第10章 增材技术

第10章增材制造技术及发展

10.1 增材制造技术

10.1.1概述

“3D 打印”（3D Printing ) 的专业术语是“增材制造”( Additive Manufacnuing )。其技术内涵是通过数字化增加材料的方式实现结构件的制造。增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是指基于离散-堆积原理，采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。诞生于上个世纪八十年代末期的增材制造技术:1i制造技术原理的改革命性突破，它形成了最能代表信息化时代特征的制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性化的产品制造方式最大限度地满足无限丰富的个性化需求。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三维打印（3D Printing）”、“实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。

工业化的LSF-V大型激光立体成形装备所谓数字化增材制造技术就是一种三维实体快

速自由成形制造新技术，如图10.1所示，它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势，学者们对其有多种描述。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称这种新技术为“数字化增材制造”，中国机械工程学会宋天虎秘书长称其为“增量化制造”，其实它就是不久前引起社会广泛关注的“三维打印”技术的一种。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。

图10.1工业化的LSF-V大型激光立体成形装备

10.1.2 增材制造技术分类

材料焊接学家关桥院士提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念（如图10.2所示），“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系；而“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等（如图10.3所示）。

图10.2广义与狭义增材制造技术内涵示意图

图10.3 增材制造技术技术群

10.1.3 增材制造的关键技术

（1）材料单元的控制技术。

如何控制材料单元在堆积过程中的物理与化学变化是一个难点。例如金属直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制直接影响制造精度和制件性能。

（2）设备的再涂层技术。

增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序，再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向上的精度和质量。分层厚度向0.01mm发展，控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。

（3）高效制造技术。

增材制造在向大尺寸构件制造技术发展。例如金属激光直接制造飞机上的钛合金框睴结构件，框睴结构件长度可达6m，制作时间过长，如何实现多激光束同步制造，提高制造效率，保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的难点。

此外，为提高效率，增材制造与传统切削制造结合，发展材料累加制造与材料去除制造复合制造技术方法也是发展的方向和关键技术。

10.1.4 增材制造技术优势

AM技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。

10.2增材制造国内外发展状况

10.2.1国外发展状况

欧美发达国家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，增材制造技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注。英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费。以前仅有拉夫堡大学一个增材制造研究中心，诺丁汉大学、谢菲尔德大学、埃克塞特大学和曼彻斯特大学等相继建立了增材制造研究中心。英国工程与物理科学研究委员会中设有增材制造研究中心，参与机构包括拉夫堡大学、伯明翰大学、英国国家物理实验室、波音公司以及德国EOS公司等15家知名大学、研究机构及企业。

2012年3月，美国白宫宣布了振兴美国制造的新举措，将投资10亿美元帮助美国制造体系的改革。其中，白宫提出实现该项计划的三大背景技术包括了增材制造，强调了通过改善增材制造材料、装备及标准，实现创新设计的小批量、低成本数字化制造。2012年8月，美国增材制造创新研究所成立，联合了宾夕法尼亚州西部、俄亥俄州东部和弗吉尼亚州西部的14所大学、40余家企业、11家非营利机构和专业协会。

除了英美外，其他一些发达国家也积极采取措施，以推动增材制造技术的发展。德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用；法国增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究；在政府资助下，西班牙启动了一项发展增材制造的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容；澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”，该项目使用增材制造技术制造航空航天领域微型发动机零部件；日本政府也很重视增材制造技术的发展，通过优惠政策和大量资金鼓励产学研用紧密结合，有力促进该技术在航空航天等领域的应用。

10.2.2国内发展状况

大型整体钛合金关键结构件成形制造技术被国内外公认为是对飞机工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。西北工大凝固技术国家重点实验室已经建立了系列激光熔覆成形与修复装备，可满足大型机械装备的大型零件及难拆卸零件的原位修复和再制造。应用该技术实现了C919飞机大型钛合金零件激光立体成形制造。民用飞机越来越多地采用了大型整体金属结构，飞机零件主要是整体毛坯件和整体薄壁结构件，传统成形方法非常困难。商飞决定采用先进的激光立体成形技术来解决C919飞机大型复杂薄壁钛合金结构件的制造。西北工大采用激光成形技术制造了最大尺寸达2.83m的机翼缘条零件，最大变形量<1mm，实现了大型钛合金复杂薄壁结构件的精密成形技术，相比现有技术可大大加快制造效率和精度，显著降低生产成本。

北航在金属直接制造方面开展了长期的研究工作，突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，解决了大型整体金属构件激光成形过程零件变形与开裂“瓶颈难题”和内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术，飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件，已研制生产出了我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金及超高强度钢等高性能关键整体构件，并在大型客机C919等多型重点型号飞机研制生产中得到应用。

西安交大以研究光固化快速成型（SL）技术为主，于1997年研制并销售了国内第一台光固化快速成型机；并分别于2000年、2007年成立了教育部快速成形制造工程研究中心和快速制造国家工程研究中心，建立了一套支撑产品快速开发的快速制造系统，研制、生产和销售多种型号的激光快速成型设备、快速模具设备及三维反求设备，产品远销印度、俄罗斯、肯尼亚等国，成为具有国际竞争力的快速成型设备制造单位。

复合材料构件是航空制造技术未来的发展方向，西安交大研究了大型复合材料构件低能电子束原位固化纤维铺放制造设备与技术，将低能电子束固化技术与纤维自动铺放技术相结合，研究开发了一种无需热压罐的大型复合材料构件高效率绿色制造方法，可使制造过程能耗降低70%，节省原材料15%，并提高了复合材料成型制造过程的可控性、可重复性，为我国复合材料构件绿色制造提供了新的自动化制造方法与工艺。

我国在电子、电气增材制造技术上取得了重要进展，称为立体电路技术（SEA，SLS+LDS）。电子电器领域增材技术是建立在现有增材技术之上的一种绿色环保型电路成型技术，有别于传统二维平面型印制线路板。传统的印制电路板是电子产业的粮食，一般采用传统的非环保的减法制造工艺，即金属导电线路是蚀刻铜箔后形成的，新一代增材制造技术采用加法工艺：用激光先在产品表面镭射后，再在药水中浸泡沉积上去。这类技术与激光分