3.1增材制造技術概述

增材制造技術概述一、概述1.基本概念增材制造（即AdditiveManufacturing，簡稱AM）：一種與傳統(tǒng)的材料“去除型”加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應數(shù)學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。一、概述“廣義”和“狹義”之說狹義:指不同的能量源與CAD/CAM技術結合、分層累加材料的技術體系。廣義:以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標的大范疇技術群。2.原理與分類實際上在我們的日常生產(chǎn)、生活中類似“增材”的例子很多。例如：機械加工的堆焊、建筑物（樓房、橋梁、水利大壩等）施工中的混凝土澆筑、元宵制法滾湯圓、生日蛋糕與巧克力造型等。2.原理與分類首先將三維CAD模型模擬切成一系列二維的薄片狀平面層。然后利用相關設備分別制造各薄片層，與此同時將各薄片層逐層堆積，最終制造出所需的三維零件，如圖3-2所示。基本原理增材制造基本原理如果按照加工材料的類型和方式分類，又可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等，如圖所示。例如：激光增材制造：通過計算機控制，以高功率或高亮度激光為熱源，用激光熔化金屬合金粉末或絲材，并跟隨激光有規(guī)則地在金屬材料上游走，逐層堆積直接“生長”，直接制造出任意復雜形狀的零件，其實質(zhì)就是CAD軟件驅(qū)動下的激光三維熔覆過程，其典型過程如圖:圖

金屬零件激光增材制造典型過程電弧增材制造：采用電弧送絲增材制造方法進行每層環(huán)形件焊接，即送絲裝置送焊絲，焊槍熔化焊絲進行焊接，由內(nèi)至外的環(huán)形焊道間依次搭接形成一層環(huán)形件；然后焊槍提高一個層厚，重復上述焊接方式再形成另一層環(huán)形件，如此往復，最終由若干層環(huán)形件疊加形成鈦合金結構件。3.技術優(yōu)勢1.AM技術不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、模具及多道加工工序。2.AM技術能夠滿足航空武器等裝備研制的低成本、短周期需求。3.AM技術有助于促進設計-生產(chǎn)過程從平面思維向立體思維的轉(zhuǎn)變。4.AM技術能夠改造現(xiàn)有的技術形態(tài)，促進制造技術提升。5.AM技術特別適合于傳統(tǒng)方法無法加工的極端復雜幾何結構。6.AM技術非常適合于小批量復雜零件或個性化產(chǎn)品的快速制造。7.AM技術特別適合各種設備備件的生產(chǎn)與制造。3.1.2關鍵技術增材制造技術的成熟度還遠不能同傳統(tǒng)的金屬切削、鑄造、鍛造、焊接、粉末冶金等制造技術相比，還有涉及到從科學基礎、工程化應用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的質(zhì)量，諸如激光成型專用合金體系、零件的組織與性能控制、應力變形控制、缺陷的檢測與控制、先進裝備的研發(fā)等大量研究工作。1．材料單元的控制技術1.增材制造的精度取決于材料增加的層厚和增材單元的尺寸和精度控制。未來將發(fā)展兩個關鍵技術：一是金屬直接制造中控制激光光斑更細小，逐點掃描方式使增材單元能達到微納米級，提高制件精度；二是光固化成形技術的平面投影技術，投影控制單元隨著液晶技術的發(fā)展，分辨率逐步提高，增材單元更小，可實現(xiàn)高精度和高效率制造。發(fā)展目標是實現(xiàn)增材層厚和增材單元尺寸減小10～100倍，從現(xiàn)有的0.1mm級向0.01～0.001mm發(fā)展，制造精度達到微納米級。