增材制造技术概述及其应用

增材制造技术概述及其应用

许庆东

东北石油大学  黑龙江大庆 163000

摘要：近年来，增材制造技术越来越受到重视，国内相关研究不断向广度和深度推进。在科学技术部、工业和信息化部、国家国防科技工业局等项目支持下，我国在增材制造成形硬件系统、工艺特性和成形件质量等方面部分达到或接近国际先进水平，形成了与国外齐头并进的局面。在国家和地方的支持下，全国建立了20多个服务中心，设备用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业，推动了我国制造技术的发展。

关键词：增材制造技术 激光烧结 立体光固化成型技术 成型加工

1增材制造技术概述

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是通过CAD设计数据并采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”的材料累加制造方法。自20世纪80年代末，增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”、“快速原型”、“分层制造”、“ 实体自由制造”、“3D打印技术”等。增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的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。而且越是结构复杂的产品，其制造的速度优势越明显。

2 增材制造技术特点

2.1增材制造技术基本原理

制造之前首先设计出所需产品或零件的计算机三维模型（如 CAD 模型），然后根据工艺要求，按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的二维单元，一般在 Z 向将其按一定厚度进行离散（也称为分层），把原来的三维 CAD 模型变成一系列的二维层片；再根据每个地积层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生产数控代码；最后由成型系统接受控制指令，将一系列层片自动成型并将它们连接起来，得到一个三维物理实体。

2.2增材制造技术的基本流程

增材制造的加工过程包括前处理、成型加工和后处理三个阶段，其中，前处理又包括三维建模（三维重构）和模型切片处理，同时它也是获得良好成型产品的关键所在。

2.3增材制造技术的工艺特点

增材制造技术与传统制造技术相比，主要存在不同如表1所示：

表1 制造技术对比

3：几种常见的增材制造技术

3.1立体光固化成型技术

3.1.1光固化成型技术（SLA）概述

SLA是世界上最早出现并实现商品化的一种快速成形技术，也是研究最深入、应用最广泛的快速成形技术之一。其主要是使用光敏树脂作为原材料，利用液态光敏树脂在紫外激光束照射下会快速固化的特性。光敏树脂一般为液态，它在一定波长的紫外光（250 nm～400 nm）照射下立刻引起聚合反应，完成固化。SLA通过特定波长与强度的紫外光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面的顺序凝固，从而完成一个层截面的绘制工作。

3.1.2 立体光固化成型技术优劣势对比

经过对比，可发现SLA,DLP,LCD，优劣势如表2所示：

表2 立体光固化成型技术优劣势对比

3.2选择性激光烧结技术

选择性激光烧结3D打印技术是工业应用中最常见的增材制造技术，它起源于1980年代后期的美国德克萨斯大学奥斯汀分校。多年来，这项技术取得了显着的进步。基本上，该过程使用激光逐层烧结或聚结粉末材料以形成固体结构。最终产品被包裹在松散的粉末中，然后用刷子和加压空气清洁。SLS3D打印过程中使用的主要材料包括聚酰胺（尼龙）、铝化物、灰色铝粉和聚酰胺的混合物，以及类橡胶材料。尼龙坚固耐用，但具有一定的柔韧性，使其非常适合打印按扣、支架、夹子和弹簧等，设计人员应在起初阶段就考虑薄部件料收缩和翘曲的敏感性。与SLA和FDM相比，SLS不需要对象具有支撑结构，这是因为未熔合的粉末在打印过程中支撑着零件。这使得SLS非常适合具有复杂几何形状的对象，包括内部特征、底切和负特征。使用SLS打印生产的零件通常具有出色的机械特性，这意味着它们非常坚固。薄壁物体不能打印，因为有最小 1 mm的限制，大型模型中的薄壁冷却后可能会翘曲。低成本、高生产率和成熟材料的结合使SLS成为功能原型设计工程师的热门选择，并且是有限运行或桥梁制造的注塑成形的一种经济高效的替代方案。

3.2选择性激光烧结技术基本原理

选择性激光烧结技术基本原理如图所示它采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。

3.3激光增材制造技术

激光增材制造技术已经成为航空、航天、医学等领域实现智能制造的关键技术。以激光为热源的激光增材制造可以彻底改变金属零件的传统加工方式，它由两种主要方法组成：一种是激光粉末床熔合  (LPBF)，它具有用于沉积金属粉末的粉末床，将粉末散布在基材上；另一种方法是以粉末为原料的定向能量沉积工艺，即激光定向能量沉积（LDED），其特点是同步送粉。目前，LAM技术在航空、航天、医疗和汽车等领域的应用和发展是最快的。

4结论与展望

增材制造是一种创新工艺，它的诞生和成熟说明了制造领域正在取得新的革命性的技术进步。这项技术的主要驱动力来源于它所固有的设计灵活性和自由度，而目前传统制造技术不容易实现这一点。然而，增材制造也确实给我们带来了新的挑战，要实现打印所需的完美产品，需要人们继续对打印材料和制造过程本身进行更加深入和全面的研究和开发。3D打印正呈现技术成熟阶段。我们可以看到新3D打印方法、新开发的激光光源、新的打印监控技术，新材料的开发，包括金属合金，特别是难熔合金和高反射金属、玻璃、聚合物复合材料和陶瓷，正在不断涌现。它可以完成传统制造工艺无法实现的卓越形状生产能力。难熔金属合金的3D打印可以大大提升零件的极端环境性能，同时降低成本。未来将会是新的发展方向。

参考文献：

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[2]王广春，赵国群.快速成型与快速磨具制造技术及其应用［M］．北京:机械工业出版社，2013.

[3]卢秉恒，李涤尘增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化，2013(4):1-4.

[4]朱天光．激光选区熔化3D打印设备结构设计研究［D］．沈阳:沈阳理工大学，2019