增材制造技术概述.PDF

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Additive Manufacturing，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（Rapid Proto-typing）、直接 数字制造（Direct Digital Manufacturing）、增材制造（AdditiveFabrication）、“三维打 印(3D—Printing ) ”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ” 、增层制造 （Additive Layer Manufacturing） 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3-2 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