等離子制造技術(shù)與增材制造裝備

1、等離子制造技術(shù)與增材制造裝備 等離子外表合金化制造技術(shù)與增材制造裝備 馬球 摘要：等離子體制造技術(shù)是指利用等離子體作為熱源，對(duì)零部件進(jìn)行焊接、切割、增材制造等制造技術(shù)的總稱。和傳統(tǒng)減材制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)是指通過增加材料的方式而完成零部件的加工制造。本文從等離子體制造技術(shù)出發(fā)，先介紹了等離子體制造技術(shù)和增材制造裝備的開展現(xiàn)狀，然后介紹了增材制造存在的 問題及解決措施，最后指出了增材制造的開展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：等離子體，堆焊制造，增材制造 Plasma Manufacturing Technology and Additive Manufacturing Equipments Ma qiu

2、Abstract: Plasma manufacturing technology is the manufacturing technology by using plasma jet as heat source to the welding, cutting and additive manufacturing and so on. Compared with the conventional manufacturing technology, the additive manufacturing technology accomplishes the manufacture of th

3、e components by adding materials. This paper starts from the plasma manufacturing technology, introduces the development status of the plasma manufacturing technology and additive manufacturing technology firstly, then introduces the problems of the additive manufacturing technology existed and the

4、countermeasures, points out its development trends lastly. Keywords: Plasma, manufacturing technology, additive manufacturing 引言 等離子體是指由局部電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。通常根據(jù)其宏觀溫度的上下將等離子體分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體主要是指其宏觀溫度可達(dá)幾萬度甚至更高，其重粒子溫度與電子溫度接近的平衡態(tài)等離子體，常被應(yīng)用于焊接、切割、增材制造等

5、制造領(lǐng)域。電弧熱等離子體是最常用的熱等離子體形式，是指通過在一個(gè)用于產(chǎn)生等離子體的裝置被稱為等離子體發(fā)生器的陰陽極施加直流電源，在高能量的作用下將進(jìn)入等離子體發(fā)生器的工作氣體電離成為電子、粒子、離子等組成的高溫混合氣體，其最高溫度可達(dá)30000K以上。 由于熱等離子體具有能量密度高最高可接近激光、溫度高根本可以熔化的所有材料、熱轉(zhuǎn)換效率高可達(dá)70%以上、熱源設(shè)備本錢及維修本錢低等突出優(yōu)點(diǎn)，通過近一百年的開展，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于切割、焊接等傳統(tǒng)制造加工中，并取得了相當(dāng)?shù)难芯窟M(jìn)展。而在近幾年的開展中，已經(jīng)有局部科研工作者利用等離子體技術(shù)開發(fā)出了等離子體增材制造設(shè)備。 因此，筆者通過查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，

6、對(duì)等離子體制造技術(shù)和增材制造裝備進(jìn)行 了總結(jié)性研究。本文首先介紹了等離子體制造技術(shù)的開展歷程及現(xiàn)狀；然后介紹了增材制造裝備的開展歷程及現(xiàn)狀；接著介紹了增材制造技術(shù)存在的問題并提出了相應(yīng)的解決方案；最后筆者提出了自己的見解，指出了增材制造技術(shù)的開展趨勢(shì)。 等離子體制造技術(shù) 19世紀(jì)30年代英國(guó)的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現(xiàn)象，這實(shí)際上是等離子體實(shí)驗(yàn)研究的起步時(shí)期。1879年英國(guó)的W.克魯克斯采用“物質(zhì)第四態(tài)這個(gè)名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。1928年美國(guó)的I.朗繆爾首先引入等離子體這個(gè)名詞，等離子體物理學(xué)才正式問世。從此開啟了等離子體技術(shù)研究的

7、新紀(jì)元，等離子體技術(shù)得到了快速開展。 隨著等離子體技術(shù)的不斷開展，其被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如加工制造 9-11、納米材料制備12, 13、垃圾處理14-17等眾多領(lǐng)域。等離子體制造屬于等離子體技術(shù)的諸多早期應(yīng)用之一，是指利用經(jīng)機(jī)械壓縮、自磁壓縮、熱壓縮后形成的等離子體的高溫、高能量密度等特性，對(duì)零部件進(jìn)行加工制造，如焊接、切割、增材制造等。1954年，美國(guó)Union Carbide公司的Robert Gage發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過壓縮的電弧能量更加集中，電弧溫度和射流速度大幅度提高，這種具有高溫長(zhǎng)弧柱特性的拘束態(tài)電弧很快被用于切割有色金屬，隨后進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)這種壓縮電弧也可用于焊接，從此開啟了等離

