金属增材制造技术的应用与发展

程梓原

（北京市八一学校，北京 100080）

增材制造技术，又叫3D打印技术。近年来，增材制造技术在美国和我国等多个国家取得了快速的发展，这项技术使产品研发更加快捷，实现制造业产业结构调整，促进制造业变大变强。增材制造技术有着自上而下、逐层累积、快速将数字模型转化成实际产品的特点。由于不需要制造模具以及多道加工工序，解决了许多复杂结构零件的成形，并且缩短了加工周期。同时增材制造技术具有很高的加工柔性，产品结构越复杂，个性化特点越明显，其制造优势就越显著。金属增材制造技术是通过高能量密度的热源将金属材料熔化，按照CAD模型逐层累积成金属零件的技术，在工业制造方面所占优势明显优于传统制造。相比于传统铸造与锻造技术，有着低成本、高效率、高经济性等优点。

1 典型金属增材制造技术

按照热源分，金属增材制造技术有激光、电子束和电弧三种制造方法。按制造工艺分，金属增材制造技术主要分为送丝/送粉熔化沉积和铺粉选区烧结两种方法。下面介绍几种典型的增材制造技术方法。

（1）选择性激光烧结技术。选择性激光烧结技术是现今发展较为成熟的一项增材制造技术。设备在粉床上预铺设一层金属粉末，由激光作为热源按照既定的路线进行选择性烧结，等金属熔化凝固后在铺设下一层粉末。由此自下而上逐层累积，实现零件的近净成形。选择性激光烧结技术能够制造超复杂任意形状的零件，制造精度高，无需模具且不需要后续加工，大大提高了材料利用率。内部材料组成均匀，力学性能良好，但这种技术的效率不高，不适用于大尺寸零件制造。目前该技术主要应用于生物医学、机械自动化加工等领域。

（2）送粉激光熔化沉积技术。送粉激光熔化沉积技术是一种较为高效的金属增材制造技术。由激光器发出高密度高强度激光，在惰性气体保护的环境以及在已设定程序路线的指导下，融化从送粉系统中送出的金属粉末并逐层熔覆堆积材料成型，实现预设零件的制造。该技术相较传统制造及加工技术，加工周期短，有着高经济性、柔性好的优点。但由于对各层材料进行熔化沉积时，由于热输入的逐层累积，底层材料会收到累积的热影响，造成层带性能的差异性，需要进行热处理来改善组织性能以及少量后续机械加工等后续操作。目前该技术主要用于模具制造及制造工艺及国防工业领域。

（3）送丝电弧增材制造技术。电弧增材制造送丝技术是近年来发展迅猛的金属增材制造技术，由于其加工成本更低、加工时间短而备受关注。该技术采用电弧作为热源，以金属丝材作为材料，在设备的操控下，设备内部送丝系统送出的金属丝会与电弧作用区域重合，使金属丝熔化，二者共同以既定路线完成对构件的近净成形。该技术相较于其他3D打印技术，由于使用电弧而非激光作为热源，材料熔化效果较好、价格便宜、加工周期短，具有快速响应能力，其内部材料熔化更加均匀、致密度较高的优点。但其加工零件表面质量较差，需要二次加工，性能受热累积影响严重等缺点。目前该技术现在大多用于新材料加工以及大型航天航空结构件领域。

2 金属增材制造技术的应用

由于其不需要模具、制造响应速度快、成形效率高等特点，金属增材制造技术具有很大的发展潜力。但是由于其成形尺寸的限制、生产批量小以及质量控制等问题，限制了该技术的应用。近些年来，随着国内外的逐步研究，金属增材制造技术进步飞快，在诸多制造领域中有着广泛应用。

（1）复杂结构制造。对于复杂结构件，传统加工方法往往需要复杂的工艺和大量的后续机械加工，不仅需要很高的制造工艺与加工成本，材料在铣、削的过程中也会大量损耗，造成资源浪费。而且对于金属材料加工成复杂构件过程中，对加工器具及机械也会造成较大损伤。而金属增材制造技术，尤其是铺粉熔化沉积方法，加工过程中不受尺寸与形状的限制，具有强大的柔性制造能力，且材料利用率高，因此能够实现零件超复杂结构的近净成形制造。

（2）一体化制造。金属增材制造具有良好的一体化制造的优点，对于传统制造复杂零件，在对目标构件进行制造之前，都要进行前期大量设计，例如图纸设计、材料研究等；而对于无法一次性制造的构件，传统制造中间往往需要经过大量的加工步骤，采用配合连接等方式，既要消耗大量时间与人力成本，又要考虑对材料以及构件质量本身的影响。在复杂结构构件的制作上，传统制造无法高效率的完成制造，而金属增材制造技术可以通过将构件逐层的数据传导至计算机上形成三维数据模型，一次性实现对零件的直接成型，对于制造一体化要求高的构件具有很大优势。

（3）轻量化制造。对于传统制造工业进行轻量化制造，一方面考虑到难以一次性加工而导致中间步骤要经过铣、削、焊等操作，对材料浪费较多；另一方面加工周期较长，其实现轻量化制造的成本并不低。金属增材制造技术可以利用增材制造技术结合建模与仿真技术进行轻量化设计，不仅可以实现模型最优化设计，达到高质量、轻量化制造，而且轻量化设计结构增材制造由于柔性结构特性，不需要考虑制造工艺难度，且材料越少制造成本就越低，在轻量化制造中具有得天独厚的优势。

（4）金属增材制造技术的发展研究。尽管技术增材制造技术具有上述诸多优势，但目前其制造零件质量普遍略低于传统锻造工艺水平，且存在表面质量不高、内部成分不够均匀、存在气孔等问题。通过后期热处理方法与材料成型及控制工程研究可有效减少这些缺陷对构件性能的影响，达到理想零件的水平，做到高质量高精度生产。从研究问题中抽象出数学理论公式，通过计算建立数学模型，结合结构模型具体分析操作方案，从而使传统制造的具体化操作转为虚拟化制造。通过仿真模拟技术规避构建过程中产生的例如受热产生的残余应力和变形，或出现气孔等难以通过在现实操作而产生的纰漏，让加工产品更加贴近期望效果，达到以较少的人工以及时间成本完成预计加工任务。同时，结合计算机技术与金属增材制造技术，数字化是金属增材制造面向更快、更有效、更个性化发展的必然趋势。开发一套数字化响应系统可以做到操作更加智能化、合理，实现完整产业链制造，做到高效生产。金属增材技术发展到现在，仍有许多学者做着从理论模型到实际操作的研究。目前，将金属增材制造技术投入产业化生产、提升增材制造速度、开发新型加工材料以及金属增材制造智能化是现在人们主要研究的目标。人们希望能克服金属增材制造表面质量、材料性能、大批量生产效率较低等问题，并将金属增材制造技术投入到更多领域应用。

3 结语

本文主要围绕金属增材制造技术，介绍了其技术特点、工程应用以及发展研究。作为一门发展迅速的先进加工技术，增材制造技术经过国内外对其进行的理论、加工特性、数值模拟以及硬件设施等方面的研究；其技术越来越完善，向着高效高质量、成本节约、新型材料、产业化应用等方向不断进步，在未来必将有更加广阔的应用。