增材制造技术发展

科普中国网 2016-06-06

　　计算机增材制造技术，俗称3D打印技术，是一种基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的加工技术。相对于传统的材料切、削、磨等加工技术（被称为减材制造），增材制造是一种“自下而上”的制造方法。

　　采用增材制造技术制作的铝合金水泵转子

　　增材制造设备与现代微机技术紧密相关，它由零件的三维数据驱动，设备接受三维数据之后，转换为加工步骤，从而直接制造零件。同时随着计算机软硬件技术的发展，增材制造技术内涵仍在不断深化，类型也不断扩展。当前增材制造技术主要有以下几种实现途径：

　　1、光固化打印，这是采用紫外线在液态光敏树脂表面进行扫描，每次生成一定厚度的薄层，从底部逐层生成物体。光固化打印的优点是原材料的利用率高（接近100%），尺寸精度高，表面质量优良，可用于制作结构复杂的模型，并且打印设备尺寸、重量较小，缺点是原材料种类有限。

　　2、选择性激光烧结打印，即采用高功率的激光，对粉末加热使其烧结成型。选择性激光烧结工艺的优点是材料范围广，除可烧结塑料、尼龙。聚碳酸酯等非金属材料，还可打印金属材料，且打印时无需支撑，打印的零件机械性能好、强度高。缺点是粉末状材料比较松散，打印精度较难控制，且打印设备价格昂贵。

　　3、熔融沉积打印是采用热融喷头，使塑性材料熔化后从喷头内挤压而出，并沉积在指定位置固化成型。即类似于“挤牙膏”的过程。这种打印方式价格低廉、体积小、操作难度相对较小，适合于家用和办公室打印，缺点是成型件表面有明显的条纹，产品层间的结合强度低、反应速度慢。

　　4、3D打印，这是采用类似喷墨打印机喷头的工作方式，这种工艺与选择性激光烧结十分类似，只是将激光烧结过程改为喷头粘连，光栅扫描器改为粘接剂喷头。3D打印的优点是打印速度快、成本较低，缺点是打印出来的产品机械强度不高。

　　增材制造技术实用化之后，迅速被运用于多个领域。在军事领域，增材制造技术首先在航空航天领域得到应用，随后开始向海军装备制造领域推广。目前，增材制造技术的使用方向主要有：

　　小型关键零件的制造，尤其是传感器的制造，可利用电子束熔化处理合金后逐层烧结，以获得传感器基本结构，兼顾性能和制造成本。

　　光固化打印增材制造过程

　　增材制造技术还可用于复杂模具与设计模型的制造。采用三维喷墨打印技术，只需要设计出待打印样品的三维CAD文件，使产品从设计到制作完成时间从原来的25周缩短到10周。

　　用于军事装备的修复。这是当前增材制造技术的一个重点发展方向。增材制造技术可用于加工制造过程中误加工损伤零件的快速修复，以及装备服役过程中失效零部件的快速修复。零件的修复包括几何性能和力学性能恢复，使用增材制造技术补完后，再经少量的后续加工，即可使零件达到可使用的程度，实现零件的高效率低成本再制造。在航空领域，这种技术可以使作战飞机和装备可以在机场就地快速修复，在舰船领域，这种技术可以对舰艇巡航的装备提供更多保障。

　　当前，利用增材技术进行装备修复，还需要克服一系列技术难题，如激光/电弧/等离子直接沉积修复过程关键因素的检测与闭环控制、直接修复金属零件的尺寸精度和形状精度控制、直接修复/选区修复专用材料合金体系设计等。

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