金屬材料增材制造技術(shù)及其存在限制性

楊鵬慈

沈陽度維科技開發(fā)有限公司 遼寧沈陽 110000

上世紀(jì)八十年代中期，隨著數(shù)字化離散堆積思想的發(fā)展，一種生產(chǎn)周期短、性能優(yōu)良、省料省成本的新型材料成型技術(shù)應(yīng)用而生。它就是金屬材料增材制造技術(shù)。應(yīng)用金屬材料增材制造技術(shù)加工成形的結(jié)構(gòu)部件精度高、組織細(xì)密均勻，同時還具有成本低、周期短、柔性高新等優(yōu)勢。僅材料方面，金屬材料增材制造技術(shù)較之于傳統(tǒng)金屬材料制造工藝節(jié)省5倍，材料的利用率提高了80%以上，為大型復(fù)雜性構(gòu)建的加工制造提供了良好的技術(shù)條件。顯著的應(yīng)用優(yōu)勢使得金屬材料增材制造技術(shù)獲得了快速的發(fā)展。在金屬增材制造技術(shù)方面，其內(nèi)部缺陷、組織控制、定向凝固等方面出現(xiàn)的瓶頸較多。研究金屬材料增材制造技術(shù)及其存在的限制，對進一步突破金屬材料增材制造技術(shù)成形工藝的創(chuàng)新與發(fā)展有著重要的意義。

1 金屬材料增材制造技術(shù)概述

金屬材料增材制造技術(shù)是增材制造技術(shù)的一部分。增材制造技術(shù)指通過3D打印設(shè)備逐層增加材料，由計算機控制系統(tǒng)控制制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。該技術(shù)被稱為是“第三次工業(yè)”的代表。材料是增材制造技術(shù)的核心。金屬是增材制造技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種，也是目前公認(rèn)的最有應(yīng)用潛力的材料。金屬材料廣泛應(yīng)用與工業(yè)、化工業(yè)、軍事、機械、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域。相對于其他材料而言，金屬材料的成本高、制備難度大。目前，國內(nèi)金屬粉末增材制造還難以達(dá)到規(guī)模化、產(chǎn)量化的加工，因此也限制著金屬材料增材制造技術(shù)市場化的發(fā)展[1]。

在金屬材料增材制造技術(shù)中，氣霧化技術(shù)是應(yīng)用較廣的一種技術(shù)。由于金屬易受氣流擾動影響，粉末粒度分布很難保證穩(wěn)定、均勻的分布，因此在技術(shù)增材制造過程中，會影響成形件的霧化效率和效果，也會不同程度的增加植被成本和成形件的質(zhì)量。

不同零件的增材制造都是根據(jù)其特定的形狀界面和厚度逐層燒結(jié)并接合起來的，因此分層制造時影響金屬增材制造技術(shù)效果的關(guān)鍵因素之一。究其根本，分層制造的效果與設(shè)備、材料及制造工藝息息相關(guān)。產(chǎn)品最終制備成形的效果并非由單一因素所決定，而是多因素綜合作用的結(jié)果。隨著金屬增材制造設(shè)備的及工藝的同時進步，以及新型材料的開發(fā)，金屬材料增材制造技術(shù)才能真正的做到與時俱進、創(chuàng)新發(fā)展。在金屬材料增材制造發(fā)展過程中，設(shè)備與技術(shù)的不匹配，材料性能的限制等，都會影響金屬材料增材制造技術(shù)的綜合發(fā)展[2]。

2 發(fā)展現(xiàn)狀及其局限性

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，金屬材料增材制造技術(shù)已經(jīng)在美國、英國、德國、西班牙、日本等發(fā)達(dá)國家的航空航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用。英國南安普頓大學(xué)利用增材制造技術(shù)制造出第一下無人駕駛飛機。德國EOS公司開發(fā)的選取激光燒結(jié)增材制造裝備是普通尼龍塑料的1倍，能夠連續(xù)服役于超過180℃的動態(tài)力學(xué)場合、240℃的靜態(tài)力學(xué)場合以及260℃的墊圈場合。除激光技術(shù)外，等離子束、電弧能束等金屬增材技術(shù)還廣泛應(yīng)用與船舶、能源、機械制造等領(lǐng)域，為零部件的快速成形及修復(fù)提供了核心技術(shù)。在生物醫(yī)療方面，利用金屬材料增材技術(shù)可以制造出牙齒、人體骨骼、人體肢體、人體關(guān)節(jié)等零部件，用于手術(shù)修復(fù)或植入。據(jù)統(tǒng)計，進應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域的金屬材料增材制造技術(shù)已經(jīng)占該領(lǐng)域的“人體零部件”應(yīng)用的15%。

目前，金屬材料增材制造技術(shù)已經(jīng)進度到與電子制造技術(shù)高度融合的階段。通過與薄膜太陽能電池、無芯片RFID標(biāo)簽、柔性器件、有機發(fā)光二極管的同和，金屬材料增材制造技術(shù)在材料利用率方面得到顯著提高，相應(yīng)的金屬材料增材制造技術(shù)過程中的污染也得到了較好的控制。

2.2 發(fā)展局限

目前，國內(nèi)外的金屬材料增材制造技術(shù)產(chǎn)品主要應(yīng)用于汽車快速制模、航空零部件、電子消費品設(shè)計、假肢、骨骼、牙科等方面。由于激光增材溫度下降速度快，加工過程中容易初選缺陷。此外，激光成形后再去熱等靜壓，鍛件的力學(xué)性能就會降低。以上限制導(dǎo)致金屬材料增材制造技術(shù)只能應(yīng)用于小體積的零件。大部分的國內(nèi)外金屬材料增材制造技術(shù)還處于局部發(fā)展的階段，尚無形成規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)鏈的模式，缺乏大型的裝備，因此金屬材料增材制造技術(shù)應(yīng)用的成本相對較高，只能使其局限于小體積高價值的零件制造上[3]。

為了克服大尺寸復(fù)雜構(gòu)件整體金屬增材制造的應(yīng)用局限，美國提出“損傷容限”的概念，但最終以失敗告終。2012年，中國的王華明做了五代激光快速成型裝備，確定激光束功率3.0～1.0kw、激光束斑直徑2.6±0.4mm、掃描速度5～10mm/min、單層沉積厚度不高于0.8mm、99.999%的高純氬氣或氦氣做保護性氣氛，最終突破了金屬材料增材制造的局限，在大型復(fù)雜整體鈦合金結(jié)構(gòu)件上采用就干快速成型技術(shù)試驗成功。自此，我國的金屬材料增材制造技術(shù)領(lǐng)先于世界。

3 結(jié)語

無論是我國，還是歐洲發(fā)達(dá)國家，限制金屬材料增材制造技術(shù)發(fā)展的無非時設(shè)備、成本、產(chǎn)品尺寸、成形效率、產(chǎn)品適用性等問題。該技術(shù)作為依靠現(xiàn)代信息技術(shù)和新型材料的科學(xué)技術(shù)，想要取得突破性的研究進展，就必須從設(shè)備、材料、工藝等多方面同時加強研究，才能突出綜合限制，取得更快的發(fā)展。