巩水利--增材制造技术发展
中国增材制造技术现状及发展趋势
中国增材制造技术现状及发展趋势作者：李礼，戴煜来源：《新材料产业》 2018年第8期党的十九大提出“加快建设制造强国，加快发展先进制造业”的发展战略。
增材制造（又称“3D打印”）作为其中一项代表性技术，已纳入国家重点发展领域的规划中。
通过推动增材制造产业的发展，建设形成以实体经济、科技创新、现代服务、产业集群协同发展的全产业链体系，进而推动“中国制造”迈向“中国智造”的新高度。
本文阐述了中国增材制造产业发展的现状，并对其发展瓶颈问题及发展趋势进行了分析。
自2015年以来，中国陆续颁布了全面提升中国制造业发展质量和水平的重大部署文件，其中具有重大意义的当属增材制造技术。
增材制造（“3D打印”）技术是近年来发展起来的新型制造技术。
与传统“减材”制造过程截然相反，增材制造以三维数字模型为基础，将材料通过分层制造、逐层叠加的方式制造三维实体，是集先进制造、智能制造、绿色制造、新材料、精密控制等技术于一体的新技术。
增材制造技术从原理上突破了复杂异型构件的技术瓶颈，实现材料微观组织与宏观结构的可控成形，从根本上改变了传统“制造引导设计、制造性优先设计、经验设计”的设计理念，真正意义上实现了“设计引导制造、功能性优先设计、拓扑优化设计”转变，为全产业技术创新、军民深度融合、新兴产业和国防事业的兴起与发展开辟了巨大空间。
根据近几年来国内增材制造产业发展所取得的成效，本文系统梳理了全国各地增材制造产业发展现状，分析了其发展过程中遇见的瓶颈问题，并探讨了中国增材制造产业未来的发展趋势。
一、中国增材制造产业发展现状概况经过近三十多年的科技攻关，中国增材制造产业已初具规模。
据增材制造权威机构Wohlers Report统计报道，截至2016年底我国增材制造市场规模逾越80亿元，而2011年国内增材制造市场规模仅为10亿元。
根据美国国际数据集团（I D G）预测，中国未来增材制造产业规模将维持至少22.3%年复增长率，到2020年中国增材制造产业规模可突破220亿元。
增材制造在材料专业教学与实践中的应用探讨
增材制造在材料专业教学与实践中的应用探讨作者：刘桐鹿宪珂刘琪冒国兵来源：《教育教学论坛》2021年第21期[摘要] 增材制造技术已经成为材料成形的一种重要方式，在材料工程应用中起到了重要作用。
增材制造技术在高等院校材料工程类专业中的应用，既可以丰富课程体系，又可以促进大学生创新设计与实践应用。
从材料工程类课程教学改革方向、专业学科方向与学科交流、材料工程类专业大学生创新创业及增材制造技术在材料工程专业应用等四个方面，探讨了增材制造技术在高等院校材料工程类专业教学与实践中的应用方向，为材料工程类专业在增材制造方向的教学改革奠定了基础。
[关键词] 增材制造技术;材料工程专业;教学改革;实践应用[基金项目] 2019年度安徽省教学研究重点项目“成果导向的教学过程质量监控机制建立与改进——以安徽工程大学材料科学与工程专业为例”（2019jyxm1155）;2016年度安徽省教学研究重点项目“以提高材料类专业大学生创新能力为目标的实践教学体系构建与保障能力建设”（2016jyxm0090）;2018年度校级新工科示范专业（方向）项目“材料科学与工程专业增材制造专业方向”（2018xgksfzy01）[作者简介] 刘桐（1988—），男，安徽宿州人，博士，安徽工程大学材料科学与工程学院讲师，主要从事金属材料增材制造研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）21-0077-04 [收稿日期] 2020-12-03增材制造技术是基于离散—堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术。
基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术的内涵仍在不断深化，外延也在不断扩展。
增材制造技术不需要传统的刀具和夹具及复杂的加工工序就能在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现零件的“自由制造”，解决了许多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，而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。
增材制造钛合金的裂纹扩展行为的晶体塑性有限元分析
增材制造钛合金的裂纹扩展行为的晶体塑性有限元分析任斯远; 王凯; 刘斌超; 鲍蕊【期刊名称】《《航空科学技术》》【年(卷),期】2019(030)009【总页数】6页(P81-86)【关键词】激光熔化沉积; 晶体塑性; 疲劳; 扩展有限元; 裂纹扩展【作者】任斯远; 王凯; 刘斌超; 鲍蕊【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院北京 100191【正文语种】中文【中图分类】V252.2钛合金发展自20世纪50年代，得益于其优良的性能如高比强度和良好的耐腐蚀性，是制造飞机主承力结构的重要材料。