8、子體制造技術(shù)的新紀(jì)元。等離子體制造技術(shù)的出現(xiàn)極大的促進(jìn)了制造業(yè)的開展，解決了許多困擾業(yè)界的難點(diǎn)。 等離子體焊接制造技術(shù) 等離子體焊接制造18-21是指利用等離子體技術(shù)，通過焊接的方法加工制造成形零部件，如壓力容器的焊接成形、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的焊接成形等，其原理如圖1所示。當(dāng)前主流的等離子體焊接技術(shù)主要可以分為穿孔性等離子體焊接、等離子體-MIG復(fù)合焊接和激光-等離子體符合焊接。 圖1 等離子體焊接原理圖 1穿孔性等離子體焊接。 穿孔型等離子弧焊接又稱為穿透等離子弧焊接、小孔焊接。利用等離子弧熔透工件，并在等離子流力作用下，形成穿透工件的小孔，熔池圍繞小孔分布。隨著等離子弧的不斷移動(dòng)，新的熔融金屬在小

9、孔前端不斷形成，并沿熔池壁向后流動(dòng)，而小孔也隨電弧移動(dòng)，因此這些金屬便填充小孔原先的位置，冷凝后便形成焊縫，焊縫斷面呈“倒喇叭狀。該方法可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，常用于厚板的打底焊。由于穿孔等離子弧焊接的工藝參數(shù)可調(diào)“窗口小， 因此工藝研究較少， 國(guó)內(nèi)外研究者的主要精力集中在對(duì)等離子弧、熔池的熱場(chǎng)或流場(chǎng)和小孔成型過程的數(shù)值模擬與分析。 國(guó)外在數(shù)值模擬上起步較早，如加州大學(xué)伯克利分校的Y.F. Hsu等人在1988年便通過對(duì)穿孔等離子弧焊接的傳熱與流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并建立起二維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)有限元數(shù)值模型；1993年，RGKeanini等人針對(duì)穿孔等離子弧焊接的熱場(chǎng)和流場(chǎng)，首次提出三維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)有限元模型

10、；1999年，H.G. Fan等人建立了等離子弧焊接的熱傳導(dǎo)和流體流動(dòng)二維瞬態(tài)模型。 而在國(guó)內(nèi)，2002年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳林、董紅剛等人針對(duì)固定穿孔等離子弧焊接率先建立了等離子弧二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，對(duì)熔池的電流密度和溫度分布模擬，并通過迭代法，計(jì)算出焊縫溶深和熔寬，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。2006年，山東大學(xué)武傳松等人在分析了等離子弧對(duì)熔池的“挖掘作用和厚度方向等離子弧熱流分布后，提出三維瞬態(tài)小孔等離子弧焊接熱場(chǎng)的有限元模型，模擬的熔池形狀和演變規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)的端面形狀和到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間也與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。 2等離子體-MIG復(fù)合焊接 等離子-MIG復(fù)合焊接是將等離子氣體保護(hù)鎢極

11、電弧焊和氣體保護(hù)熔化極電弧焊結(jié)合起來的一種復(fù)合熱源焊接工藝。與傳統(tǒng)MIG焊接工藝相比，其最大優(yōu)勢(shì)在于：焊接速度提高兩倍；熱輸入少、HAZ窄、焊接變形與飛濺小；等離子的小孔效應(yīng)明顯，熔深增加。 在國(guó)外，1972年，荷蘭PHILIPS公司研究中心的W.G. Essers和A.C. Liefkens等人首次提出了PlasmaMIG焊接方法，并在20世紀(jì)80年代開發(fā)出設(shè)備，且在德國(guó)工廠中得到應(yīng)用。1995年由烏克蘭巴頓焊接研究所的工程人員在以色列組建了PlasmaLaser Technologies(PLT公司)，開發(fā)出商品化的SuperMIGD等離子旁軸復(fù)合熱源焊接系列產(chǎn)品。在Plasma-MIG焊

