金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

張少杰

（嘉峪關(guān)匯豐工業(yè)制品有限責任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

在經(jīng)濟全球化和市場競爭日益激烈的背景下，產(chǎn)品的快速開發(fā)和推廣已然成為行業(yè)競爭的重要手段之一。在這樣的發(fā)展背景下，為了能夠更好的滿足制造業(yè)的發(fā)展需要，使得制造業(yè)生產(chǎn)出的產(chǎn)品能夠滿足多種客戶需求，制造技術(shù)需要具備較高的柔性，并在使用的過程中迎合市場需要積極生產(chǎn)小批量或者單件產(chǎn)品[1]。在計算機技術(shù)、CAD技術(shù)、CAM技術(shù)、機械工程技術(shù)的快速發(fā)展下，金屬增材制造技術(shù)應(yīng)運而生，成為快速成型領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。為此，文章結(jié)合制造業(yè)發(fā)展實際情況，就金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用問題展開探究。

1 金屬增材制造技術(shù)概述

（1）內(nèi)涵。增材制造也被稱作是3D打印，在設(shè)計中融合了計算機輔助設(shè)計、材料加工、成形技術(shù)，之后以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，借助軟硬件系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)來將金屬材料、非金屬材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式制造出實體物品的制造技術(shù)。

（2）原理。第一，激光選區(qū)熔化技術(shù)。激光選區(qū)熔化技術(shù)由粉床選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)發(fā)展而來，以金屬粉末為加工原料，借助高能密度激光束來將這些粉末進行堆積，從而打造成金屬零件的制造技術(shù)。第二，直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)。直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)加工材料是由不同金屬組成的混合物，在加工操作的時候低熔點的材料不容易被熔化，借助被熔化的材料能夠最終設(shè)計成型。第三，電子束選取熔化技術(shù)。電子束選取熔化技術(shù)的工作環(huán)境是真空環(huán)境，和激光相比，電子束更容易被獲得，在使用的過程中能夠降低加工成本，確保高活潑金屬在加熱中不被氧化。第四，激光立體成形技術(shù)。激光立體成形技術(shù)借助高能量的激光束，能夠?qū)⒐馐S、側(cè)向噴射的粉末從熔化轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，之后通過運動控制來將熔化之后的液態(tài)金屬凝固成形。

（3）關(guān)鍵技術(shù)。第一，材料單元控制技術(shù)。材料單元控制技術(shù)應(yīng)用的難點是怎樣控制材料單元堆積過程中的物理和化學變化。第二，設(shè)備再涂層技術(shù)。增材制造的自動化涂層是材料累加的必要工序，通過應(yīng)用再涂層技術(shù)能夠有效提升產(chǎn)品零件在累加方向的精度和質(zhì)量。第三，高效制造技術(shù)。金屬增材制造技術(shù)的使用能夠有效控制材料制作時間，實現(xiàn)多激光束同步制造，提高制造效率。

2 金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用

第一，制作傳統(tǒng)成形工藝難度大的零件。應(yīng)用金屬增材制造技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)制造出滿足要求的零部部件。金屬增材制造技術(shù)在制作傳統(tǒng)成形工藝難度大零件上的典型應(yīng)用是模具行業(yè)隨形冷卻金屬模具的制造，且模具設(shè)計的時間減少了75%，制造端人力節(jié)省了50%，射出模具生產(chǎn)周期縮短了14%。第二，制作高成本材料零件。金屬增材制造技術(shù)在制作高成本材料零件上最為常見的領(lǐng)域是航空航天。航空航天發(fā)展需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。應(yīng)用增材制造技術(shù)進行飛機發(fā)動機鎳基合金和鈦合金部件的研制有效縮短了研發(fā)時間，提升了產(chǎn)品的性能。第三，快速成形小批量非標件。金屬增材制造技術(shù)適合進行個性化、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，特別是在醫(yī)療器械制作領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，具體表現(xiàn)為兩個方面：①打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。②為病人量身定做植入手術(shù)所需的精密部件。第四，高性能成形修復(fù)受損零件。第四，金屬增材制造技術(shù)能夠修復(fù)復(fù)雜、受損零件的制作，特別是在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過應(yīng)用金屬增材制造技術(shù)可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，且確保產(chǎn)品在修復(fù)會的性能不被影響。第五，異質(zhì)材料的組合制造。金屬增材制造技術(shù)能夠?qū)⒉煌牧线M行組合制造。

