金屬增材制造技術的應用與發展

張少杰

（嘉峪關匯豐工業制品有限責任公司，甘肅 嘉峪關 735100）

在經濟全球化和市場競爭日益激烈的背景下，產品的快速開發和推廣已然成為行業競爭的重要手段之一。在這樣的發展背景下，為了能夠更好的滿足制造業的發展需要，使得制造業生產出的產品能夠滿足多種客戶需求，制造技術需要具備較高的柔性，并在使用的過程中迎合市場需要積極生產小批量或者單件產品[1]。在計算機技術、CAD技術、CAM技術、機械工程技術的快速發展下，金屬增材制造技術應運而生，成為快速成型領域最具發展前景的技術之一。為此，文章結合制造業發展實際情況，就金屬增材制造技術的應用問題展開探究。

1 金屬增材制造技術概述

（1）內涵。增材制造也被稱作是3D打印，在設計中融合了計算機輔助設計、材料加工、成形技術，之后以數字模型為基礎，借助軟硬件系統和數控系統來將金屬材料、非金屬材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式制造出實體物品的制造技術。

（2）原理。第一，激光選區熔化技術。激光選區熔化技術由粉床選區激光燒結技術發展而來，以金屬粉末為加工原料，借助高能密度激光束來將這些粉末進行堆積，從而打造成金屬零件的制造技術。第二，直接金屬粉末激光燒結技術。直接金屬粉末激光燒結技術加工材料是由不同金屬組成的混合物，在加工操作的時候低熔點的材料不容易被熔化，借助被熔化的材料能夠最終設計成型。第三，電子束選取熔化技術。電子束選取熔化技術的工作環境是真空環境，和激光相比，電子束更容易被獲得，在使用的過程中能夠降低加工成本，確保高活潑金屬在加熱中不被氧化。第四，激光立體成形技術。激光立體成形技術借助高能量的激光束，能夠將光束同軸、側向噴射的粉末從熔化轉變為液體，之后通過運動控制來將熔化之后的液態金屬凝固成形。

（3）關鍵技術。第一，材料單元控制技術。材料單元控制技術應用的難點是怎樣控制材料單元堆積過程中的物理和化學變化。第二，設備再涂層技術。增材制造的自動化涂層是材料累加的必要工序，通過應用再涂層技術能夠有效提升產品零件在累加方向的精度和質量。第三，高效制造技術。金屬增材制造技術的使用能夠有效控制材料制作時間，實現多激光束同步制造，提高制造效率。

2 金屬增材制造技術的應用

第一，制作傳統成形工藝難度大的零件。應用金屬增材制造技術能夠在較短的時間內制造出滿足要求的零部部件。金屬增材制造技術在制作傳統成形工藝難度大零件上的典型應用是模具行業隨形冷卻金屬模具的制造，且模具設計的時間減少了75%，制造端人力節省了50%，射出模具生產周期縮短了14%。第二，制作高成本材料零件。金屬增材制造技術在制作高成本材料零件上最為常見的領域是航空航天。航空航天發展需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。應用增材制造技術進行飛機發動機鎳基合金和鈦合金部件的研制有效縮短了研發時間，提升了產品的性能。第三，快速成形小批量非標件。金屬增材制造技術適合進行個性化、小批量產品的生產，特別是在醫療器械制作領域有著十分廣泛的應用，具體表現為兩個方面：①打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復雜結構。②為病人量身定做植入手術所需的精密部件。第四，高性能成形修復受損零件。第四，金屬增材制造技術能夠修復復雜、受損零件的制作，特別是在航空航天領域有著廣泛的應用。通過應用金屬增材制造技術可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，且確保產品在修復會的性能不被影響。第五，異質材料的組合制造。金屬增材制造技術能夠將不同材料進行組合制造。

異質材料的組合制造借助金屬增材制造技術能夠對不同結構部位采用不同類別的金屬材料，由此能夠提升結構件的性能，節省材料成本費用。

3 金屬增材制造技術的應用行業

（1）醫療領域。金屬增材制造技術在醫療領域有著廣闊的應用空間，具體表現為口腔及植入體的制造，加工制造所應用的材料包含鈦合金、鈷鉻合金等。通過在口腔領域應用金屬增材制造技術能夠提升光斑治療的精準度。另外，在醫院骨科領域大多采用鈦合金材料，與人體具有優異的生物相容性，所選擇材料的表面網狀結構可以減輕植入物的重量，使得定制化的產品能夠更好的適應病人的個體需求。

（2）航空航天領域。在航空航天領域應用傳統的制造手段往往無法對拓撲優化后的零件進行加工，而應用金屬增材制造技術能夠確保零件的性能不受影響，在拓撲優化和增材制造相結合的情況下為傳統制造方法無法處理的復雜問題提供可能性，從而以更少的燃料和成本來進行零件的設計。金屬增材制造技術在航空航天領域的應用具體表現為航空小型精密構件和航天大型復雜構件的制作、航空零件的快速修復、新型飛機和航空發動機的研發等。

（3）汽車工業領域。金屬增材制造技術具有直接制造的特點，在零部件制造的過程中避免了因為開模帶來的高額成本。金屬增材制造技術的這一特點在賽車制造領域有著十分廣泛的應用，實現復雜零部件的輕量化直接成形。另外，金屬增材制造技術還可以被制作更加精密的鉆頭。

（4）陶瓷制造領域。陶瓷或者金屬基復合陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕好等性能。陶瓷零件的成形方法如注漿成形、模壓成形、熱壓鑄成形等無法擺脫模具的制約，生產周期長、成本高。成形工藝對陶瓷零件尤其是復雜形狀陶瓷零件的進一步發展和應用形成了極大的制約。增材制造技術的出現為復雜形狀陶瓷零件的成形提供了有效的解決方案，解決了傳統工藝中許多復雜結構零件的制造問題。基于擠出工藝的陶瓷零件增材制造技術中所應用到的技術如下所示：第一，擠出材料。擠出材料是擠出成形的基礎，擠出材料的流變性能和工藝性能對整個成形過程都有著顯著的影響。在EFF工藝的應用下通過將聚合物、蠟、增塑劑以及陶瓷粉末混合制備能夠獲取具有良好的尺寸公差和顯微結構。這種材料的靈活性和多樣性為基于擠出的增材制造工藝提供了極大技術適用性。第二，擠出方式。擠出機的擠出方式分為：螺桿式擠出、氣壓式擠出和柱塞式擠出?；跀D出技術的陶瓷零件增材制造工藝大多采用的是柱塞式擠出方式。柱塞式擠出方式將機械運動的壓力作為基本驅動力，在使用的過程中具有性能良好、受力均勻的特點。

4 結語

綜上所述，增材制造技術的發展改變了傳統的制造方式，為復雜的金屬結構零件制造提供了新的思路，使得制造業在新的歷史時期更具發展空間和應用前景。在科技的支持下，未來金屬材料增材制造技術將會替代傳統的制造技術，從而為制造企業的發展提供更有利的支持。