金屬增材制造技術的應用與發展

程梓原

（北京市八一學校，北京 100080）

增材制造技術，又叫3D打印技術。近年來，增材制造技術在美國和我國等多個國家取得了快速的發展，這項技術使產品研發更加快捷，實現制造業產業結構調整，促進制造業變大變強。增材制造技術有著自上而下、逐層累積、快速將數字模型轉化成實際產品的特點。由于不需要制造模具以及多道加工工序，解決了許多復雜結構零件的成形，并且縮短了加工周期。同時增材制造技術具有很高的加工柔性，產品結構越復雜，個性化特點越明顯，其制造優勢就越顯著。金屬增材制造技術是通過高能量密度的熱源將金屬材料熔化，按照CAD模型逐層累積成金屬零件的技術，在工業制造方面所占優勢明顯優于傳統制造。相比于傳統鑄造與鍛造技術，有著低成本、高效率、高經濟性等優點。

1 典型金屬增材制造技術

按照熱源分，金屬增材制造技術有激光、電子束和電弧三種制造方法。按制造工藝分，金屬增材制造技術主要分為送絲/送粉熔化沉積和鋪粉選區燒結兩種方法。下面介紹幾種典型的增材制造技術方法。

（1）選擇性激光燒結技術。選擇性激光燒結技術是現今發展較為成熟的一項增材制造技術。設備在粉床上預鋪設一層金屬粉末，由激光作為熱源按照既定的路線進行選擇性燒結，等金屬熔化凝固后在鋪設下一層粉末。由此自下而上逐層累積，實現零件的近凈成形。選擇性激光燒結技術能夠制造超復雜任意形狀的零件，制造精度高，無需模具且不需要后續加工，大大提高了材料利用率。內部材料組成均勻，力學性能良好，但這種技術的效率不高，不適用于大尺寸零件制造。目前該技術主要應用于生物醫學、機械自動化加工等領域。

（2）送粉激光熔化沉積技術。送粉激光熔化沉積技術是一種較為高效的金屬增材制造技術。由激光器發出高密度高強度激光，在惰性氣體保護的環境以及在已設定程序路線的指導下，融化從送粉系統中送出的金屬粉末并逐層熔覆堆積材料成型，實現預設零件的制造。該技術相較傳統制造及加工技術，加工周期短，有著高經濟性、柔性好的優點。但由于對各層材料進行熔化沉積時，由于熱輸入的逐層累積，底層材料會收到累積的熱影響，造成層帶性能的差異性，需要進行熱處理來改善組織性能以及少量后續機械加工等后續操作。目前該技術主要用于模具制造及制造工藝及國防工業領域。

（3）送絲電弧增材制造技術。電弧增材制造送絲技術是近年來發展迅猛的金屬增材制造技術，由于其加工成本更低、加工時間短而備受關注。該技術采用電弧作為熱源，以金屬絲材作為材料，在設備的操控下，設備內部送絲系統送出的金屬絲會與電弧作用區域重合，使金屬絲熔化，二者共同以既定路線完成對構件的近凈成形。該技術相較于其他3D打印技術，由于使用電弧而非激光作為熱源，材料熔化效果較好、價格便宜、加工周期短，具有快速響應能力，其內部材料熔化更加均勻、致密度較高的優點。但其加工零件表面質量較差，需要二次加工，性能受熱累積影響嚴重等缺點。目前該技術現在大多用于新材料加工以及大型航天航空結構件領域。

2 金屬增材制造技術的應用

由于其不需要模具、制造響應速度快、成形效率高等特點，金屬增材制造技術具有很大的發展潛力。但是由于其成形尺寸的限制、生產批量小以及質量控制等問題，限制了該技術的應用。近些年來，隨著國內外的逐步研究，金屬增材制造技術進步飛快，在諸多制造領域中有著廣泛應用。

（1）復雜結構制造。對于復雜結構件，傳統加工方法往往需要復雜的工藝和大量的后續機械加工，不僅需要很高的制造工藝與加工成本，材料在銑、削的過程中也會大量損耗，造成資源浪費。而且對于金屬材料加工成復雜構件過程中，對加工器具及機械也會造成較大損傷。而金屬增材制造技術，尤其是鋪粉熔化沉積方法，加工過程中不受尺寸與形狀的限制，具有強大的柔性制造能力，且材料利用率高，因此能夠實現零件超復雜結構的近凈成形制造。

（2）一體化制造。金屬增材制造具有良好的一體化制造的優點，對于傳統制造復雜零件，在對目標構件進行制造之前，都要進行前期大量設計，例如圖紙設計、材料研究等；而對于無法一次性制造的構件，傳統制造中間往往需要經過大量的加工步驟，采用配合連接等方式，既要消耗大量時間與人力成本，又要考慮對材料以及構件質量本身的影響。在復雜結構構件的制作上，傳統制造無法高效率的完成制造，而金屬增材制造技術可以通過將構件逐層的數據傳導至計算機上形成三維數據模型，一次性實現對零件的直接成型，對于制造一體化要求高的構件具有很大優勢。

（3）輕量化制造。對于傳統制造工業進行輕量化制造，一方面考慮到難以一次性加工而導致中間步驟要經過銑、削、焊等操作，對材料浪費較多；另一方面加工周期較長，其實現輕量化制造的成本并不低。金屬增材制造技術可以利用增材制造技術結合建模與仿真技術進行輕量化設計，不僅可以實現模型最優化設計，達到高質量、輕量化制造，而且輕量化設計結構增材制造由于柔性結構特性，不需要考慮制造工藝難度，且材料越少制造成本就越低，在輕量化制造中具有得天獨厚的優勢。

（4）金屬增材制造技術的發展研究。盡管技術增材制造技術具有上述諸多優勢，但目前其制造零件質量普遍略低于傳統鍛造工藝水平，且存在表面質量不高、內部成分不夠均勻、存在氣孔等問題。通過后期熱處理方法與材料成型及控制工程研究可有效減少這些缺陷對構件性能的影響，達到理想零件的水平，做到高質量高精度生產。從研究問題中抽象出數學理論公式，通過計算建立數學模型，結合結構模型具體分析操作方案，從而使傳統制造的具體化操作轉為虛擬化制造。通過仿真模擬技術規避構建過程中產生的例如受熱產生的殘余應力和變形，或出現氣孔等難以通過在現實操作而產生的紕漏，讓加工產品更加貼近期望效果，達到以較少的人工以及時間成本完成預計加工任務。同時，結合計算機技術與金屬增材制造技術，數字化是金屬增材制造面向更快、更有效、更個性化發展的必然趨勢。開發一套數字化響應系統可以做到操作更加智能化、合理，實現完整產業鏈制造，做到高效生產。金屬增材技術發展到現在，仍有許多學者做著從理論模型到實際操作的研究。目前，將金屬增材制造技術投入產業化生產、提升增材制造速度、開發新型加工材料以及金屬增材制造智能化是現在人們主要研究的目標。人們希望能克服金屬增材制造表面質量、材料性能、大批量生產效率較低等問題，并將金屬增材制造技術投入到更多領域應用。

3 結語

本文主要圍繞金屬增材制造技術，介紹了其技術特點、工程應用以及發展研究。作為一門發展迅速的先進加工技術，增材制造技術經過國內外對其進行的理論、加工特性、數值模擬以及硬件設施等方面的研究；其技術越來越完善，向著高效高質量、成本節約、新型材料、產業化應用等方向不斷進步，在未來必將有更加廣闊的應用。