增材制造技術及其應用現狀分析

王 碩 宋勝利

（山東理工大學機械工程學院，山東 淄博255049）

2012 年《經濟學人》發表了一篇名為“3D打印機帶來第三次工業革命”的文章，該文對3D打印技術進行了重點的介紹，并對該技術的未來前景進行了分析。緊接著美國總統奧巴馬宣布“重整美國制造業”計劃，新建了15 個制造創新研究院，其中首個研究院就是國家增材制造創新研究院。我國領導人對增材制造技術也很關心，2013 年9 月中央政治局就創新驅動發展戰略到中關村集體調研學習，著重調研高性能大型金屬構件增材制造技術。如今該技術在航空航天、高分子、生物醫療、國防、軍工等領域都有所應用。

1 增材制造技術簡介

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種自下而上逐層堆積得到產品的制造方法，我們通常稱之為3D 打印（3D printing）技術。增材制造的原理類似于噴墨打印機，不同的是其噴出的材料是樹脂，粉末，絲材等。增材制造可以利用計算機逐層增加材料，將三維的物體變成二維，再采用激光熔融方法按照輪廓軌跡逐層堆積材料，最終形成三維實體零件。增材的方式有三種：熔化堆積、燒結、粘結。增材制造技術改變了材料結構的設計，帶來材料性能的提升，實現了構件制造一體化。

1.1 基本原理

按照材料加工方式，現代制造技術分為三種：減材制造、等材制造與增材制造。減材制造是使用車、銑、刨、磨等設備對材料進行切削加工，以達到設計形狀，該方式原材料的利用率僅有7%；等材制造是指通過鑄造、鍛造、焊接等方式生產制造產品，材料在加工過程中并不增加也不減少；增材制造，顧名思義，其材料為增加的方式，其過程為先通過CAD 等計算機建模軟件建模，然后將建成的三維模型進行分層切片處理，將三維物體轉換為二維，之后規劃打印軌跡，進行逐點逐層堆積成型，最終打印出所需的工件，打印過程如圖1 所示[1]。

1.2 典型增材制造技術

1.2.1 光固化成形（SLA）

光固化成形（Stereo Lithography Apparatus ，SLA）工藝也被稱為立體印刷工藝，屬于快速成形工藝的一種。它以液體樹脂為原料，用特定強度的激光照射液體材料表面，使其由點到面一層層的固化成為三維實體構件。與其他增材制造技術相比，這種方法加工速度快，生產周期短，能簡捷、全自動地制造出表面質量和尺寸精度較高、幾何形狀復雜的原型，但也存在使用和維護成本高，軟件系統操作復雜，由于掃描速度較慢導致局部材料沒有完全固化等缺陷。

1.2.2 選擇性激光燒結成形（SLS）

選擇性激光燒結成形（Selective Laser Sintering，SLS）它使用激光作為電源，粉末作為材料，以燒結的增材方式將材料粘合在一起，形成堅固的結構[2]。SLS 的增材方式具有成本低、材料利用率高，成型速度快等優點，且因為它是完全自支撐的，它允許在嵌套的過程中在其他部分內構建具有高度復雜的幾何形狀的零件，而這些幾何形狀根本無法以任何其他方式構造，但SLS 印刷部件具有多孔表面，這可以通過涂覆諸如氰基丙烯酸酯的涂層來密封。因此該增材方式廣泛地在航空、航天、船舶、汽車、機械工程、制造等工業企業、研究所、高校100 多家應用。

1.2.3 熔絲沉積制造（FDM）

熔絲沉積制造（Fused Deposition Modelling，FDM)是一種不使用激光器的加工方法，它以樹脂絲為原材料，通過噴頭噴出熔融的材料，以快速冷卻的方法將材料一層層牢固的連接在一起[3]。FDM技術的最大特點是速度快、無污染，原材料利用率高，由于不需要激光器，因此該種增材方法成本低，利于維護。但該方法生產的成型件的表面有較明顯的條紋，且加工時間較長。

1.2.4 疊層實體制造（LOM）

疊層實體制造法（Laminated Object Manufacturing,LOM）以紙、塑料膜為原材料，通過一層層橫截面粘結形成初步模型，之后利用CO2激光器發射的激光束對模型進行切割，得到最終的工件[4]。該工藝成形速度快，原材料便宜，但成形后對廢料剝離費時，適合于體積較大的工件。

2 發展難題及我國增材技術的不足

在發展增材制造技術時，依然面對以下科學難題無法解決：

2.1 熱物理問題，內應力難以控制[5]

當溫度劇烈循環變化時會產生熱應力；當發生循環非均勻固態相變會產生組織應力；當材料凝固時會產生凝固收縮應力。產生的內應力會導致構件變形甚至開裂，難以制造大型構件。

2.2 物理冶金問題

冶金、凝固和固態相變過程非常復雜，構件"內部質量"會難以控制，導致產生的構件力學性能及穩定性差，打印后的構件再經HIP、鍛造等后續致密化加工后，關鍵力學性能會低于鍛件，因此難以用作關鍵主承力構件[5]。

雖然我國科研機構、科技型企業眾多，在3D 打印技術研發中也獲得了諸多技術專利，但我國還沒有形成完備的增材制造技術產業鏈，核心零件的供應、高強度非金屬材料等還需要從國外進口[6]。如果能突破這一難題，不僅能大大提升我國增材制造產業發展速度以及普及范圍，還能從國際市場中獲得一定量的產業份額，更可以有效降低增材制造設備的價格，從而推動增材制造在我國的商業化進程。

3 發展趨勢

習近平總書記在參加全國政協十二屆一次會議科協及科技屆委員聯組討論時強調“可以預見，隨著3D 打印技術規模產業化，傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合都將面臨深度調整。”增材制造技術對于未來裝備制造和材料制備有深遠的影響。未來的增材制造，將不僅僅是材料的添加，而是在制造的過程中制備材料，合成材料，甚至是復合材料[7]。增材制造技術的發展趨勢主要有以下兩方面：

3.1 實現低成本、短流程、快速數字制造

對于復雜、超復雜構件或結構系統實現低成本、短流程制造且構件的不同部位具有不同的性能；對于高性能大型、超大型構件或結構系統實現高效快速制造；對于多品種小批量個性化產品實現低成本快速制造。

3.2 實現高性能新材料數字制備能力

實現對高性能非平衡材料制備與復雜結構制造；實現高活性難熔難加工材料制備與結構制造；實現高性能梯度材料制備與結構制造；實現高性能材料多尺度復合制備與結構制造；創造出超常結構實現超常功能[8]。

3.3 應用領域更加廣泛

未來3D 打印技術將不僅僅應用于機械生產等領域還將應用于食品、影視、文化藝術等領域。

未來的增材制造技術將對裝備制造技術產生變革性影響，并帶來重大裝備結構設計的革命，將會變革生產制造模式和維護保障模式。

4 結論

增材制造是制造技術大家庭的一名新成員，同傳統技術相互補充，不會顛覆或者取代傳統制造技術，但是增材制造作為一種變革性的制造新技術，發展潛力巨大，對于貴而難加工的材料，大而復雜的高性能整體構件將會有很大的應用空間。