然而，与铝合金和高强度钢相比，难加工性以及由此带来的高制造成本一直是制约钛合金在飞机结构中更广泛应用的主要因素。
钛合金大型构件增材制造技术是钛合金整体飞机结构件革命性的突破，为结构轻量化和低成本化带来进一步可能[1]。
激光熔化沉积（LMD）技术是解决大型钛合金结构制造的增材制造技术，其具有加工快捷、原料利用率高等优点，并且在加工复杂结构时具有显著优势[2]。
通过该种技术加工的航空整体结构件已在部分次承力结构上实现应用[3,4]。
由于激光增材制造的技术特性，受高温度梯度和高冷却速度的影响，LMD钛合金可能会在组织上呈现异于传统锻造钛合金的非均匀排布特征[5]，当然，也可以根据结构受力需要，通过工艺控制，实现结构材料性能的优化，调整材料组织排布。
但在这种背景下，基于传统均匀材料的断裂力学理论的裂纹扩展分析能否仍适用于该类型结构的损伤容限的评定，应用传统理论的损伤容限分析精度是否满足要求或是否有进一步提高分析精度的可能，这些问题有待进一步研究。
对LMD钛合金疲劳裂纹扩展的研究多集中于该材料与锻件、铸件的性能对比[6]、工艺参数对LMD钛合金材料性能的影响[7]，也有部分文献对LMD 钛合金微观组织对疲劳裂纹扩展的影响进行了试验观测和定性分析[8]。
本课题组对LMD-TC11、TC18、TC21等钛合金在横幅载荷、简单变幅载荷下的疲劳裂纹扩展行为进行了试验研究[9～15]，试验表明，柱状晶、近等轴晶的静力性能，特别是塑性段的静力性能存在显著差别，二者中的组织排布也显著不同，从而导致裂纹沿不同方向扩展时扩展路径、扩展速率、裂纹闭合水平等的变化，热影响带对疲劳裂纹扩展速率也存在影响，试件厚度同样也对裂纹扩展行为有影响。
Al-6.3Cu铝合金电弧填丝增材制造成形与组织性能
Al-6.3Cu铝合金电弧填丝增材制造成形与组织性能孙红叶;从保强;苏勇;齐铂金;祁泽武;王强【摘要】采用HPVP-GTAW电弧作为热源进行Al-6.3Cu合金的电弧填丝增材制造,试验研究送丝速度和运动速度对成形层高和层宽的影响,并对比分析常规VP-GTAW和HPVP-GTAW两种热源对构件组织性能的影响.结果表明:协调调节WFS 和TS可在获得良好成形外观的同时实现对构件尺寸的有效控制;Al-6.3Cu合金构件内部组织呈现出典型层状分布特征,且各部位组织特征相类似,主要由等轴晶粒组成;原始状态下WAAM构件具有很好的塑性,但其强度较低,与常规VP-GTAW相比,HPVP-GTAW有助于提高增材构件的强度.%Wire+arc additive manufacturing (WAAM) system for Al-6.3Cu alloy using hybrid pulse variable polarity gas tungsten arc welding (HPVP-GTAW) process was established.The geometry of Al-6.3Cu single-pass multilayer deposits influenced by wire feed speed and travel speed,microstructure and tensile properties of deposited samples produced by the conventional VP-GTAW and HPVP-GTAW process were investigated.Experimental results show that the effective control on deposits geometry is obtained with the coordination of wire feed speed and travel speed.The internal structure of Al-6.3Cu deposits shows the typical layered distribution characteristics,mainly composed of equiaxed grains.WAAM samples with as-deposited condition have good plasticity,but the relatively low pared with conventional VPGTAW process,it is beneficial in enhancing the strength of Al-6.3Cu deposits using HPVP-GTAW process.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)014【总页数】5页(P72-76)【关键词】铝合金;电弧填丝增材制造;成形;显微组织;力学性能【作者】孙红叶;从保强;苏勇;齐铂金;祁泽武;王强【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191【正文语种】中文电弧填丝增材制造（Wire+Arc Additive Manufacturing， WAAM）技术采用电弧作为热源，通过不断熔化填充丝材并根据目标构件的数字模型沿成形轨迹逐层堆积出金属零件，具有成形尺寸大、设备成本低、材料利用率和沉积效率高等优点，是一种可实现高性能金属零件经济快速成形的方法[1-4]。
