增材制造技術概述

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1、3.1增材制造技術概述增材制造技術誕生于20世紀80年代后期的美國。一開始，增材制造技術的誕生源于模型快速制作的需求，所以經常被稱為“快速成型”技術。歷經三十年日新月異的技術發(fā)展，增材制造已從概念（溝通）模型快速成型發(fā)展到了覆蓋產品設計、研發(fā)和制造的全部環(huán)節(jié)的一種先進制造技術，已遠非當初的快速成型技術可比。3.1.1概述1.概念增材制造（即AdditiveManufacturing，簡稱AM）：一種與傳統(tǒng)的材料“去除型”加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應數(shù)學模型完全一致的三維物理實體模型

2、的制造方法。增材制造的概念有“廣義”和“狹義”之說，如圖3-1所示?！皬V義”增材制造則以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標的大范疇技術群。而“狹義”的增材制造是指不同的能量源與CAD/CAM技術結合、分層累加材料的技術體系。目前，出現(xiàn)了許多令人眼花繚亂的多種稱謂：快速成型（RapidProto-typing）、直接數(shù)字制造（DirectDigitalManufacturing）、增材制造（AdditiveFabrication）、“三維打印(3D—Printing)”、“實體自由制造(SolidFree-formFabrication)”、

3、增層制造（AdditiveLayerManufacturing）等。2009年美國ASTM專門成立了F42委員會，將各種RP統(tǒng)稱為“增量制造“技術，在國際上取得了廣泛認可與采納。2.原理與分類實際上在我們的日常生產、生活中類似“增材”的例子很多，例如：機械加工的堆焊、建筑物（樓房、橋梁、水利大壩等）施工中的混凝土澆筑、元宵制法滾湯圓、生日蛋糕與巧克力造型等。圖3-1增材制造概念基本原理：首先將三維CAD模型模擬切成一系列二維的薄片狀平面層。然后利用相關設備分別制造各薄片層，與此同時將各薄片層逐層堆積，最終制造出所需的三維零件，如圖3-2所示。圖3

4、-2增材制造基本原理如果按照加工材料的類型和方式分類，又可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等，如圖3-3所示。圖3-3增材制造分類按照技術種類劃分，則有噴射成型、粘接劑噴射成型、光敏聚合物固化成型、材料擠出成型、激光粉末燒結成型、定向能量沉積成型等。例如：激光增材制造：通過計算機控制，以高功率或高亮度激光為熱源，用激光熔化金屬合金粉末或絲材，并跟隨激光有規(guī)則地在金屬材料上游走，逐層堆積直接“生長”，直接制造出任意復雜形狀的零件，其實質就是CAD軟件驅動下的激光三維熔覆過程，其典型過程如圖3-4所示。圖3-4金屬零件激光增材制造典型過程電弧

5、增材制造：采用電弧送絲增材制造方法進行每層環(huán)形件焊接，即送絲裝置送焊絲，焊槍熔化焊絲進行焊接，由內至外的環(huán)形焊道間依次搭接形成一層環(huán)形件；然后焊槍提高一個層厚，重復上述焊接方式再形成另一層環(huán)形件，如此往復，最終由若干層環(huán)形件疊加形成鈦合金結構件。3.技術優(yōu)勢AM技術不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、模具及多道加工工序，在一臺設備上就可以快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形難題，并且能簡化工藝流程，減少加工工序，縮短加工周期。AM技術能夠滿足航空武器等裝備研制的低成本、短周期需求。據(jù)統(tǒng)計，我國大型航空鈦

6、合金零件的材料利用率非常低，平均不超過10%；同時，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來研制成本的上升。通過高能束流增量制造技術，可以節(jié)省材料三分之二以上，數(shù)控加工時間減少一半以上，同時無須模具，從而能夠將研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，節(jié)省國家寶貴的科研經費。AM技術有助于促進設計-生產過程從平面思維向立體思維的轉變。盡管計算機輔助設計（CAD）為三維構想提供了重要工具，但虛擬數(shù)字三維構型仍然不能完全推演出實際結構的裝配特性、物理特征、運動特征等諸多屬性。采用增量制造技術，實現(xiàn)三維設計、三維檢驗與優(yōu)化，甚至三維直接制造，可以擺

7、脫二維制造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進行設計與生產，大大簡化設計流程，從而促進產品的技術更新與性能優(yōu)化。AM技術能夠改造現(xiàn)有的技術形態(tài)，促進制造技術提升。利用增量制造技術提升現(xiàn)有制造技術水平的典型的應用是鑄造行業(yè)。利用AM制造蠟模可以將生產效率提高數(shù)十倍，而產品質量和一致性也得到大大提升；可以三維打印出用于金屬制造的砂型，大大提高了生產效率和質量。AM技術特別適合于傳統(tǒng)方法無法加工的極端復雜幾何結構。AM除了可以制造超大、超厚、復雜型腔等，還有一些具有極其復雜外形的中小型零件，如帶有空間曲面及密集復雜孔道結構等，用其他方法很難制造，而通過

8、高能束流增量制造技術，可以節(jié)省材料三分之二以上，數(shù)控加工時間減少一半以上，甚至可以實現(xiàn)零件的凈成形，僅需拋光即可裝機使用。AM技術非常適