增材制造研究及其发展趋势

王久军，孟威

(安徽工业大学，安徽 马鞍山 243000)

1 增材制造国内外研究历程

1.1 国外研究历程

90世纪末至20世纪中叶属于起步时期。J.E.Blan-ther在美国申请的专利引出了对分层制造方法的研究的开端。1986年Michael Feygin成功研制出了分层实体制造(Laminated Object Manufacturing LOM)技术。如图1.1所示为LOM的工作示意图[1]，工艺原理是根据所加工产品部件的构造形式进行切割分层，然后将所得到的层片黏结成立体实体。其工艺进程是首先铺一层材料，如透明塑料薄膜，白纸等，接着用激光在计算机分析下切出本层外观形状，多余的部分给与去除。当本层加工完成后，再铺一层与之前相同的材料，用滚子机压实在并加热，以达到固化黏结剂的效果，使新铺的一层能够牢固地与已成型体结合，重复上一步骤，如此往复直到得到所要加工的产品为止，把多余的废料切掉得到所需的零件。具有工作过程稳定、模型不易变形、代价低、效益效率高的优点。但是不足之处是不能生产带有中空结构的产品，且因其工艺材料的限制，产品质量性能方面没有多大改进，所以渐渐被大家所淘汰。

图1.1 LOM工作示意图

20世纪中下叶到20世纪末是快速成型技术大力发展的时期。1988年,美国3D Systems公司首次研制成商用快速成型机立体光刻SLA-1(SLA-Stereolithogra-phy Apparatus)机，为目前增材制造的发展打下了坚实的基础。伊曼纽尔·萨发明三维打印(3DP)工艺，将产品的截面轮廓“喷涂”在材料粉末上面，通过逐层加工以得到该产品[2]。

1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校提出选择性激光选区烧结(selective laser sintering,SLS)，如图1.2大致展示了其工作过程。该工艺较常使用的加工材料有塑料、陶瓷，金属等粉末。其工艺步骤是先在工作台上喷涂一层材料粉末，利用计算机调制使激光束选择性地烧结，被烧结的部分便结合在一起成为零件的实心部分。重复上述步骤，这样每一层便可牢牢地烧结在一起。加工完成后，把多余从材料除去，以得到烧结成的零件。该工艺的特点是可以选用的材料较广，既可加工金属零件，又可制造塑料、陶瓷，蜡等的零件。该技术是利用计算机将立体数模处理成薄层切片数据，然后切片图形把数据传输给激光控制系统。激光束以照得到的数据对图形进行扫描并烧结，形成产品层层形貌。通过该手段得到的产品强度接近相应的注塑工艺得到的产品强度[3]。

图1.2 SLS示意图

1988年，美国Stratasys公司首次提出熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)，工作过程如图1.3所示。熔融沉积成型也有研究者称为熔融挤出成型。工艺步骤是以热塑料材料丝分为材料，并经加热器挤压头熔化成液体，再利用计算机调制挤压头沿零件的每一层轮廓精确运动，使熔化的材料通过喷嘴挤出，覆盖于已加工部分之上，同时要迅速固化，得到新一层;而后使挤压头沿轴向向上移动一小段位移重复上面的过程，这样便得到一个实体模型或零件。该工艺具有可行性强、成本低，效率高等优点，且环保。

20世纪末到现在为直接增材制造时期。着重突破了金属材料的成型，主要有LSF和SLM，即同步材料送进成形和粉末床选区熔化成形。

2013年2月Massachusetts institute of technology研制成功四维打印技术(Four Dimensional Printing,4 DP)，即4D打印技术。不通过打印设备直接将材料成型的新技术。其在3D打印的基础上增加了时间这一维度。可以按照需要构建产品模型和时间，会根据设计参数自动产生相应的形状。关键技术是记忆合金材料的研制。同年，美国康奈尔大学利用该技术生产出了可造人体器官。

图1.3 FDM 示意图

1.2 国内研究现状

从上世纪90年代开始，国内上海交通大学、南京航空航天大学、清华大学、西安交通大学、大连理工大学、西北工业大学、北京航空航天大学、华南理工大学、华中科技大学、湖南华曙高科技有限责任公司、中国工程物理研究院等高校、研究构开展了对其的研究[4]:如华中科技大学研究了LOM加工机理，在成形机和成形材料取得一系列成绩;清华大学则开展了对基于SL加工工艺的模具研究;西安交通大学自主研发了金属喷涂技术与设备，可制造出极薄(最薄0.8mm)的叶片原型，以及紫外光固化快速成型机系列。西北工业大学教授黄卫东自1995年开始，在国内创造性地提出“激光立体成形”，研制第一台商用化装备，开创了国内的先河。北京航空制造工程研究所的关桥院士提出航空特种焊接及连接技术与广义增材制造的理念。强调其使用的能源和材料将更广泛。北京航空航天大学的教授学者王华明研制的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光束成形技术”获国家技术发明一等奖。