激光选区熔化YSZ陶瓷工艺及内部缺陷研究
激光选区熔化YSZ陶瓷工艺及内部缺陷研究刘琦;郑航;唐康;巩水利;康楠;廖汉林【摘要】Selective laser melting of the 55~113 μm yttria stabilized zirconia (YSZ) ceramic powder is preliminary studied,and then morphology and distribution of internal defects is analyzed. The results show that YSZ ceramic powder could be completely melted by 1060~1100 nm laser,and the line engine density need to reach 140 J/m. In the horizontaldirection ,micro cracks are distributed along the laser scanning trajectory,a large number of continuous macro cracks could be observed in the deposition direction,the main internal defects are micro cracks and pores.%初步研究了55～113μm的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末的激光选区熔化制造工艺，分析了其内部缺陷的形态和分布。
结果表明：全陶瓷氧化钇稳定氧化锆粉末可被波长1060～1100 nm激光完全熔化，线功率密度需达到140 J/m。
在成形水平方向，微裂纹沿着激光扫描轨迹有序分布，成形堆积方向存在连续有序的宏观裂纹，内部缺陷主要为微裂纹和气孔。
【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】6页(P35-40)【关键词】激光选区熔化;氧化钇稳定氧化锆;内部缺陷【作者】刘琦;郑航;唐康;巩水利;康楠;廖汉林【作者单位】中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，高能束流加工技术重点实验室，高能束流金属增量制造技术与装备北京市重点实验室，增材制造航空科技重点实验室，北京100024;中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，高能束流加工技术重点实验室，高能束流金属增量制造技术与装备北京市重点实验室，增材制造航空科技重点实验室，北京 100024; 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191;中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，高能束流加工技术重点实验室，高能束流金属增量制造技术与装备北京市重点实验室，增材制造航空科技重点实验室，北京 100024; 中国石油大学华东机电工程学院，山东青岛 266000;中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，高能束流加工技术重点实验室，高能束流金属增量制造技术与装备北京市重点实验室，增材制造航空科技重点实验室，北京 100024;贝尔福-梦贝利亚技术大学，IRTES-LERMPS实验室，法国贝尔福 90010;贝尔福-梦贝利亚技术大学，IRTES-LERMPS 实验室，法国贝尔福 90010【正文语种】中文【中图分类】TG669陶瓷材料较高的熔点、脆性、硬度和较低的热导率不利于其复杂结构的加工成形，在烧结成形过程中易产生微缺陷（微裂纹和气孔）和形变（外形尺寸），这些都会影响结构陶瓷样件的力学性能和成形精度。
金属增材制造工艺与展望
