增材制造技术概述(20200517143146)

3.1 增材制造技术概述

增材制造技术诞生于20世纪80年代后期的美国。一开始，增材制造技术的诞生源于模型快速制作的需求，所以经常被称为“快速成型”技术。历经三十年日新月异的技术发展，

增材制造已从概念（沟通）模型快速成型发展到了覆盖产品设计、研发和制造的全部环节的一种先进制造技术，已远非当初的快速成型技术可比。

3.1.1概述

1.概念

增材制造（即Additive Manufacturing，简称AM）：一种与传统的材料“去除型”加

工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接

制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。

增材制造的概念有“广义”和“狭义”之说，如图3-1所示。

“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。

而“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。

目前，出现了许多令人眼花缭乱的多种称谓：快速成型（Rapid Proto-typing）、直接数字制造（Direct Digital Manufacturing）、增材制造（AdditiveFabrication）、“三维打印(3D—Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”、增层制造（Additive Layer Manufacturing）等。2009年美国ASTM专门成立了F42委员会，将各种RP统称为“增量制造“技术，在国际上取得了广泛认可与采纳。

2.原理与分类

实际上在我们的日常生产、生活中类似“增材”的例子很多，例如：机械加工的堆焊、

建筑物（楼房、桥梁、水利大坝等）施工中的混凝土浇筑、元宵制法滚汤圆、生日蛋糕与巧

克力造型等。

图3-1 增材制造概念

基本原理：首先将三维CAD模型模拟切成一系列二维的薄片状平面层。然后利用相关设

备分别制造各薄片层，与此同时将各薄片层逐层堆积，最终制造出所需的三维零件，如图

3-2所示。

图3-2 增材制造基本原理

如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等，如图3-3所示。

图3-3 增材制造分类

按照技术种类划分，则有喷射成型、粘接剂喷射成型、光敏聚合物固化成型、材料挤出

成型、激光粉末烧结成型、定向能量沉积成型等。

例如：

激光增材制造：通过计算机控制，以高功率或高亮度激光为热源，用激光熔化金属合金粉末或丝材，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生长”，直接制造出任意复杂形状的零件，其实质就是CAD软件驱动下的激光三维熔覆过程，其典型过程如图

3-4所示。

图3-4 金属零件激光增材制造典型过程

电弧增材制造：采用电弧送丝增材制造方法进行每层环形件焊接，即送丝装置送焊丝，

焊枪熔化焊丝进行焊接，由内至外的环形焊道间依次搭接形成一层环形件；然后焊枪提高一个层厚，重复上述焊接方式再形成另一层环形件，如此往复，最终由若干层环形件叠加形成钛合金结构件。

3.技术优势

AM技术不需要传统的刀具、夹具、模具及多道加工工序，在一台设备上就可以快速精

密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形难题，并且能简化工艺流程，减少加工工序，缩短加工周期。

AM技术能够满足航空武器等装备研制的低成本、短周期需求。据统计，我国大型航空

钛合金零件的材料利用率非常低，平均不超过10%；同时，模锻、铸造还需要大量的工装模具，由此带来研制成本的上升。通过高能束流增量制造技术，可以节省材料三分之二以上，

数控加工时间减少一半以上，同时无须模具，从而能够将研制成本尤其是首件、小批量的研

制成本大大降低，节省国家宝贵的科研经费。

AM技术有助于促进设计-生产过程从平面思维向立体思维的转变。尽管计算机辅助设计

（CAD）为三维构想提供了重要工具，但虚拟数字三维构型仍然不能完全推演出实际结构的

装配特性、物理特征、运动特征等诸多属性。采用增量制造技术，实现三维设计、三维检验

与优化，甚至三维直接制造，可以摆脱二维制造思想的束缚，直接面向零件的三维属性进行

设计与生产，大大简化设计流程，从而促进产品的技术更新与性能优化。

AM技术能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。利用增量制造技术提升现有制

造技术水平的典型的应用是铸造行业。利用AM制造蜡模可以将生产效率提高数十倍，而产

品质量和一致性也得到大大提升；可以三维打印出用于金属制造的砂型，大大提高了生产效率和质量。

AM技术特别适合于传统方法无法加工的极端复杂几何结构。AM除了可以制造超大、超厚、复杂型腔等，还有一些具有极其复杂外形的中小型零件，如带有空间曲面及密集复杂孔

道结构等，用其他方法很难制造，而通过高能束流增量制造技术，可以节省材料三分之二以上，数控加工时间减少一半以上，甚至可以实现零件的净成形，仅需抛光即可装机使用。

AM技术非常适合于小批量复杂零件或个性化产品的快速制造。目前AM已成功应用于航空航天系统，如空间站、微型卫星、F-18战斗机、波音787飞机和个性化牙齿矫正器与助听器等。

AM技术特别适合各种设备备件的生产与制造。例如对于已经停产数十年的汽车、飞机、国防及其它设备的零部件，没有CAD图纸和相应工模具，甚至设备供应商有可能已经倒闭，

相关设备备件已无法获得，就可以利用逆向工程技术快速得到相应的三维CAD模型，然后利用AM快速制造出所需的备件。

3.1.2关键技术

增材制造技术的成熟度还远不能同传统的金属切削、铸造、锻造、焊接、粉末冶金等制

造技术相比，还有涉及到从科学基础、工程化应用到产业化生产的质量，诸如激光成型专用合金体系、零件的组织与性能控制、应力变形控制、缺陷的检测与控制、先进装备的研发等

大量研究工作。

1．材料单元的控制技术

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。例如：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的金属直接成形中，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。

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；二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．设备的再涂层技术

由于再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向的精度和质量，因此，增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序之一。目前，分层厚度向0.01mm发展，而如何控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。

3．高效制造技术

增材制造正在向大尺寸构件制造技术发展，需要高效、高质量的制造技术支撑。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。

增材制造与传统切削制造也可以相结合，提高制造的效率，发展材料累加制造与材料去

除制造复合制造技术方法也是发展的方向和关键技术。例如：赫克（Hurco）公司已经开发出一种增材制造适配器，与赫克控制软件相结合，可以把一台数控铣床变成3D打印机。用户可以在同一台机器上完成打印、塑料原型到金属零部件成品的过程，无需反复设置调校，

也不用浪费昂贵的金属和原材料制作多个原型，如图3-5所示。

图3-5 数控铣床结合3D打印

4．复合制造技术

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。

应用案例：

飞机钛合金大型关键构件的传统制造方法是锻造和机械加工。其基本加工流程是先将模

具加工出来后，再锻造出大型结构件的毛坯，然后再继续加工各部位的细节，最后成形时几乎90％的材料都被切削、浪费掉了。例如：美国F22战斗机的钛合金整体框，面积 5.53平方米，而传统3万吨水压机模锻件只能达到0.8平方米，8万吨也只能能达到 4.5平方米。而8万吨水压机的投入就超过10个亿，整个工序下来，耗时费力，总花费会高达几十亿元，光大型

模具的加工就要用一年以上的时间。战斗机钛合金整体框的水压机成形模具,如图3-6所示。

图3-6 战斗机钛合金整体框的水压机成形模具

而增材制造技术则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过一层层增加材料的方法直接造出任何形状的物体，这不仅缩短产品研制周期、简化产品的制造程序，提高效率，而且大大降低了成本。中国中国尖端战机歼-15、歼-20、“鹘鹰”飞机(歼-31)等的研制均受益于增材制造技术，2012年11月，歼-15舰载机在中国首艘航母“辽宁舰”成功起降，如图3-7所示。

图3-7 歼-15与歼-31飞机