增材制造技术概述

3.1 增材制造技术概述

增材制造技术诞生于20世纪80年代后期的美国。一开始，增材制造技术的诞生源于模型快速制作的需求，所以经常被称为“快速成型”技术。历经三十年日新月异的技术发展，增材制造已从概念（沟通）模型快速成型发展到了覆盖产品设计、研发和制造的全部环节的一种先进制造技术，已远非当初的快速成型技术可比。

3.1.1概述

1.概念

增材制造（即Additive Manufacturing，简称AM）：一种与传统的材料“去除型”加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。

增材制造的概念有“广义”和“狭义”之说，如图3-1所示。

“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。而“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。

目前，出现了许多令人眼花缭乱的多种称谓：快速成型（Rapid Proto-typing）、直接数字制造（Direct Digital Manufacturing）、增材制造（AdditiveFabrication）、“三维打印(3D—Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”、增层制造（Additive Layer Manufacturing）等。2009年美国ASTM专门成立了F42委员会，将各种RP统称为“增量制造“技术，在国际上取得了广泛认可与采纳。

2.原理与分类

实际上在我们的日常生产、生活中类似“增材”的例子很多，例如：机械加工的堆焊、建筑物（楼房、桥梁、水利大坝等）施工中的混凝土浇筑、元宵制法滚汤圆、生日蛋糕与巧克力造型等。

图3-1 增材制造概念

基本原理：首先将三维CAD模型模拟切成一系列二维的薄片状平面层。然后利用相关设

备分别制造各薄片层，与此同时将各薄片层逐层堆积，最终制造出所需的三维零件，如图3-2所示。

图3-2 增材制造基本原理

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3-3所示。

图3-3 增材制造分类

按照技术种类划分，则有喷射成型、粘接剂喷射成型、光敏聚合物固化成型、材料挤出成型、激光粉末烧结成型、定向能量沉积成型等。

例如：

激光增材制造：通过计算机控制，以高功率或高亮度激光为热源，用激光熔化金属合金粉末或丝材，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生长”，直接制造出任意复杂形状的零件，其实质就是CAD软件驱动下的激光三维熔覆过程，其典型过程如图3-4所示。

图3-4 金属零件激光增材制造典型过程

电弧增材制造：采用电弧送丝增材制造方法进行每层环形件焊接，即送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，由内至外的环形焊道间依次搭接形成一层环形件；然后焊枪提高一个层厚，重复上述焊接方式再形成另一层环形件，如此往复，最终由若干层环形件叠加形成钛合金结构件。

3.技术优势

AM技术不需要传统的刀具、夹具、模具及多道加工工序，在一台设备上就可以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难题，并且能简化工艺流程，减少加工工序，缩短加工周期。

AM技术能够满足航空武器等装备研制的低成本、短周期需求。据统计，我国大型航空钛合金零件的材料利用率非常低，平均不超过10%；同时，模锻、铸造还需要大量的工装模具，由此带来研制成本的上升。通过高能束流增量制造技术，可以节省材料三分之二以上，数控加工时间减少一半以上，同时无须模具，从而能够将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，节省国家宝贵的科研经费。

AM技术有助于促进设计-生产过程从平面思维向立体思维的转变。尽管计算机辅助设计

（CAD）为三维构想提供了重要工具，但虚拟数字三维构型仍然不能完全推演出实际结构的装配特性、物理特征、运动特征等诸多属性。采用增量制造技术，实现三维设计、三维检验与优化，甚至三维直接制造，可以摆脱二维制造思想的束缚，直接面向零件的三维属性进行设计与生产，大大简化设计流程，从而促进产品的技术更新与性能优化。

AM技术能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。利用增量制造技术提升现有制造技术水平的典型的应用是铸造行业。利用AM制造蜡模可以将生产效率提高数十倍，而产品质量和一致性也得到大大提升；可以三维打印出用于金属制造的砂型，大大提高了生产效率和质量。

AM技术特别适合于传统方法无法加工的极端复杂几何结构。AM除了可以制造超大、超厚、复杂型腔等，还有一些具有极其复杂外形的中小型零件，如带有空间曲面及密集复杂孔道结构等，用其他方法很难制造，而通过高能束流增量制造技术，可以节省材料三分之二以上，数控加工时间减少一半以上，甚至可以实现零件的净成形，仅需抛光即可装机使用。

AM技术非常适合于小批量复杂零件或个性化产品的快速制造。目前AM已成功应用于航空航天系统，如空间站、微型卫星、F-18战斗机、波音787飞机和个性化牙齿矫正器与助听器等。

AM技术特别适合各种设备备件的生产与制造。例如对于已经停产数十年的汽车、飞机、国防及其它设备的零部件，没有CAD图纸和相应工模具，甚至设备供应商有可能已经倒闭，相关设备备件已无法获得，就可以利用逆向工程技术快速得到相应的三维CAD模型，然后利用AM快速制造出所需的备件。

3.1.2关键技术

增材制造技术的成熟度还远不能同传统的金属切削、铸造、锻造、焊接、粉末冶金等制造技术相比，还有涉及到从科学基础、工程化应用到产业化生产的质量，诸如激光成型专用合金体系、零件的组织与性能控制、应力变形控制、缺陷的检测与控制、先进装备的研发等大量研究工作。

1．材料单元的控制技术

增材制造的精度取决于材料增加的层厚和增材单元的尺寸和精度控制。增材制造与切削制造的最大不同是材料需要一个逐层累加的系统，因此再涂层(recoating)是材料累加的必要工序，再涂层的厚度直接决定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度，增材单元的控制直接决定了制件的最小特征制造能力和制件精度。例如：采用激光束或电子束在材料上逐点形成增材单元进行材料累加制造的金属直接成形中，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。

未来将发展两个关键技术：一是金属直接制造中控制激光光斑更细小，逐点扫描方式使增材单元能达到微纳米级，提高制件精度；二是光固化成形技术的平面投影技术，投影控制单元随着液晶技术的发展，分辨率逐步提高，增材单元更小，可实现高精度和高效率制造。发展目标是实现增材层厚和增材单元尺寸减小10～100倍，从现有的0.1mm级向0.01～0.001mm发展，制造精度达到微纳米级。

2．设备的再涂层技术

由于再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向的精度和质量，因此，增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序之一。目前，分层厚度向0.01mm发展，而如何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

增材制造正在向大尺寸构件制造技术发展，需要高效、高质量的制造技术支撑。如金属激光直接制造飞机上的钛合金框粱结构件，框粱结构件长度可达6m，目前制作时间过长，