12、接工藝方面，日本的TOgawa等人通過確定合理的工藝參數(shù)提高了銅-鐵異種接頭性能；1992年，德國(guó)RDraugelates等人成功將PlasmaMIG焊用于鋁合金水下焊接31；還有諸如巴西等國(guó)的諸多科研工作者也在此方面做了較多的研究。 而在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳林等人建立了雙電源同軸復(fù)合焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金的焊接。沈陽工業(yè)大學(xué)的李德元等人通過設(shè)計(jì)等離子-MIG同軸復(fù)合的槍體和PLC主控單元，成功地將等離子電源和MIG電源結(jié)合，并對(duì)槍體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬、熔池形狀和溫度場(chǎng)形態(tài)模擬、起弧過程、熔滴過渡、組織成分進(jìn)行了深入研究。哈爾濱焊接研究所的周大中、孫軍等人提出了單電源PlasmaMIG焊接

13、方法，研究了一種使用一個(gè)陡降特性的焊接電源同時(shí)為兩個(gè)電弧供電的單電源PlasmaMIG焊方法，并研究了該方法的電流分配與調(diào)節(jié)特性、電壓與電位關(guān)系、熔滴過渡與電弧形態(tài)等電弧特性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，這種法簡(jiǎn)單易行，有利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。 3激光-等離子體復(fù)合焊接 激光-等離子體復(fù)合焊接是指利用同樣具有高能量密度的激光和等離子體復(fù)合，組成一個(gè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的焊接系統(tǒng)，到達(dá)特殊應(yīng)用場(chǎng)合的焊接需要。 在國(guó)外，英國(guó)Conventry大學(xué)從1992年至今一直使用400W的CO2激光器與50A的等離子體復(fù)合，焊接厚的不銹鋼、鈦和鋁合金等材料，結(jié)果說明，與單獨(dú)激光焊相比，復(fù)合焊接速度提高了1倍，且能夠熔透高反射的鋁合金材

14、料37；烏克蘭KrivtsunIgor模擬了激光-等離子復(fù)合焊接熔滴過渡過程、焊接熔池動(dòng)力學(xué)、熔池溫度分布、熔池形貌和穿孔過程，其結(jié)果與實(shí)際相符38。 在國(guó)內(nèi)，北京航空制造工程研究院的陳俐研究了YAG激光-等離子復(fù)合焊接時(shí)的熱源光譜特征39。清華大學(xué)的都東、李志寧等人對(duì)激光-等離子復(fù)合焊接的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了研究40。 等離子體增材制造技術(shù) 等離子體增材制造技術(shù)是指利用等離子體的高溫、高能量密度特性，將金屬或非金屬材料熔化，通過一層一層的疊加材料而形成零件的制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，它具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化制造，尤其適合難加工材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的研制生產(chǎn)；原材料利用率

15、高，符合綠色制造理念；增材制造后的性能及質(zhì)量?jī)?yōu)越，有時(shí)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重；無需借助刀具和模具就可以直接制造出產(chǎn)品，響應(yīng)速度快。由于等離子體增材制造技術(shù)開展較晚，國(guó)內(nèi)外幾乎同時(shí)開始研究，因此差距不大。同時(shí)，由于等離子體增材制造技術(shù)還處于開展初期，僅有如向永華、徐濱士等少數(shù)科研工作者對(duì)此作了研究。 增材制造裝備 增材制造Additive Manufacturing，AM技術(shù)俗稱合金3D 打印，是近年來迅速開展起來的高端數(shù)字化制造技術(shù)。它是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除切削加工技術(shù)，是一種“自下而上的制造方法，其工作示意圖如圖3所示。 圖3 增材制造示意圖 增材制造裝備

16、就是增材制造技術(shù)開展的載體，是增材制造技術(shù)的硬件支撐，是在利用增材制造技術(shù)進(jìn)行零部件的制造過程中所使用的設(shè)備的總稱。因此，增材制造裝備的產(chǎn)生必然伴隨著新的增材制造技術(shù)的開展，而新的增材制造技術(shù)又促進(jìn)人們探索新的增材制造裝備，二者相互依存。下面將結(jié)合增材制造技術(shù)的開展對(duì)增材制造裝備的開展進(jìn)行概略性介紹。 增材制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期開展起來的一項(xiàng)新興前沿技術(shù)，被認(rèn)為是制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。增材制造技術(shù)在開展初期主要應(yīng)用于模具加工，以及用于組裝和功能測(cè)試的樣件加工等。近十年來，由于不斷取得突破，增材制造技術(shù)逐漸被應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的加工。金屬零部件最終產(chǎn)品的增材制造技術(shù)開展尤其迅速，在結(jié)構(gòu)

