增材制造技术概述

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1、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AdditiveManufacturing，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

2、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（RapidProto-typing）、直接数字制造（DirectDigitalManufacturing）、增材制造（AdditiveFabrication）、“三维打印(3D—Printing)”、“实体自由制造(SolidFree-formFabrication)”、

3、增层制造（AdditiveLayerManufacturing）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

4、-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

5、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

6、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

7、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

8、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