金属增材制造工艺与展望凌人蛟;王姗;陈晖【摘要】针对基于逐层堆积的材料叠加增材制造技术在国防、汽车工业、航空航天、医疗、商业机器和工业等领域的应用,文中介绍了激光和电子束作为高能束流的金属增材制造技术、金属增材制造粉末材料的制备技术、金属增材制造质量工艺控制,对金属增材制造技术进行了展望.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】3页(P128-130)【关键词】增材制造;激光;电子束;金属粉末【作者】凌人蛟;王姗;陈晖【作者单位】哈尔滨职业技术学院机电工程学院,哈尔滨150081;合肥锐联传热技术有限公司,合肥230601;东北林业大学机电工程学院,哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】TG6650 引言增材制造(Additive Manufacturing，AM)是将粉末材料或丝材层层叠加直接制造零件，具有高度的设计自由、便捷的客户定制和优化的产品性能，又称为自由成型制造。
金属增材制造是以金属粉末或金属丝材为原材料，采用电子束和激光等高能束热源，无需模具的设计制造，具有工序简单、高度的柔性、更短的设计周期和制造周期、高效的材料利用率等特点，与传统的铸造-锻造-机械加工相比，不但大大地降低了生产成本，还可以生产传统减材制造难以加工的复杂内腔以及薄壁零件和梯度材料[1-5]。
增材制造技术在汽车行业最早用于概念设计、适合性和功能性测试及模具制造。
汽车上的主要零部件由于批量生产成本过高而限制了增材制造技术的应用。
但是近年来，在热交换器的制造方面增材制造凸显制造优势。
增材制造技术可以将散热器的下壳、上壳和内部矩阵结构做为单一组件制造出来，使散热器成本更低，并且比传统的散热器更坚固，其内部矩阵可以具有更复杂的设计，以解决诸如高功率密度部件散热的转变问题。
Conflux和FCA汽车集团等许多公司在利用增材制造技术开发创新型汽车热交换器带有点阵结构的3D打印散热器，相比于普通汽车散热器点阵结构，实现了较好的对流热交换性能，同时可以减轻散热器的重量。
金属增材制造技术在航空领域的发展与应用
（１，）ｎ（）ｋ、／ｎ（）ｋ、、ｊ七ｊ－（ｃＪ℃Ｃ芝衙 图３国产电子束熔丝沉积成形设备
图４电子束熔丝沉积成形典型零件
粉末或丝材逐层熔化堆积，从而实现
研究计划署和海军研究所联合出资， 南约翰霍普金斯大学、宾州州立大学 和ＭＴｓ公司共同开发一项名为“钛 合金的柔性制造技术”的项目，目标 是利用大功率ｃ０，激光器实现大尺 寸钛合金零件的制造，基于这一项 日的研究成果，１９９７年ＭＴｓ公司ｆ｝｛ 资与约翰霍普金斯大学、宾州州立大
Ｍｅｔａｌｌｉｃ
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ
Ｐｒｏｇｒａｍ），选定电子束熔丝沉积成形
。，…．：ｊ． 『Ｊ：ｌ
技术作为未来大型结构低成本高效 制造的方案。目标是将无人机金属 结构的重量和成本降低３５％一ｌ。
图１电子束熔丝沉积成形原理图
分明显。 （２）真空环境有利于零件的保 护。电子束熔丝沉积成形在１０。Ｐａ 真空坏境中进行，能有效避免空气中 有害杂质（氧、氮、氢等）在高温状态 下下混入金属零件，非常适合钛、铝 等活性金属的加工。
束输出功率可在较宽的范围内调整， 并可通过电磁场实现对束流运动方
式及聚焦的灵活控制，可实现高频率 复杂扫描运动。利用面扫描技术，能 够实现大面积预热及缓冷，利用多束 流分束加Ｔ技术，可以实现多束流同 时丁作，在同一台设备上，既可以实 现熔丝沉积成形，也可以实现深熔焊 接。利用电子束的多功能加丁技术， 可以根据零件的结构形式以及使役 性能要求，采取多种加丁技术组合， 实现多种工艺协同优化设计制造．以 实现成本效益的最优化。 美国麻省理Ｔ－学院的Ｖ．Ｒ．Ｄａｖｅ 等人最早提出该技术并试制了
图５激光直接沉积技术原理图
程均处于１０‘１Ｐａ以【：的真李环境中， 能有效避免卒气巾有害杂质的影响；
2.金属零件激光增材制造技术的发展及应用_李怀学
1897~2976kg，最终机械加工后零件 用。美国 Sandia、
重量仅为 83.7~143.8kg，材料利用率 Los Alomos 国 家
达到 2.92%~4.90%，单件零件机械切 实验室和密西根 削加工时间长达 6 个月以上。与锻 大学 J. Mazumder
（a）内壁修复
压 - 机械加工传统制造技术相比，激 教授研究组分别
李怀学 博士，中航工业北京航空制造工程
研究所高能束流加工技术实验室高级工 程师。主要从事激光快速成形和修复方 面的研究工作，目前承担及完成课题近 10 项，已发表论文 20 余篇，申请专利 3 项。
随着制造业全球化及市场的激 烈竞争，产品快速开发已成为竞争 的重要手段之一。为满足制造业日 益变化的客户需求，制造技术必须具 有高柔性，能够以小批量甚至单件生 产迎合市场。传统金属零件去材或 受迫成形制造方法往往工序多、工模
有 序 的 二 维 层 片；根 据
每 层 轮 廓 信 息，进 行 工
艺 规 划，选 择 加 工 参 数，
自 动 生 成 数 控 代 码；成
形机制造一系列层片并
自 动 将 它 们 联 接 起 来，
