金属增材制造技术研究与应用

金属增材制造技术研究与应用金属增材制造技术研究与应用 2018/11/18 摘要：随着我国“中国制造2025”发展战略的提出,制造技术将面临巨大的提档升级与更新换代的历史机遇。增材制造技术是对传统加工技术的有效补充,是一项具有划时代意义的战略性技术，被认为是“第3次工业革命”的核心技术。作为增材制造重要一环的“金属增材制造”,必将在工业制造领域起到至关重要的作用。通过查阅大量文献,介绍了金属增材制造技术的现状、种类和存在的不足。关键词：金属3D打印；制造业；加工方法增材制造技术（又称3D打印技术）是20世纪80年代提出的一种离散层叠加工技术，是“中国制造2025”战略中最主要的支撑技术之一。金属增材制造是增材制造技术的重要组成部分，是通过原材料能够直接成形为产品的一种技术手段。首先采用三维CAD软件设计出物体的三维模型，再使用切片软件把所设计的物体按照预定的加工参数进行切片，最后通过计算机控制每一层和每一片来实现无缝连接，真正实现所谓的无模具、无夹具加工。金属增材制造技术现已用于众多领域，如航空航天、船舶、医疗器械、汽车等高精尖行业领域。金属增材制造技术主要有电子束选区熔化技术（ElectronBeamSelective,EBSM）、选区激光熔化技术（SelectiveLaserMelting,SLM）、激光近净成形技术（LaserEngineeredNetShaping,LENS）、电弧丝材3D打印技术、低熔点合金油墨3D打印技术等。1金属增材制造技术的研究与应用现状金属增材制造技术起源于20世纪80年代后期的美国，随后传入了日本和欧洲，并于20世纪90年代传入我国。经过20多年的发展，我国取得了突破性发展。据统计，2015年全球金属增材制造同比增长35%，2016年我国金属增材制造同比增长17%。欧美在金属增材制造领域一直处于世界领先地位，而我国还处于跟随阶段。我国现有的多支金属增材制造技术的研究团队。其中华南理工大学、南京航空航天大学、中北大学和华中科技大学主要从事SLM技术的研究，清华大学主要从事EBSM技术的研究，而西北工业大学主要从事LENS技术的研究。在金属增材制造装备领域，华中科技大学先后提出了2套SLM技术的设备，特别是在张海鸥教授的领导下，研发出了“智能微锻造”的3D打印机，使增材制造技术迈上一个新台阶，华南理工大学也先后推出了3款自主研发的机型。另外西安铂力特、湖南华曙高科、广东汉邦激光等公司也逐渐开发出成熟的SLM设备并完成商业化。1.1SLM技术选区激光熔化技术(SLM)最早由德国Fraunhofer研究所在1995年提出，2003年英国MCP公司研制出世界第1台SLM打印机。该技术是通过铺粉辊把金属粉末铺在粉床上，然后激光通过电脑的控制，按照规划好的轨迹，选择性地使金属粉末熔化凝固成所需物体。SLM成形不受所打印零件的形状和尺寸的约束，每层金属衔接好，成品质量高于同等材料的铸造件，而且越来越受到国内外生产制造商的青睐。通过多年的发展，SLM激光束光斑直径可以聚焦到0.10.5mm，致密度接近100%，其性能达到锻件的程度，尺寸精度达到1050µm，表面粗糙度达到2030µm。在国内，华中科技大学、华南理工大学、南京航空航天大学和中北大学的设备硬件部分已达到国际先进水平。1.2EBSM技术EBSM技术统称为铺粉电子束选区熔化技术。与SLM技术相比，主要是热源不同，它的热源为电子。不同于激光，电子是一种看不见、跑不快、有质量、有电荷的粒子，而激光中的光子是一种看得见、跑的快、没质量、没电荷的粒子，这也就是这两种技术的区别。因此，EBSM技术具有打印速度更快、效率更高，可以打印难熔金属等优点。1.3LENS技术LENS是一种被称为航空航天修复神器的技术，该技术是以激光为热源，材料以粉末或丝状直接送入高熔区进行层叠加工的方法。该技术只能制造毛坯，要想得到更高精度的物体，只能通过后期处理。该技术与SLM技术相比，就在于送料的方式不同，一个是事先铺好，一个是直接送过去。1.4新技术目前出现了很多新的金属增材制造技术，比如Arconic公司提出的液体石墨3D打印、大阪钛业推出的新型金属3D打印、ORNL开发的强大的永磁性能的3D打印、电弧丝材3D打印、俄罗斯铝业联合Sauer开发的新型铝金属3D打印等。2存在的问题介绍的上述技术，都是材料的熔化凝结过程。因此在此过程中，微观结构上材料熔化会发生流淌,势必会对加工精度造成影响，而且材料内部的金相组织是否符合要求，都是金属增材制造技术所面临的问题。另外，打印物体表面也无法达到传统加工粗糙度的要求。目前存在的主要问题包括如下。（1）加工物件力学性能不足。3D打印机是将分子等细小颗粒直接形成产品，没有经过热处理，所以很难保证其强度、硬度和韧性等性能。（2）打印尺寸的限制。现已知金属3D打印机的打印范围，很难满足在建筑等大型工业生产中的应用。（3）加工材料的限制。世界上有成千上万种的材料，但可用于3D打印的材料很少。目前以色列object公司可以3D打印的材料最多，包括14种材料和107种混合材料，而且部分还不能用于工业生产。（4）严重缺乏专业人才。目前缺乏增材制造专门人才的培养机制与体制，因此市场上增材制造技术的专门人才严重缺乏，而同时熟悉模具加工等技术的复合型应用人才就更加有限。3结语目前，金属增材制造技术作为世界上先进的制造技术之一，各国都在加大研发力度，均想拔得头筹或分到第一杯羹。我国应该继续加大投入力度，不论该技术是作为新的技术革命，还是传统技术的补充，都应大力支持，攻克难关。在未来应从以下几方面推进。（1）增材制造技术与传统的制造技术相融合。现阶段金属增材制造技术发展迅速，但在与传统技术的结合上仍有所脱节，没能实现与传统工业的良好衔接。（2）高性价比产品的生产。目前的金属增材制造产品，在一定程度上还没有达到预期的产品质量，而且成本较高，生产的产品不能真正得到实际应用。（3）打印产品的尺寸大小问题。增材制造技术成熟之后，生产的产品大小应该不受尺寸的限制，才能实现自由化定制。因此，若能达到上述要求，未来的金属增材制造技术必定能起到促进社会发展的积极作用。作者：程俊廷，常天瑞单位：黑龙江科技大学机械工程学院 上一个文章： 模锻压力机机身结构与刚度分析下一个文章： 电子级多晶硅金属杂质来源分析