17、復(fù)雜、材料昂貴的產(chǎn)品生產(chǎn)，以及小批量定制生產(chǎn)方面，本錢、效率和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)突出。因此，增材制造技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域得到了各國(guó)政府的高度重視，并通過政府資助、企業(yè) RD資金等方式投入了大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。 2006年，美國(guó)國(guó)防部下一代制造技術(shù)方案(NGMTl)重點(diǎn)投資增材制造技術(shù)， 波音、洛馬、通用動(dòng)力、雷神等軍工企業(yè)參與研究，大力推動(dòng)鈦合金等高價(jià)值材 料零部件增材制造技術(shù)的開展和應(yīng)用。2021年，歐盟第六個(gè)框架方案開展了大型航空航天組件快速生產(chǎn)(Aapolac)工程，旨在提高金屬沉積成形工藝的可行性，重點(diǎn)關(guān)注鈦以及鎳和鋼的沉積技術(shù)。2021年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究方案局(DARPA)的資助成立了“創(chuàng)新金屬加工直

18、接數(shù)字化沉積(CIMP3D)研究中心，旨在研發(fā)先進(jìn)的增材制造技術(shù)，支持DARPA開放制造方案，并作為制造演示工廠，推進(jìn)和部署增材制造技術(shù)在美國(guó)國(guó)防領(lǐng)域關(guān)鍵金屬系統(tǒng)研制生產(chǎn)中的應(yīng)用。 英國(guó)政府自 2021 年開始持續(xù)增大對(duì)增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)中設(shè)有增材制造研究中心，參與機(jī)構(gòu)包括拉夫堡大學(xué)、伯明翰大學(xué)、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室、波音公司以及德國(guó)EOS 公司等 15家知名大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)。 除了英美外，其它一些興旺國(guó)家也積極采取措施，以推動(dòng)增材制造技術(shù)的開展。德國(guó)建立了直接制造研究中心，主要研究和推動(dòng)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應(yīng)用；法國(guó)增材制造協(xié)會(huì)致力

19、于增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究；在政府資助下，西班牙啟動(dòng)了一項(xiàng)開展增材制造的專項(xiàng)，研究?jī)?nèi)容包括增材制造共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等四方面內(nèi)容；澳大利亞政府于 2021年2 月宣布支持一項(xiàng)航空航天領(lǐng)域革命性的工程“微型發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造技術(shù)，該工程使用增材制造技術(shù)制造航空航天領(lǐng)域微型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，有力促進(jìn)該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。 因此，增材制造技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了全球范圍內(nèi)廣泛關(guān)注，不僅得到了英美等興旺國(guó)家的高度重視，投入巨資進(jìn)行研究，而且歐洲的EADS、羅爾-羅伊斯等為代表的大型航空航天軍工企業(yè)，也采用“產(chǎn)、學(xué)、研的方式進(jìn)行增材制造技術(shù)的研究應(yīng)用工作。正是在各國(guó)政府的高度重視和科研工作

20、者的不懈努力下，增材制造技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展。當(dāng)然，增材制造裝備隨著增材制造技術(shù)的開展也取得了長(zhǎng)足的開展?，F(xiàn)有增材制造技術(shù)根據(jù)其使用的增材制造裝備所使用的熱源的不同，主要有激光增材制造技術(shù)，電子束增材制造技術(shù)和等離子體增材制造技術(shù)。 等離子體增材制造技術(shù) 等離子體增材制造技術(shù)是指利用等離子體作為加熱熱源而開發(fā)的增材制造裝備而通過增加材料的方法而成形零部件的制造方法。由于等離子體增材制造技術(shù)相比于激光增材制造技術(shù)和電子束增材制造技術(shù)開展較晚，國(guó)內(nèi)外研究工作相對(duì)較少，但由于等離子體熱源的突出優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到了廣闊科研工作者的關(guān)注，并已經(jīng)取得了一定的科研成果。等離子體增材制造技術(shù)通?？煞譃榈入x子