2 增材制造技术国内外研究现状

2.1 高能束流增材制造技术

2.1.1 等离子增材制造技术

等离子弧的产生受到喷嘴孔径的限制，电弧的直径和钨极氢弧、熔化极相比要小许多，线能量大，重要的应用方式有熔透型等离子弧焊、穿孔型等离子弧焊。主要用于一些对焊接质量要求较高的精确焊接场所。

徐富家[5]在博士论文中研究了Incone1625合金等离子弧快速成形组织控制及工艺优化。文中以脉冲等离子弧快速成形技术为研究对象，以Incone1625合金为加工原料，解析了参数工艺的设置、熔融方式、熔积路径以及热处理方式对试样成形组织及性能的影响。

F.Martina[6]等采用冷填丝等离子弧进行了Ti6A14V的沉积成形试验研究。

由于冷填丝等离子弧沉积工艺中，送丝机构独立于电弧系统，因此在工艺参数中，焊接电流、沉积速度、送丝速度所构成的工艺参数窗口是一个三维立体形状。如图2.1，其采用析因试验进行试验设计，研究了工艺参数对有效壁厚及表面波动的影响;分析了直壁件中不同层的显微组织转变机理，其指出沉积层的组织构成不同是因为受到的热循环不一样，而不是许多学者理解的冷却速度不一样，且主要受第一个低于β晶转变温度的热循环的影响。

图2.1 等离子弧添加制造工艺参数窗口

2.1.2 激光束增材制造技术

美国Sandia国立实验室运用激光工程化近净成形技术[7](Laser Engineering Net Shaping LENS)根据CAD实体模型获取主要几何外形，然后用激光束熔化选区金属粉末，按运动轨迹使熔化粉末逐层层层叠加，最终形成复杂零部件。Sandia实验室对多种金属材料的LENS成形工艺进行了研讨，如316不锈钢、625镍基合金等，获得结论是激光增材制造的成形件在塑性没有太大变化的情况下强度和锻造件相比明显提高。

美国密歇根大学的Mazumde等人[8]为了使其市场化和产业化，开发研制了直接沉积金属技术设备(Direct Metal Deposition DMD)，它集成了激光发射器、数控操作平台、图像处理传感器、温度感应器及一些立体图形软件在内的多项技术，可以提高产品的组织性能和精度。

陈静[9]等以45钢、1Crl8Ni9Ti为基板进行Ni基合金粉末和316不锈钢粉末的激光多层熔覆试验，研究了熔覆层中出现的裂纹问题，研究结果表明Ni基粉末熔覆层中出现的为冷裂纹，而316不锈钢中的出现的裂纹为热裂纹，指出Ni基层中产生裂纹主要与硼化物和硅化物在基体中的弥散分布，明显减小基体的延展性所致;而316不锈钢中裂纹的产生主要与奥氏体热物理性能及熔覆冶金过程中低熔点共晶液膜的形成有关。

德国Erhard Brandl[10]等人研究了送丝式激光增材制造成型的Ti6A14V钦合金块体的形态、微观结构，化学成分和硬度。试验中考虑了两种不同的焊接参数和三种不同的热处理方法，揭示了激光增材制造的钛合金在不同焊接参数和热处理条件下的基本特征。

北京有色金属研究总院的张永忠等[11]从1998年开始了激光直接成形工艺的研究，以不锈钢、铜合金、镍基高温合金及复合粉末为熔敷材料开展了激光增材制造工艺。

2.1.3 电子束增材制造技术

清华大学郭超，林峰等人[12]以316L不锈钢粉末为材料，研究粉末熔化阶段电子束功率大小、扫描形式等工艺参数对成形件上表层粗糙度的影响。大胆提出电子束功率渐增、多次扫描的方式。

北京科技大学的林均品，阉文斌等人[13]运用调整EBM过程中的各工艺参数的手段，例如片层厚度、熔炼温度、扫描速率、线能量和构建路径等参数，获得了致密并且无大量A1损失的较好样品。

2.2 电弧增材制造技术

运用电弧增材制造技术加工的产品的表面组成是以全焊缝的方式，其组织均匀、致紧奏性强，与锻造件相比具有较高地强度、及韧性等优点。在加工的过程中，通过多次加热，淬火以及回火，在一定程度上解决了大型铸锻件所具有的问题，如易淬透、宏观偏析、长度和直径方向上强韧性不一致等[14]。目前，世界范围内多数科研机构都对电弧增材制造技术进行研究。该技术采用的焊接热源主要包括传统熔化极气体保护焊和钨极氢弧焊，即GMAW、TIG等。

2.2.1 MIG电弧增材制造技术

1993年,J.D.Spencer[15]等第一次提出了以GMAW为原理的立体焊接成形(Three dimensional welding)方法，并以此焊接方法制造金属模具，明显地提高了传统铸造模具的生产效益。

