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增材制造技术的发展 |
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作者：李涤尘 田小永 王永信 卢秉恒 |
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增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除一切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。近20年来，增材制造技术取得了快速的发展。快速原型制造、增材制造、实体自由制造等，各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。
1 发展状况
增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备，目前已有的设备种类达到20多种。该技术一出现就取得了快速发展，在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等多个领域都得到了广泛的应用。其特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了快速成形在产品创新中具有显著的作用。美国专门从事增材制造技术的技术咨询服务协会(Wohlers)在2011年度报告中，对各行业的应用情况进行了分析。过去3年快速成形技术应用的产业领域状况，消费商品和电子领域仍占主导地位，但比例从23.7%降低到20.6%；机动车领域从19.1%降低到17.9%；研究机构为7.9%；医学和牙科领域从13.6%增加到15.9%；工业设备领域为12,9%；航空航天领域为9.9%。在过去几年中，医学和牙科是快速成形制造技术的第三大应用领域。
图1是快速成形技术的主要应用功能的比例。它包括：①直观展具：用于工程师，设计师，工具制造者，建筑师，医学专家与用户沟通交流的辅助工具；②展示模型：如地理信息系统模型；③功能模型；④装配模型；⑤快速模具原型：如硅橡胶模具；⑥金属铸造模型；⑦工模具部件；⑧直接数字/快速制造：如定制化零件，替代物零件等。
主要应用功能的比例
世界上许多国家与地区都在开发或应用增材制造技术。增材制造系统的数量一定程度上表现了国家的经济活力与创新能力。自1988～2010年，主要国家和地区的AM设备的数量情况。美国、日本、德国、中国成为主要的设备拥有国。
2 发展趋势
增材制造技术发展趋势有三个方面：
(1)向日常消费品制造方向发展。三维打印技术是国外近年来的发展热点，其设备称为三维打印机，将其作为计算机一个外部输出设备而应用。它可直接将计算机中的三维图形输出为三维的塑料零件。在工业造型、产品创意、工艺美术等方面有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。
(2)向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉，逐层堆积金属，形成金属直接成形技术。该技术可直接制造复杂结构金属功能零件，制件力学性能可达到锻件性能指标。进一步的发展方向是陶瓷零件的快速成形技术和复合材料的快速成形技术。
(3)向组织与结构一体化制造发展。实现从微观组织到宏观结构的可控制造。如：在制造复合材料零件中，将复合材料组织设计制造与外形结构设计制造同步完成，从而实现结构体“设计-材料-制造”的一体化。美国正在开展梯度材料结构的人工关节、陶瓷涡轮叶片等零件增材制造的研究。
增材制造技术的应用，为许多新产业和新技术的发展提供了快速制造技术。在生物假体与组织工程上的应用，为人工定制化假体制造、三维组织支架制造提供了有效的技术手段，为汽车车型快速开发和飞机外形设计提供原型的快速制造技术，加快了产品设计速度。如：国外增材制造技术在航空领域的应用量超过9%，而我国的应用量则非常低。增材制造技术尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造，具有成本低和效率高的优点，在航空发动机的空心涡轮叶片、风洞模型制造和复杂精密结构件制造方面具有巨大的应用潜力。因此，增材制造技术与企业产品创新结合，是增材制造技术发展的根本方向，也是实现创新性国家的锐利工具。增材制造的发展目标是实现微纳米级的制造精度，有效提高大构件的制造效率，发展多材料和多工艺复合的控形控性制造技术。
3 关键技术
增材制造有广阔的发展前景，但也存在巨大的挑战。目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了其实现技术。如：在成形材料上，目前主要是有机高分子材料和金属材料。金属材料直接成形是近十多年的研究热点，正逐渐向工业应用，难点在于如何提高精度。新的研究方向是用增材制造技术直接把软组织材料（生物基质材料和细胞）堆积起来，形成类生命体，经过体外培养和体内培养去制造复杂组织器官。关键技术的研发将有力地推动增材技术的发展。
3.1 精度控制技术
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。现有的增材制造方法中，多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，如：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。激光光斑在0.1～0.2mm，激光作用于金属粉末，金属粉末熔化形成的熔池对成形精度有着重要影响。通过激光或电子束光斑直径、成形工艺（扫描速度、能量密度）、材料性能的协调，有效控制增材单元尺寸是提高制件精度的关键技术。
随着激光、电子束及光投影技术的发展，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；另一个方向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。
3.2 高效制造技术
增材制造在向大尺寸构件制造方向发展，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，如何实现多激光束同步制造、提高制造效率、保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的关键技术。此外，为提高效率，增材制造与传统切削制造结合，发展增材制造与材料去除制造的复合制造技术是提高制造效率的关键技术。
为实现大尺寸零件的高效制造，发展增材制造多加工单元的集成技术。如：对于大尺寸金属零件，采用多激光束(4～6个激光源)同步加工，提高制造效率，成形效率提高10倍。对于大尺寸零件，研究增材制造与切削制造结合的复合关键技术，发挥各工艺方法的其优势，提高制造效率。发展目标是：增材制造零件尺寸达到20m，制件效率提高10倍。形成增材制造与传统切削加工结合，使复杂金属零件的高效高精度制造技术在工业生产上得到广泛应用。
3.3 复合材料零件增材制造技术
现阶段增材制造主要是制造单一材料的零件，如单一高分子材料和单一金属材料，目前正在向单一陶瓷材料发展。随着零件性能要求的提高，复合材料或梯度材料零件成为迫切需要发展的产品。如：人工关节未来需要Ti合金和CoCrMo合金的复合，既要保证人工关节具有良好的耐磨界面(CoCrMo合金保证)，又要与骨组织有良好的生物相容界面(Ti合金)，这就需要制造的人工关节具有复合材料结构。由于增材制造具有微量单元的堆积过程，每个堆积单元可通过不断变化材料实现一个零件中不同材料的复合，实现控形和控性的制造。
未来将发展多材料的增材制造，多材料组织之间在成形过程中的同步性是关键技术。如：不同材料如何控制相近的温度范围进行物理或化学转变，如何控制增材单元的尺寸和增材层的厚度。这种材料的复合，包括金属与陶瓷的复合、多种金属的复合、细胞与生物材料的复合，为实现宏观结构与微观组织一体化制造提供新的技术。发展目标是：实现不同材料在微小制造单元的复合，达到陶瓷与金属成份的主动控制，实现生命体单元的受控成形与微结构制造，从结构自由成形向结构与性能可控成形方向发展。
4 结束语
增材制造已成为先进制造技术的一个重要发展方向，有着广阔的发展前景，也存在着巨大的挑战。该技术将向着三个方向发展：一是日常消费品制造方向；二是功能零件制造方向；三是组织与结构一体化制造方向。未来需解决的关键技术包括：精度控制技术、高效制造技术、复合材料零件制造技术。增材制造技术的发展将有力提高我国工业产品和日用消费品的创新能力，支撑我国由制造大国向制造强国发展。(end)
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(12/29/2012) |
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