21、體熔積成形增材制造技術(shù)和等離子體選區(qū)熔化增材制造技術(shù)。 1等離子體熔積成形增材制造技術(shù)。 等離子熔積成形增材制造技術(shù)是基于快速成形層積原理，采用焊接方法中高度壓縮、集束性好的等離子束熔化同步供應(yīng)的金屬粉末，在基板上逐層堆積形成金屬原型或零件的技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)控制下的三維等離子粉末堆焊成形，其原理示意圖如圖8所示。 圖8 等離子體熔積成形增材制造原理圖 華中科技大學(xué)張海鷗等人早在2002年就開始了對(duì)等離子體熔積成形增材制造技術(shù)的研究。該課題組自主研發(fā)了等離子體熔積成形增材制造設(shè)備，并基于該設(shè)備進(jìn)行了等離子體熔積成形增材制造工藝研究，確定了轉(zhuǎn)弧電流、熔積速度和送粉量之間的相互關(guān)系。大連理工大學(xué)

22、徐文驥等人也在同年研究了等離子體熔積成形增材制造在模具中的應(yīng)用。 等離子體熔積成形增材制造技術(shù)主要有以下特點(diǎn)： 1設(shè)備本錢低，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單； 2對(duì)工作環(huán)境要求較低，可適應(yīng)于一般的工廠環(huán)境； 3易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 2等離子體選區(qū)熔化增材制造技術(shù)。 等離子體選區(qū)熔化增材制造技術(shù)加工原理與激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)和電子束選區(qū)熔化增材制造技術(shù)加工原理根本相似：首先由三維實(shí)體造型軟件(CAD)設(shè)計(jì)出零件的三維數(shù)字化模型；然后將零件的CAD三維模型沿z向離散成系列二維層面，即對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行切片分層(Slicing)，獲得分層文件，得到各層截面的切片二維輪廓，并對(duì)二維輪廓進(jìn)行填充，進(jìn)行路徑規(guī)劃；接著將分層數(shù)據(jù)

23、傳輸給成形機(jī)，利用等離子弧熔化合金粉末，焊槍和送粉系統(tǒng)根據(jù)單層的成形數(shù)據(jù)和材料需要，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)x、y、z軸三維運(yùn)動(dòng)下，對(duì)成形路徑精確定位，按當(dāng)前層層面幾何形狀進(jìn)行掃描熔覆。每完成一層熔覆后，焊槍上升一個(gè)位距，如此逐層熔覆最終實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接精密成形。 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室向永華、徐濱士等人在2021年提出了基于微束等離子熔覆工藝的直接金屬成形方法，設(shè)計(jì)并開發(fā)基于等離子熔覆的金屬零件直接制造軟、硬件系統(tǒng)，并采用該系統(tǒng)進(jìn)行中空零件成形實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，并采用微束等離子熔覆直接制造系統(tǒng)可以得到成形良好、組織細(xì)密的金屬零件。南京航空航天大學(xué)張禹等人在2021年

24、基于機(jī)器人堆焊增材制造進(jìn)行研究，探索解決弧坑塌陷的工藝措施，并提出一整套制備外表光潔零件的堆焊成形工藝，最終制得了低碳鋼與鋁合金堆焊成形制品。結(jié)果說明：通過降低熱輸入量，在機(jī)器人指令中參加填弧坑動(dòng)作以及使焊接路徑適當(dāng)重疊可以很好的解決弧坑塌陷問題；堆焊成形的零件可以用電解加工的方法作為后處理工藝，得到外表光潔的零件。 等離子體選區(qū)熔化增材制造技術(shù)具有和等離子體熔積成形增材制造技術(shù)相同的優(yōu)點(diǎn)，在此不再贅述。 綜上所述，增材制造技術(shù)是有別于傳統(tǒng)減材制造技術(shù)的一種新型制造技術(shù)， 它的出現(xiàn)解決了許多傳統(tǒng)制造技術(shù)難點(diǎn)，尤其是在復(fù)雜零件的加工制造方面。而增材制造裝備是增材制造技術(shù)開展的載體，是支撐其開展的

25、硬件措施。 增材制造存在的問題及解決措施 增材制造技術(shù)雖然得到了全球的高度重視，并取得了一定的科研唱過，但仍然是處于成長(zhǎng)過程的技術(shù)，還不夠成熟，目前主要用于個(gè)性化的單件生產(chǎn)。增材制造技術(shù)仍然存在以下問題： 1增材制造技術(shù)與塑料注射機(jī)等成熟的大批量成形技術(shù)相比，生產(chǎn)本錢過高。與傳統(tǒng)切削加工技術(shù)相比，產(chǎn)品的尺寸精度和外表質(zhì)量相距較大。增材制造技術(shù)目前只能算一絲曙光，真正到達(dá)大規(guī)模應(yīng)用產(chǎn)生效益，還需要很長(zhǎng)的時(shí)間開展和積累。 2目前的金屬增材制造技術(shù)都不能直接形成符合要求的零件外表，它都必須經(jīng)過外表的機(jī)械加工，去除外表多余的、不連續(xù)的和不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件。 3材料的可選擇范圍可能是最