Panagiotis Kazanas[16]等运用冷金属过渡焊(Cold Metal Transfer CMT)全方位地焊接方式进行任意角度的薄壁墙体的添加成形，如图2.2(a)所示，堆叠采用交错送给方式。其研究着重于全位置堆叠加工件倾斜角度的适应性，进行了0°～90°倾角范围的墙体堆叠，并以表面波动量(SW)和为有效厚度(EWT)成形表征量，表征量的定义见图2.2(b)。由该研究得到运用CMT全位置焊接方式进行任意形状构件的添加制造在工艺上具有可操作性，且因为全位置堆叠，可缓解一些大型构件的添加制作过程中对变位装置的依赖程度。

图2.2

2.2.2 TIG电弧增材制造技术

该成形方法的技术基础即为冷填丝钨极氢弧多层多道焊，由稳定的钨极氢弧提供电弧熔化热配合独立于焊接设备的同步不断送进的焊接材料，形成具有一定几何尺寸的致密的单层焊缝，层层堆叠，形成一定几何形状的构件。

Hui jun Wang[17]等采用变极性钨极氢弧(VP-GTAW)进行了4043铝合金的添加制造成形试验研究。主要研究了电流、堆叠速度和送丝速度对单道叠层几何尺寸的影响、不同堆叠层数之间的成形对比及筒体件的堆叠制造和组织分析，建立了工艺参数与单层成形的关系模型，分析了筒体件沿沉积方向上的组织变化，指出组织的转变的差异性源于随着高度增加，散热条件变得较为苛刻，组织沿热流扩散速度最快方向生长倾向性变强。

3 增材制造器材及其发展趋势

3.1 增材制造器材

增材制造器材是实现增材制造的决定性因素。增材制造的效率是制约其在工业生产上得到广泛应用发展的瓶颈，精度是阻碍应用的最大障碍。SLS设备制造商的制造商是EOS公司，该公司在全世界是有较大规模的。一直从事于3D打印技术研究的公司较多，其中3D Systems公司较为突出，主要生产相关的打印设备。为SLS提高服务的供应商是世界较具规模的大公司-Harvest Technology 和Solid Concepts两大公司。我国的湖南华曙高科技有限责任公司(Hunan Farsoon High-Technology Co.,Ltd)也成功研制出中国首台高端选区激光尼龙烧结设备。世界各国增材制造设备及精度如图3.1所示[18]。

图3.1 世界各国增材制造设备及精度

但是目前增材制造技术主要处于研究阶段，还不能投入工业批量地生产，究其原因是在批量生产过程中成本高、产率低，质量不能保证等。国内有谭华等认为激光成形过程中影响因素对成形过程的作用最终决定激光快速成形过程的稳定和成形质量[19]、Lewis G K建立了熔池温度的闭环控制系统[20]，清华大学研究加工过程温度的闭环控制[21]技术。不过研究成果还需要经过进一步验证，才能得到产业化应用。

3.2 增材制造发展趋势

前年第二季度处成立了全国增材制造标准委员会；研究制订增材制造工艺、装备、材料、数据接口，产品质量控制与性能评价等行业及国家标准，开展质量技术评价和第三方检测认证，促进增材制造技术的推广应用。同年10月中国增材制造产业联盟成立，同年12月国家批准筹建国家增材制造创新中心和国家增材制造质量检验中心。2017年12月13日，工业和信息化部、发展改革委、教育部、公安部、财政部、商务部、文化部、卫生计生部、海关总署、质检总局及知识产权局等十二部门联合发布了《增材制造产业发展行动计划(2017-2020)》此外，北京市、陕西省、辽宁省、福建省、湖北省，黑龙江省等地也纷纷出台促进产业发展的相关意见，指导当地的发展。随着社会与科学技术的发展，目前环境和能源是当今社会发展的主要因素。如果在增材制造产业方面取得有效成果和突破，将对我国的国民经济发展起到重要推进作用，为实现绿色可持续发展提供保证。

增材制造被看作是第三次工业革命的标志，因其优点有：加工过程可塑性强，且不用开发模具效率高；质量可以得到保证等；实现智能化，节约化制造；产品的力学性能和化学性能较突出;材料的比配，产品的外观和复杂程度在加工过程中难度影响很小；可以进一步降低加工成本。目前在高要求、批量小、反映快的产品生产市场中具有很强的竞争力，未来在工业规模生产领域的竞争力中也会逐渐增强。目前在金属零件立体修复技术中，较超的要数激光立体成形技术，对于再制造提高一个保障。作为世界制造大国，我国应大力开发和研究发展增材制造器材装备，满足人民生活需要和提升我国的科技创新能力，能够较彻底的克服难加工材料这一难关，以及在设备器材的再制造和修复难题上取得成绩，对航空航天方面有有所突破，可以制造出复杂形状的零件，推进航空航天事业的发展。