2．設備的再涂層技術由于再涂層的工藝方法直接決定了零件在累加方向的精度和質(zhì)量，因此，增材制造的自動化涂層是材料累加的必要工序之一。目前，分層厚度向0.01mm發(fā)展，而如何控制更小的層厚及其穩(wěn)定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的關鍵。3．高效制造技術增材制造正在向大尺寸構件制造技術發(fā)展，需要高效、高質(zhì)量的制造技術支撐。如金屬激光直接制造飛機上的鈦合金框粱結構件，框粱結構件長度可達6m，目前制作時間過長，如何實現(xiàn)多激光束同步制造、提高制造效率、保證同步增材組織之間的一致性和制造結合區(qū)域質(zhì)量是發(fā)展的關鍵技術。此外，為提高效率，增材制造與傳統(tǒng)切削制造結合，發(fā)展增材制造與材料去除制造的復合制造技術是提高制造效率的關鍵技術。3．高效制造技術為實現(xiàn)大尺寸零件的高效制造，發(fā)展增材制造多加工單元的集成技術。如：對于大尺寸金屬零件，采用多激光束(4～6個激光源)同步加工，提高制造效率，成形效率提高10倍。對于大尺寸零件，研究增材制造與切削制造結合的復合關鍵技術，發(fā)揮各工藝方法的其優(yōu)勢，提高制造效率。3．高效制造技術為實現(xiàn)大尺寸零件的高效制造，發(fā)展增材制造多加工單元的集成技術。如：對于大尺寸金屬零件，采用多激光束(4～6個激光源)同步加工，提高制造效率，成形效率提高10倍。對于大尺寸零件，研究增材制造與切削制造結合的復合關鍵技術，發(fā)揮各工藝方法的其優(yōu)勢，提高制造效率。3．高效制造技術增材制造與傳統(tǒng)切削制造也可以相結合，提高制造的效率，發(fā)展材料累加制造與材料去除制造復合制造技術方法也是發(fā)展的方向和關鍵技術。例如：赫克（Hurco）公司已經(jīng)開發(fā)出一種增材制造適配器，與赫克控制軟件相結合，可以把一臺數(shù)控銑床變成3D打印機。用戶可以在同一臺機器上完成打印、塑料原型到金屬零部件成品的過程，無需反復設置調(diào)校，也不用浪費昂貴的金屬和原材料制作多個原型，如下圖所示。數(shù)控銑床結合3D打印4．復合制造技術現(xiàn)階段增材制造主要是制造單一材料的零件，如單一高分子材料和單一金屬材料，目前正在向單一陶瓷材料發(fā)展。隨著零件性能要求的提高，復合材料或梯度材料零件成為迫切需要發(fā)展的產(chǎn)品。如：人工關節(jié)未來需要Ti合金和CoCrMo合金的復合，既要保證人工關節(jié)具有良好的耐磨界面(CoCrMo合金保證)，又要與骨組織有良好的生物相容界面(Ti合金)，這就需要制造的人工關節(jié)具有復合材料結構。由于增材制造具有微量單元的堆積過程，每個堆積單元可通過不斷變化材料實現(xiàn)一個零件中不同材料的復合，實現(xiàn)控形和控性的制造。應用案例飛機鈦合金大型關鍵構件的傳統(tǒng)制造方法是鍛造和機械加工。其基本加工流程是先將模具加工出來后，再鍛造出大型結構件的毛坯，然后再繼續(xù)加工各部位的細節(jié)，最后成形時幾乎90％的材料都被切削、浪費掉了。例如：美國F22戰(zhàn)斗機的鈦合金整體框，面積5.53平方米，而傳統(tǒng)3萬噸水壓機模鍛件只能達到0.8平方米，8萬噸也只能能達到4.5平方米。而8萬噸水壓機的投入就超過10個億，整個工序下來，耗時費力，總花費會高達幾十億元，光大型模具的加工就要用一年以上的時間。戰(zhàn)斗機鈦合金整體框的水壓機成形模具,如下圖所示。應用案例戰(zhàn)斗機鈦合金整體框的水壓機成形模具應用案例而增材制造技術則顛覆了這一觀念，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過一層層增加材料的方法直接造出任何形狀