什么是增材制造？增材制造技术解析

　　增材制造介绍

　　增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

　　增材制造技术使用能源有激光、电子束、紫外光等，采用的材料有树脂、塑料、金属、陶瓷、蜡等，因其采用的成型方法和使用的成型材料以及依靠的凝结热源不同，现在主要分为四类：分层实体制造（LOM）工艺技术；立体光刻（SLA）工艺技术；选择性激光烧结（SLS）工艺技术；熔融沉积成型（FDM）工艺技术。

　　增材制造技术的分类及特点

　　（1）无模具快速自由成型，制造周期短，小批量零件生产成本低。增材制造技术因为只需要有加工原料和加工设备就能够进行产品加工，不需要机械加工和工装模具，可以实现一次成型，节约了零件的不同工序加工和组装消耗的时间，进行单件小批量的生产时，增材制造的成本低。传统加工制造需要原料采购、准备，并且加工过程中还需要不同工序的轮换加工，加工完后还需要进行零件的组装等等，而这无形之间延长了产品的生产周期，同时也不经济。

　　（2）零件近净成型，机加余量小，材料利用率高。增材制造技术因为是一次成型，“自下而上”的“分层制造、逐层叠加”而成型的，材料的损耗大部分是用于对模型成型的支撑上，而绝大部分材料是应用于模型的成型上。因此，增材制造相比传统减材制造更加的节省原料，也更加的节约能源，因此更经济些，材料利用率也更高些。

　　（3）激光束能量密度高，可实现传统难加工材料。激光具有的相干性好、单色性好、方向性好和亮度高的特点，尤其是其高能量束能够在很短的时间将温度升高到数千度，在此温度下绝大部分的金属都能够被融化加工成型。因此，传统的难加工材料如38CrMnSiA、TC4等，都可被加工制造出来。

　　（4）加工的零件结构性强度更高、加工应力集中更小。增材制造技术采用的是一体化制造成型技术，相比由零件间组装成的整体部件具有更强的刚度和稳定性。另外，增材制造采用的分层制造、逐层叠加的成型技术，在每一片层凝结成型时，已经将成型应力释放，因此制造的零件没有应力集中或者应力集中现象很少。当然，增材制造技术还有很多其他方面的优势，比如可实现多种材料任意复合制造、加工效率高、不受零件复杂外形限制等。

　　增材制造技术优势

　　1、设计上的自由度——在机加工、铸造或模塑生产当中，复杂设计的代价高昂，其每项细节都必须通过使用额外的刀具或其它步骤进行制造。相比而言，在增材制造当中，部件的复杂度极少需要或根本无需额外考虑。增材制造可以构建出其它制造工艺所不能实现或无法想像的形状，可以从纯粹考虑功能性的方面来设计部件，而无需考虑与制造相关的限制。

　　2、小批量生产的经济性——增材制造过程无需生产或装配硬模具，且装夹过程用时较短，因此它不存在那些需要通过大批量生产才能抵消的典型的生产成本。增材工艺允许采用非常低的生产批量，包括单件生产，就能达到经济合理的打印生产目的。

　　3、高材料效率——增材制造部件，特别是金属部件，仍然需要进行机加工。增材制造工序经常不能达到关键性部件所要求的最终细节、尺寸和表面光洁度的要求。但是所有近净成形工艺当中，增材制造是净成形水平最高的工艺，其后续机加工所必须切削掉的材料数量是很微量的。

　　4、生产可预测性好——增材制造的构建时间经常可以根据部件设计方案直接预测出来，这意味着生产用时可以预测得很精确。随着增材制造业的拓展，制造商对于自己的制造时间表编制将拥有严密得多的控制力。

　　5、减少装配——对于许多技术成熟的产品来说，这是一项由增材生产工艺所引进的根本性变革的要素。通过增材制造所构建的复杂形状可以一体成形，取代那些目前还需采用众多部件装配而成的产品。这意味着增材工艺所带来的节省效果包括了省去了之前需投入到装配工序的工作量、需涉及的坚固件、钎焊或焊接工序，还有单纯为了装配操作而添加的多余表面形状和材料。

　　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。

　　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。

　　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、 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。