得到三维物理实体 。 [5-6]
这样将一个物理实体的
（b）侧向 图1 激光熔覆同步送粉方式
复杂三维加工离散成一 系 列 层 片 的 加 工，大 大
150~200mm29
52
251~300mm
的 成 形 过 程；成 形 全 过 程 的 快 速 响 应，适 合 现 代激烈的产品市场。快 速原型技术有 20 多种，
201~250mm
样品中出现裂纹 其典型技术包括立体印
图2 激光熔覆制备Fe-Co-Al合金的耐磨性
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三：Development and trends of International AM
European and American countries have increased their support, and made the national strategies and plans for additive manufacturing development; It has draw more attention of government, research institutions, enterprises and the media.
SLS
Cast
增材制造大型复杂发动机机匣铸造熔模（直径1.2米原来 需要机加工或模具压制多个局部结构，然后拼接成整体， 精度难以控制，工序繁琐，周期长，增材制造方法精度 高、整体成形、周期短。
激光近成形的叶片 （Optomec公司），传统 铸锻，均需制造复杂模具， 增材制造实现自由成形
一、Development history of AM technology
美国AeroMet公司应用于F15等 战斗机机翼梁修复
英国Rolls-Royce公司用于航 空发动机叶片修复
航空发动机机匣
大型运输机舱体壁板结构
三：Development and trends of International AM Clear development projects
Research plan of electron beam rapid prototyping made by American NASA
4.4 国际发展现状
三：Development and trends of International AM
Direct manufacturing of performance parts. Performance is close to the traditional process; Applied in some complicated conditions.
可促进传统制造技术水平的提升，促进制造与服务融合发展；
有望培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级。 An effective way for independent innovation of manufacturing industry for China Compliance with the green manufacturing development, and conducive to the sustainable development of manufacturing industry; Promote the upgrading of traditional manufacturing technology, and the fusion development between manufacturing and service; Expected to cultivate new industries, optimize the industrial structure and promote industrial upgrading
Additive Manufacturing Technology and Its Effect on Manufacturing of China
中国航空工业集团公司 北京航空制造工程研究所 BAMTRI,AVIC.
巩水利
Prof. Dr. GONG Shuili
2014.05.容 提 要
Introduction
Technical methods and means Development of International
4 Domestic technology developments 5
Disparity and suggestions
一、Introduction
机械加工、热处理、表面处 理、无损检测、性能测试、 生物陶瓷、净化
USER
产品研制、工艺开发等、委托 加工
Additive manufacturing has a long industry chain, and improves the technology and economy.
