增材制造技術(shù)，也稱3D打印技術(shù)，是一種采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，由于具有成形速度快、材料利用率高、生產(chǎn)周期短與數(shù)字化程度高等特點(diǎn)，近20年來(lái)成為各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD/CAM等技術(shù)的快速發(fā)展，增材制造技術(shù)在航空航天、汽車生產(chǎn)、生物制造、建筑設(shè)計(jì)等諸多工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。介紹了增材制造技術(shù)的主要分類、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域及其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了各類關(guān)鍵技術(shù)所面臨的問(wèn)題，并討論了其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

        2 增材制造關(guān)鍵技術(shù)方法及其進(jìn)展

    增材制造技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的制造技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行變形和切除，而是采用分層疊加的方式將材料逐層添加制造三維零部件的數(shù)字化制造新技術(shù)。增材制造技術(shù)有多種分類，根據(jù)材料的不同，可分為金屬絲材、金屬粉末和非金屬材料，根據(jù)熱源分類有激光、電子束、等離字弧、電弧等，根據(jù)增材的形式又可分為鋪粉、送粉和送絲方式。表1為當(dāng)前存在的幾種增材制造技術(shù)分類，比較成熟的有以下幾種技術(shù)。

    表1 增材制造技術(shù)分類

    2.1 選擇性激光熔化技術(shù)

    選擇性激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，簡(jiǎn)稱SLM) 是激光快速成形制造領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，其利用高功率密度的激光束直接熔化金屬粉末，獲得具有冶金結(jié)合、相對(duì)密度接近100%、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高的金屬零件。該技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)80年代，其工作原理示意圖如圖10所示。

    圖10 選擇性激光熔化技術(shù)原理圖

    根據(jù)成形件的三維CAD模型的分層切片信息，掃描系統(tǒng)控制激光束作用于帶成形區(qū)域內(nèi)的粉末，一層掃描完成后，金屬基板下降一個(gè)層厚高度，為熔化的粉末作為支撐，接著送粉系統(tǒng)輸送一定量的粉末，鋪粉輥鋪展一層厚的粉末沉積于已成形層之上。然后，重復(fù)上述兩個(gè)成形過(guò)程，直至零件成形。

    SLM工藝能將CAD模型直接制成終端金屬產(chǎn)品，只需要簡(jiǎn)單的后處理或表面處理工藝，使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束加工金屬，使得加工出來(lái)的金屬零件具有很高的尺寸精度(達(dá)0.1mm) 以及很好的表面粗糙度值，成型金屬零件相對(duì)致密度幾乎能達(dá)到100%，機(jī)械性能優(yōu)良，與鍛造相當(dāng)。但在零件成形過(guò)程中，激光功率、掃描速度、鋪粉厚度等重要工藝參數(shù)對(duì)單層激光熔化質(zhì)量有較大影響，參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會(huì)引起加工零件的球化效應(yīng)、翹曲變形及裂紋等缺陷。

    2.2 激光熔覆制造技術(shù)

    激光熔覆技術(shù)(Laser Engineering Net Shaping，簡(jiǎn)稱LENS) 是在高能激光束作用下，將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速融化，光束移開后自激冷卻的一種表面強(qiáng)化方法，它適用于各類金屬的表面改性和修復(fù)。此技術(shù)由GNANAMUTHU于1974年首次提出，隨后美國(guó)的AVCO和METCO公司做了大量基礎(chǔ)研究工作。激光熔覆制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)包括: 精密高質(zhì)量同軸送粉熔覆系統(tǒng)； 激光熔覆的工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性； 激光熔覆過(guò)程的檢測(cè)與閉環(huán)控制。其工作原理如圖11所示，利用高能激光束在金屬基體上形成熔池，通過(guò)送粉裝置和噴嘴輸送來(lái)的金屬粉末快速熔化，金屬粉末或涂層快速凝固后，在基材表面形成無(wú)裂紋和氣孔的冶金結(jié)合層。

