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技术知识

增材制造技术较传统工艺的优势与关键技术

 一、增材制造技术的简介

       增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除一切削加工技术,是一种“自下而上”的制造方法。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品,其制造的速度作用越显著。

       增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备,目前已有的设备种类达到20多种。该技术一出现就取得了快速发展,在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等多个领域都得到了广泛的应用。其特点是单件或小批量的快速制造,这一技术特点决定了快速成形在产品创新中具有显著的作用。

二、增材制造技术的优势

       2.1设计上的自由度——在机加工、铸造或模塑生产当中,复杂设计的代价高昂,其每项细节都必须通过使用额外的刀具或其它步骤进行制造。相比而言,在增材制造当中,部件的复杂度极少需要或根本无需额外考虑。增材制造可以构建出其它制造工艺所不能实现或无法想像的形状,可以从纯粹考虑功能性的方面来设计部件,而无需考虑与制造相关的限制。

       2.2小批量生产的经济性——增材制造过程无需生产或装配硬模具,且装夹过程用时较短,因此它不存在那些需要通过大批量生产才能抵消的典型的生产成本。增材工艺允许采用非常低的生产批量,包括单件生产,就能达到经济合理的打印生产目的。

       2.3高材料效率——增材制造部件,特别是金属部件,仍然需要进行机加工。增材制造工序经常不能达到关键性部件所要求的最终细节、尺寸和表面光洁度的要求。但是所有近净成形工艺当中,增材制造是净成形水平最高的工艺,其后续机加工所必须切削掉的材料数量是很微量的。

       2.4生产可预测性好——增材制造的构建时间经常可以根据部件设计方案直接预测出来,这意味着生产用时可以预测得很精确。随着增材制造业的拓展,制造商对于自己的制造时间表编制将拥有严密得多的控制力。

       2.5减少装配——对于许多技术成熟的产品来说,这是一项由增材生产工艺所引进的根本性变革的要素。通过增材制造所构建的复杂形状可以一体成形,取代那些目前还需采用众多部件装配而成的产品。这意味着增材工艺所带来的节省效果包括了省去了之前需投入到装配工序的工作量、需涉及的坚固件、钎焊或焊接工序,还有单纯为了装配操作而添加的多余表面形状和材料。

三、关键技术

       增材制造有广阔的发展前景,但也存在巨大的挑战。目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了其实现技术。如:在成形材料上,目前主要是有机高分子材料和金属材料。金属材料直接成形是近十多年的研究热点,正逐渐向工业应用,难点在于如何提高精度。新的研究方向是用增材制造技术直接把软组织材料(生物基质材料和细胞)堆积起来,形成类生命体,经过体外培养和体内培养去制造复杂组织器官。关键技术的研发将有力地推动增材技术的发展。

       3.1 精度控制技术

       增材制造的精度取决于材料增加的层厚和增材单元的尺寸和精度控制。增材制造与切削制造的最大不同是材料需要一个逐层累加的系统,因此再涂层(recoating)是材料累加的必要工序,再涂层的厚度直接决定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度,增材单元的控制直接决定了制件的最小特征制造能力和制件精度。现有的增材制造方法中,多采用激光束或电子束在材料上逐点形成增材单元进行材料累加制造,如:金属直接成形中,激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制,直接影响制造精度和制件性能。激光光斑在0.1~0.2mm,激光作用于金属粉末,金属粉末熔化形成的熔池对成形精度有着重要影响。通过激光或电子束光斑直径、成形工艺(扫描速度、能量密度)、材料性能的协调,有效控制增材单元尺寸是提高制件精度的关键技术。 随着激光、电子束及光投影技术的发展,未来将发展两个关键技术:一是金属直接制造中控制激光光斑更细小,逐点扫描方式使增材单元能达到微纳米级,提高制件精度;另一个方向是光固化成形技术的平面投影技术,投影控制单元随着液晶技术的发展,分辨率逐步提高,增材单元更小,可实现高精度和高效率制造。发展目标是实现增材层厚和增材单元尺寸减小10~100倍,从现有的0.1mm级向0.01~0.001mm发展,制造精度达到微纳米级。

       3.2 高效制造技术

       增材制造在向大尺寸构件制造方向发展,如金属激光直接制造飞机上的钛合金框粱结构件,框粱结构件长度可达6m,目前制作时间过长,如何实现多激光束同步制造、提高制造效率、保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的关键技术。此外,为提高效率,增材制造与传统切削制造结合,发展增材制造与材料去除制造的复合制造技术是提高制造效率的关键技术。

       为实现大尺寸零件的高效制造,发展增材制造多加工单元的集成技术。如:对于大尺寸金属零件,采用多激光束(4~6个激光源)同步加工,提高制造效率,成形效率提高10倍。对于大尺寸零件,研究增材制造与切削制造结合的复合关键技术,发挥各工艺方法的其优势,提高制造效率。发展目标是:增材制造零件尺寸达到20m,制件效率提高10倍。形成增材制造与传统切削加工结合,使复杂金属零件的高效高精度制造技术在工业生产上得到广泛应用。

       3.3 复合材料零件增材制造技术

       现阶段增材制造主要是制造单一材料的零件,如单一高分子材料和单一金属材料,目前正在向单一陶瓷材料发展。随着零件性能要求的提高,复合材料或梯度材料零件成为迫切需要发展的产品。如:人工关节未来需要Ti合金和CoCrMo合金的复合,既要保证人工关节具有良好的耐磨界面(CoCrMo合金保证),又要与骨组织有良好的生物相容界面(Ti合金),这就需要制造的人工关节具有复合材料结构。由于增材制造具有微量单元的堆积过程,每个堆积单元可通过不断变化材料实现一个零件中不同材料的复合,实现控形和控性的制造。

       未来将发展多材料的增材制造,多材料组织之间在成形过程中的同步性是关键技术。如:不同材料如何控制相近的温度范围进行物理或化学转变,如何控制增材单元的尺寸和增材层的厚度。这种材料的复合,包括金属与陶瓷的复合、多种金属的复合、细胞与生物材料的复合,为实现宏观结构与微观组织一体化制造提供新的技术。发展目标是:实现不同材料在微小制造单元的复合,达到陶瓷与金属成份的主动控制,实现生命体单元的受控成形与微结构制造,从结构自由成形向结构与性能可控成形方向发展。


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