增材制造技术及其应用现状分析

王 硕 宋胜利

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博255049）

2012 年《经济学人》发表了一篇名为“3D打印机带来第三次工业革命”的文章，该文对3D打印技术进行了重点的介绍，并对该技术的未来前景进行了分析。紧接着美国总统奥巴马宣布“重整美国制造业”计划，新建了15 个制造创新研究院，其中首个研究院就是国家增材制造创新研究院。我国领导人对增材制造技术也很关心，2013 年9 月中央政治局就创新驱动发展战略到中关村集体调研学习，着重调研高性能大型金属构件增材制造技术。如今该技术在航空航天、高分子、生物医疗、国防、军工等领域都有所应用。

1 增材制造技术简介

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一种自下而上逐层堆积得到产品的制造方法，我们通常称之为3D 打印（3D printing）技术。增材制造的原理类似于喷墨打印机，不同的是其喷出的材料是树脂，粉末，丝材等。增材制造可以利用计算机逐层增加材料，将三维的物体变成二维，再采用激光熔融方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，最终形成三维实体零件。增材的方式有三种：熔化堆积、烧结、粘结。增材制造技术改变了材料结构的设计，带来材料性能的提升，实现了构件制造一体化。

1.1 基本原理

按照材料加工方式，现代制造技术分为三种：减材制造、等材制造与增材制造。减材制造是使用车、铣、刨、磨等设备对材料进行切削加工，以达到设计形状，该方式原材料的利用率仅有7%；等材制造是指通过铸造、锻造、焊接等方式生产制造产品，材料在加工过程中并不增加也不减少；增材制造，顾名思义，其材料为增加的方式，其过程为先通过CAD 等计算机建模软件建模，然后将建成的三维模型进行分层切片处理，将三维物体转换为二维，之后规划打印轨迹，进行逐点逐层堆积成型，最终打印出所需的工件，打印过程如图1 所示[1]。

1.2 典型增材制造技术

1.2.1 光固化成形（SLA）

光固化成形（Stereo Lithography Apparatus ，SLA）工艺也被称为立体印刷工艺，属于快速成形工艺的一种。它以液体树脂为原料，用特定强度的激光照射液体材料表面，使其由点到面一层层的固化成为三维实体构件。与其他增材制造技术相比，这种方法加工速度快，生产周期短，能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状复杂的原型，但也存在使用和维护成本高，软件系统操作复杂，由于扫描速度较慢导致局部材料没有完全固化等缺陷。

1.2.2 选择性激光烧结成形（SLS）

选择性激光烧结成形（Selective Laser Sintering，SLS）它使用激光作为电源，粉末作为材料，以烧结的增材方式将材料粘合在一起，形成坚固的结构[2]。SLS 的增材方式具有成本低、材料利用率高，成型速度快等优点，且因为它是完全自支撑的，它允许在嵌套的过程中在其他部分内构建具有高度复杂的几何形状的零件，而这些几何形状根本无法以任何其他方式构造，但SLS 印刷部件具有多孔表面，这可以通过涂覆诸如氰基丙烯酸酯的涂层来密封。因此该增材方式广泛地在航空、航天、船舶、汽车、机械工程、制造等工业企业、研究所、高校100 多家应用。

1.2.3 熔丝沉积制造（FDM）

熔丝沉积制造（Fused Deposition Modelling，FDM)是一种不使用激光器的加工方法，它以树脂丝为原材料，通过喷头喷出熔融的材料，以快速冷却的方法将材料一层层牢固的连接在一起[3]。FDM技术的最大特点是速度快、无污染，原材料利用率高，由于不需要激光器，因此该种增材方法成本低，利于维护。但该方法生产的成型件的表面有较明显的条纹，且加工时间较长。

1.2.4 叠层实体制造（LOM）

叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing,LOM）以纸、塑料膜为原材料，通过一层层横截面粘结形成初步模型，之后利用CO2激光器发射的激光束对模型进行切割，得到最终的工件[4]。该工艺成形速度快，原材料便宜，但成形后对废料剥离费时，适合于体积较大的工件。

2 发展难题及我国增材技术的不足

在发展增材制造技术时，依然面对以下科学难题无法解决：

2.1 热物理问题，内应力难以控制[5]

当温度剧烈循环变化时会产生热应力；当发生循环非均匀固态相变会产生组织应力；当材料凝固时会产生凝固收缩应力。产生的内应力会导致构件变形甚至开裂，难以制造大型构件。

2.2 物理冶金问题

冶金、凝固和固态相变过程非常复杂，构件"内部质量"会难以控制，导致产生的构件力学性能及稳定性差，打印后的构件再经HIP、锻造等后续致密化加工后，关键力学性能会低于锻件，因此难以用作关键主承力构件[5]。

虽然我国科研机构、科技型企业众多，在3D 打印技术研发中也获得了诸多技术专利，但我国还没有形成完备的增材制造技术产业链，核心零件的供应、高强度非金属材料等还需要从国外进口[6]。如果能突破这一难题，不仅能大大提升我国增材制造产业发展速度以及普及范围，还能从国际市场中获得一定量的产业份额，更可以有效降低增材制造设备的价格，从而推动增材制造在我国的商业化进程。

3 发展趋势

习近平总书记在参加全国政协十二届一次会议科协及科技届委员联组讨论时强调“可以预见，随着3D 打印技术规模产业化，传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合都将面临深度调整。”增材制造技术对于未来装备制造和材料制备有深远的影响。未来的增材制造，将不仅仅是材料的添加，而是在制造的过程中制备材料，合成材料，甚至是复合材料[7]。增材制造技术的发展趋势主要有以下两方面：

3.1 实现低成本、短流程、快速数字制造

对于复杂、超复杂构件或结构系统实现低成本、短流程制造且构件的不同部位具有不同的性能；对于高性能大型、超大型构件或结构系统实现高效快速制造；对于多品种小批量个性化产品实现低成本快速制造。

3.2 实现高性能新材料数字制备能力

实现对高性能非平衡材料制备与复杂结构制造；实现高活性难熔难加工材料制备与结构制造；实现高性能梯度材料制备与结构制造；实现高性能材料多尺度复合制备与结构制造；创造出超常结构实现超常功能[8]。

3.3 应用领域更加广泛

未来3D 打印技术将不仅仅应用于机械生产等领域还将应用于食品、影视、文化艺术等领域。

未来的增材制造技术将对装备制造技术产生变革性影响，并带来重大装备结构设计的革命，将会变革生产制造模式和维护保障模式。

4 结论

增材制造是制造技术大家庭的一名新成员，同传统技术相互补充，不会颠覆或者取代传统制造技术，但是增材制造作为一种变革性的制造新技术，发展潜力巨大，对于贵而难加工的材料，大而复杂的高性能整体构件将会有很大的应用空间。