应，实验发现曲率大处熔化严重;进行空心叶片扫描路径设计与实验研究，以轮廓、光栅(方向优化)、分区的路径选择扫描复杂空心叶片，减少空行程，节约粉末;依据液氮控制冷却梯度，对空心叶片定向晶组织进行控制[18]等.在生物组织制造方面，增材制造技术潜力巨大，应用前景广阔，如：进行肝组织支架制造，通过仿生流道和定向多孔结构促进肝细胞向支架内生长，研究支架/细胞复合体用于修复肝缺损的有效性[29];对细胞打印和器官打印等生物医学前沿领域研究探索[18]等.另外，将增材制造技术与传统工艺相结合，进行小批量制造，可发挥倍增效益，是该技术发展的一大趋势.

　　5结语

　　发展增材制造技术需要从多方面着手，如创新工艺及装备的研究、开发;加强金属、工程塑料、陶瓷、复合材料的发展;重视关键器件的研发与产业化;向功能化发展及产品直接制造;快速原型CA系统的应用[30]等.进一步从技术研究、装备制造上支持产学研合作，尤其在与多种传统工艺集成方面解决工程应用的多种需求，对提高我国制造业的核心竞争力，由制造大国走向制造强国意义重大.

　　作者：张洪宝 胡大超 单位：上海应用技术学院 机械工程学院

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