金屬材料增材制造研究與應用

羅德強 宋金泉

摘要：在科學技術快速發展的今天，各行各業都有了長足的進步。對于金屬增材制造技術來說，在近些年也獲得了快速的發展，金屬增材制造技術有著非常廣泛的應用空間，在航空航天、醫療、汽車等等領域都展現出了巨大的應用發展潛力，而且在一些特定應用領域金屬增材制造技術工藝已經超越了傳統的加工工藝。在金屬增材制造技術之中，粉末床熔融與直接能量沉積屬于兩種主要的金屬增材制造技術工藝分類，其相關的技術原理、特點和實際的應用狀況具有一定研究代表性，在這種前提下，對于金屬材料增材制造研究與應用分析，就具有了極其重要的實際意義。

關鍵詞：金屬材料增材制造;研究;應用

對于增材制造來說，其含義主要是指運用零件的三維模型數據來一層一層的結合材料成形制造，這屬于一種和傳統的減材制造完全相反的一種制造模式。從增材制造技術的含義可以知曉，其需要計算機輔助設計技術，這樣才能夠把零件的三維模型進行科學、合理的切片分層，進一步的離散成一層一層的二維模型數據，然后就能夠運用高能熱源比如電弧、激光等等，把材料逐層熔融堆積成形，完成快速制造出具有復雜幾何形狀的零件的目標。增材制造技術突破了傳統制造技術的局限性，其可以在最短的時間之內制造出傳統制造技術難以制造的零件，為設計人員提供了新的零件設計思路。增材制造技術最早是運用在快速原型制造領域的，使用的材料主要是塑料與樹脂，而金屬增材制造技術在最近幾年才有了快速的發展，世界上很多國家都進行了大量的研究。金屬增材制造技術依據工藝方法能夠分成兩個類型，分別是粉末床熔融與直接能量沉積，粉末床熔融工藝應用最為廣泛，其主要是以選區激光熔化與電子束熔化成形為代表;直接能量沉積包含了激光金屬沉積與電弧增材制造兩個部分。

一、對于金屬增材制造技術種類的分析

金屬增材制造技術按照工藝分為了粉末床熔融與直接能量沉積兩個內容，粉末床熔融工藝的具體內容主要是把金屬粉末平鋪到基板上進行熔融成形，其使用的金屬粉末尺寸在20μm到100μm之間，其特征是有著比較高的成形精度，同時成形花費的時間和零件的復雜程度沒有關系，只和零件的體積相關成正比關系，粉末床熔融工藝包括選區激光熔化與電子束熔化成形兩個部分[1]。選區激光熔化運用高能激光束，按照已經預定好的掃描路徑和掃描速度，把鋪好的金屬粉末層快速熔化，然后再進行快速冷卻凝固成形，具體的成形過程有三個步驟，第一步是電機控制成形缸下降，粉料缸上升;第二步是刮刀把粉末均勻的鋪在成形缸上;第三步是激光依據CAD設計好的路徑進行選擇性掃描熔化粉末凝固成形，每一層都重復的進行這三個步驟，一直到物品完全成形。電子束熔化成形原理和選區激光熔化相似，存在的區別就是熱源不同，電子束熔化成形利用電子束來替代激光作為熱源熔化金屬粉末，其優勢在于激光較為容易被金屬反射，電子束的能量則非常容易被金屬吸收，那么在金屬粉末熔化的時候形成的熔池溫度也很高，所以電子束熔化成形非常適用于高熔點的材料[2]。直接能量沉積是把熱源直接的聚焦在基材與金屬材料上熔化，熔化后的金屬材料就可以沉積到基材上和基材融合后冷卻凝固。直接能量沉積包含了激光金屬沉積與電弧增材制造兩個部分，激光金屬沉積技術主要是把激光作為熱源，以金屬粉末或是金屬絲作為加工的原材料;電弧增材制造的原理與激光金屬沉積相似，只是在熱源的使用上換做了電弧，有著較高的沉積速率，但是精度較低無法制造復雜結構的零件[3]。

二、關于金屬增材制造技術應用的探究

對于金屬增材制造技術來說，不同的技術類型有不同的適用場景，選區激光熔化因為有著優秀的成形件性能，拉伸性能也超過了鑄件，達到了鍛件的水準，成形的精度很高，所以適合被應用到醫療、汽車航空航天等等領域，比如國外的航天航空公司就使用選區激光熔化技術制造了載人航天飛船的引擎[4]。激光金屬沉積優點較多，比如材料利用率高、沉積速率高、成形靈活等等，因此有著較多方面的應用，比如國外的航空公司制造飛機零部件，使用激光金屬沉積技術能使得零部件的重量減輕，節省材料。電弧增材制造被應用到大型零件制造方面，比如歐洲的公司使用該技術生產全尺寸鈦合金壓力容器，節省了大量材料[5]。

三、結語

總的來說，對于金屬材料增材制造研究與應用的探索，有助于工業相關行業的發展，對應內容有著極其重要的實際作用。

參考文獻：

[1]于云，史廷春，孫芳芳，等.典型無機非金屬材料增材制造研究與應用現狀？[J].材料導報，2016，30（21）：119-129.

[2]龔偉.典型無機非金屬材料增材制造與應用現狀研究[J].建材與裝飾，2017（39）：249-250.

[3]樂方賓，葉寒，劉勇.金屬材料增材制造研究與應用[J].江西科學，2020，38（2）：157-161，262.

[4]鄧祥晶.增材制造技術在模具制造中的應用研究[J].電腦迷，2016（8）：116.

[5]陳濟輪，董鵬，張昆，等.金屬材料增材制造技術在航天領域的應用前景分析[J].電加工與模具，2014（1）：66-69.