4.4 国际发展现状
Additive Manufacturing (AM or 3D Printing)：
——是人类通过对物质可控的动态累积以逼近目标形体的一种生产 过程；是与材料去除成形、受迫成形等对应的科学技术体系；是以 “堆积”为共同特征的技术群。
一、 The third industrial revolution ?!
特别是具有优异的耐高温性能，可连续服役于180摄氏度的 动态力学场合、240摄氏度的静态力学场合以及260摄氏度电 气场合等
三：Development and trends of International AM
Repairing and re-manufacturing high temperature parts。以激光、等离子束和电弧等能束增材制造再制造技 术为代表，已应用于机械、能源、船舶等领域核心、高附 加值零部件的快速修复
Solving the manufacturing problems for difficultmachining materials 。例如，德国EOS公司开发的选区激 光烧结（SLS）增材制造装备可成形传统工艺（注塑、挤塑） 难加工的耐高温塑料
利用基于粉材的激光烧结工艺可成形复杂高精度零部件，力 学性能较尼龙等塑料高出1倍（拉伸强度达95MPa，杨氏模量 达4400MPa）
Reshaping the global manufacturing competition structure
上世纪美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业” 英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推 动实现第三次工业革命”
Change the production and life mode in the future
Aerospace
高性能金属零件直接增材制造技术的发展，为航空航天产品从产品设计 、模型和原型制造、零件生产和产品测试都带了新的思想和技术途径， 有望大幅缩短航空航天产品的研发和生产周期
the development of direct manufacturing technology of performance parts, new ideas and technical approach are brought into product design, model and prototype manufacturing, parts manufacturing and product testing, which is expected to significantly shorten the research and development cycle of aerospace production.
产品设计
Design verification and test
设计验证和测试 反复设计和优化 成型、装配和功能性测试
Small batch production, mass production 批量生产
失蜡铸造 吹塑制模
Production and manufacturing
快速原型 /快速成形
快速工具 /模具/铸型
快速成形 直接制造
一、Major use
Verification and presentation of concept 概念验证和呈现
工业设计
Molding and secondary operations 制模与二次操作
热成型 砂型铸造 金属镀层 EDM电极
2012年3月，美国白宫宣布振兴美国制造的新举措，将投资10亿美金帮 助美国制造体系的改革，鼓励优先发展增材制造为代表的数字化制造 技术；在全国范围筹建多个研究与企业联盟 英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费，目前已 在多个大学建立了增材制造研究中心 德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空 航天领域中结构轻量化方面的应用 西班牙也启动了增材制造专项，研究增材制造共性技术、材料、技术 交流及商业模式等内容
空 客 、 罗 · 罗 、 EADS 等公司 的飞机及发 动机上已有 大量应用。
意大利AVIO公司电子束选区熔化生产线拥有 13台设备； 英国罗· 罗公司正在建立拥有30台设备的电子 束选区熔化生产线。
大推力涡扇发动机钛铝合金 三四级涡轮叶片
三：Development and trends of International AM
生产与制造
塑料挤塑
环氧制模
直接制造零件
二、Technical methods and means：Major process
Technology
光固化成形（SLA） 激光选区烧结（SLS） 激光选区熔化（SLM） 熔融沉积制造（FDM） 激光近净成形（LNSF）
Material
液态树脂 高分子、金属、陶 瓷、砂等粉末材料 金属或合金粉末 低熔点丝状材料 金属粉末
英国南安普顿大学设计并利用增材制造技术制造了世界上第 一架“3D打印”无人驾驶飞机，最高时速达100多公里
世界上第一辆“3D打印”赛车“阿里翁”，已在德国的霍根 海姆赛道完成测试，时速达141公里
Europe have carried out extensive esearch
“ Rapid manufacturing center of large aerospace parts ” ， has been established in 2007 Additive manufacturing of small and precise structure keeps ahead of the world.