26、大的障礙，目前可以用于增材制造技術(shù)的材料不超過100種，而在工業(yè)中應(yīng)用的材料可能已經(jīng)超過10000種，且增材制造技術(shù)材料的物理性能尚有待于提高。 4增材制造技術(shù)直接成形的金屬零件在制作過程中因?yàn)榉磸?fù)經(jīng)受局部接近熔點(diǎn)溫度受熱，內(nèi)部熱應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末和胚體缺陷等，應(yīng)力處理和控制還不能滿足要求，嚴(yán)重影響了成形件的強(qiáng)度。 5三維設(shè)計(jì)技術(shù)的普及關(guān)系到增材制造技術(shù)能否進(jìn)入家庭。市場(chǎng)正在呼喚孩子們能夠操作和喜愛的軟件，打印物品要成為新一代計(jì)算機(jī)游戲，引起孩子的興趣，發(fā)揮兒童的創(chuàng)造性，才能有無限光明的未來。 為了解決上述問題，現(xiàn)有增材制造技術(shù)必須從以下幾方面加以改善： 1研

27、究新型增材制造裝備。重點(diǎn)開發(fā)低本錢的增材制造裝備，降低增材制造本錢。同時(shí)，提高新型增材制造裝備的加工精度，使得采用增材制造技術(shù)制造的零部件在不經(jīng)其它加工工序的情況下能到達(dá)使用要求。 2加快增材制造用材料的研究。由于當(dāng)前適用于增材制造用的材料種類有限，極大的限制了增材制造技術(shù)的開展，因此必須加快增材制造用材料的研究，尋找新的適合增材制造的材料。 3加工增材制造過程的工藝及仿真研究。重點(diǎn)研究增材制造工藝過程，并利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬增材制造過程，分析零部件制造過程中的熱、力等影響零部件成形質(zhì)量的因素，提高增材制造零部件性能。 增材制造開展趨勢(shì) 在各國(guó)政府的高度重視和科研工作者的不懈努力下，增材制造

28、技術(shù)主要朝著以下方向開展： 1.向近無缺陷、高精度、新材料成形方向開展。由于現(xiàn)有增材制造技術(shù)還存在著各種缺陷，如制造精度較低、材料種類受限等，這必將促使科研工作者加大該方面的研究，制造出向近無缺陷、高精度的多材料零部件。 2.向多領(lǐng)域應(yīng)用開展。增材制造技術(shù)當(dāng)前主要集中于航空領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域較小。而增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，比擬向其他領(lǐng)域延伸。如今，增材制造技術(shù)已經(jīng)延伸到了生物醫(yī)藥領(lǐng)域，用于打印人造骨骼等。 3.向多種熱源復(fù)合增材制造方向開展。當(dāng)前主要的增材制造設(shè)備根本都是基 于某一單一熱源研制而成，而每一種單一熱源都存在其局限性。利用多種熱源復(fù)合，可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成更為完善的增材制造裝備，促進(jìn)增材

29、制造技術(shù)的進(jìn)一步開展。 4.增材制造裝備將會(huì)進(jìn)一步商業(yè)化。從國(guó)外的開展情況來看，對(duì)于每一項(xiàng)增材制造技術(shù)，都有一家或數(shù)家成熟的商業(yè)裝備制造商，形成了系列化的增材制造裝備。同時(shí)，國(guó)外的裝備制造商除了硬件裝備制造外，還進(jìn)行了大量典型材料成形工藝與材料性能的研究，掌握典型材料成形工藝核心技術(shù)，形成較為完備的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。面對(duì)應(yīng)用需求的日益擴(kuò)大，增材制造裝備研制將會(huì)進(jìn)一步商業(yè)化。 實(shí)物案例圖及等離子增材減材復(fù)合加工系統(tǒng) 參考文獻(xiàn) 1 Fauchais P, Vardelle A. Thermal Plasma J. IEEE Transactions on Plasma Science. 1997,

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