異質(zhì)材料的組合制造借助金屬增材制造技術(shù)能夠?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)部位采用不同類別的金屬材料，由此能夠提升結(jié)構(gòu)件的性能，節(jié)省材料成本費用。

3 金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)

（1）醫(yī)療領(lǐng)域。金屬增材制造技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間，具體表現(xiàn)為口腔及植入體的制造，加工制造所應(yīng)用的材料包含鈦合金、鈷鉻合金等。通過在口腔領(lǐng)域應(yīng)用金屬增材制造技術(shù)能夠提升光斑治療的精準度。另外，在醫(yī)院骨科領(lǐng)域大多采用鈦合金材料，與人體具有優(yōu)異的生物相容性，所選擇材料的表面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以減輕植入物的重量，使得定制化的產(chǎn)品能夠更好的適應(yīng)病人的個體需求。

（2）航空航天領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用傳統(tǒng)的制造手段往往無法對拓撲優(yōu)化后的零件進行加工，而應(yīng)用金屬增材制造技術(shù)能夠確保零件的性能不受影響，在拓撲優(yōu)化和增材制造相結(jié)合的情況下為傳統(tǒng)制造方法無法處理的復(fù)雜問題提供可能性，從而以更少的燃料和成本來進行零件的設(shè)計。金屬增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具體表現(xiàn)為航空小型精密構(gòu)件和航天大型復(fù)雜構(gòu)件的制作、航空零件的快速修復(fù)、新型飛機和航空發(fā)動機的研發(fā)等。

（3）汽車工業(yè)領(lǐng)域。金屬增材制造技術(shù)具有直接制造的特點，在零部件制造的過程中避免了因為開模帶來的高額成本。金屬增材制造技術(shù)的這一特點在賽車制造領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)復(fù)雜零部件的輕量化直接成形。另外，金屬增材制造技術(shù)還可以被制作更加精密的鉆頭。

（4）陶瓷制造領(lǐng)域。陶瓷或者金屬基復(fù)合陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕好等性能。陶瓷零件的成形方法如注漿成形、模壓成形、熱壓鑄成形等無法擺脫模具的制約，生產(chǎn)周期長、成本高。成形工藝對陶瓷零件尤其是復(fù)雜形狀陶瓷零件的進一步發(fā)展和應(yīng)用形成了極大的制約。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為復(fù)雜形狀陶瓷零件的成形提供了有效的解決方案，解決了傳統(tǒng)工藝中許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造問題?；跀D出工藝的陶瓷零件增材制造技術(shù)中所應(yīng)用到的技術(shù)如下所示：第一，擠出材料。擠出材料是擠出成形的基礎(chǔ)，擠出材料的流變性能和工藝性能對整個成形過程都有著顯著的影響。在EFF工藝的應(yīng)用下通過將聚合物、蠟、增塑劑以及陶瓷粉末混合制備能夠獲取具有良好的尺寸公差和顯微結(jié)構(gòu)。這種材料的靈活性和多樣性為基于擠出的增材制造工藝提供了極大技術(shù)適用性。第二，擠出方式。擠出機的擠出方式分為：螺桿式擠出、氣壓式擠出和柱塞式擠出?；跀D出技術(shù)的陶瓷零件增材制造工藝大多采用的是柱塞式擠出方式。柱塞式擠出方式將機械運動的壓力作為基本驅(qū)動力，在使用的過程中具有性能良好、受力均勻的特點。

4 結(jié)語

綜上所述，增材制造技術(shù)的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的制造方式，為復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)零件制造提供了新的思路，使得制造業(yè)在新的歷史時期更具發(fā)展空間和應(yīng)用前景。在科技的支持下，未來金屬材料增材制造技術(shù)將會替代傳統(tǒng)的制造技術(shù)，從而為制造企業(yè)的發(fā)展提供更有利的支持。