    圖11 激光熔覆技術(shù)原理圖

    與噴涂、電鍍和堆焊等其他表面強(qiáng)化方法比，激光熔覆成形技術(shù)具有涂層與基體界面為完全冶金結(jié)合、結(jié)合強(qiáng)度高、局部表層對(duì)基體的熱影響小、熔覆層晶粒細(xì)小且均勻分布、高能激光束在基體作用時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但也存在在激光熔覆中會(huì)出現(xiàn)某些類似于焊接過(guò)程中的冶金缺陷問(wèn)題，如氣孔、變形、成分偏析、裂紋等。

    2.3 熔融沉積成形技術(shù)

    熔絲沉積(Fused Deposition Modeling， 簡(jiǎn)稱FDM)又叫熔融沉積，它是將絲狀的熱熔性材料(如ABS)加熱熔化，通過(guò)一個(gè)帶有微細(xì)噴嘴的擠出頭擠噴出來(lái)。擠出頭與熱床的X軸和Y軸作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而剛成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面黏接在一起。一個(gè)層面沉積完成后，工作臺(tái)與擠出頭的距離按照預(yù)定的增量增加一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體造型。

    作為3D打印裝備技術(shù)兩大發(fā)展方向之一的桌面3D，已實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造、使用個(gè)人化，使得每個(gè)人都可以進(jìn)行數(shù)字化創(chuàng)作，相關(guān)產(chǎn)品如圖12所示。

    圖12 市場(chǎng)上銷售的3D打印機(jī)

    2.4 光固化立體造形技術(shù)

    光固化立體成形技術(shù)(StereoLithography Apparatus，簡(jiǎn)稱SLA) 的原材料為液態(tài)光敏樹脂，在一定波長(zhǎng)和一定強(qiáng)度的紫外激光照射下液態(tài)光敏樹脂會(huì)引發(fā)聚合反應(yīng)，紫外激光會(huì)沿著零件各分層截面輪廓，對(duì)液態(tài)樹脂進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。被掃描到的樹脂薄層會(huì)產(chǎn)生聚合反應(yīng)，由點(diǎn)逐漸形成線，最終形成零件的一個(gè)薄層的固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來(lái)的液態(tài)。其工藝原理如圖13所示。

    圖13 光固化立體造形技術(shù)原理圖

    光固化成形的制作精度和成形材料的性能成本，一直是該技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，很多研究者通過(guò)對(duì)成形參數(shù)、成形方式、材料固化等方面分析各種影響成型精度的因素，提出了很多提高光固化原型的制作精度的方法，如掃描線重疊區(qū)域固化工藝、改進(jìn)的二次曝光法、研究開發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片法、在制件加工之前對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等，這些工藝方法都可以減小零件的變形、降低殘余應(yīng)力，提高原型的制作精度。

    3 發(fā)展趨勢(shì)

    目前，增材制造技術(shù)得到了較快的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體零部件的直接制造，但仍面臨一些技術(shù)瓶頸問(wèn)題和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，技術(shù)瓶頸問(wèn)題主要有制造效率與精度低、性能尚難滿足要求、設(shè)計(jì)理論與方法不完善，以及增材制造原材料少等問(wèn)題。對(duì)比增材制造的精度與傳統(tǒng)的減材制造方法有較大的差距，這主要是由于對(duì)于增材制造技術(shù)，尺寸精度的檢測(cè)極具挑戰(zhàn)性，且無(wú)法法用生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題主要為一些原理與機(jī)制研究不完善，如激光能量高效率利用原理與機(jī)制、高精度激光熔化成形原理與機(jī)制、激光增材制造的高性能化原理與機(jī)制、復(fù)合功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與制造方法，以及功能材料定向設(shè)計(jì)原理與制造方法等問(wèn)題。

    相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)增材制造技術(shù)將在速度、效率和打印精度等方面有較大提高，材料將更加多種多樣，打印的產(chǎn)品更加小型化和成本降低，軟件更加智能，應(yīng)用領(lǐng)域逐步應(yīng)用到國(guó)防、航空航天、汽車、生物制造、文物修復(fù)和文化創(chuàng)意等各個(gè)領(lǐng)域，真正推動(dòng)人類工業(yè)文明的快速發(fā)展。