增材制造研究及其發(fā)展趨勢(shì)

王久軍，孟威

(安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243000)

1 增材制造國(guó)內(nèi)外研究歷程

1.1 國(guó)外研究歷程

90世紀(jì)末至20世紀(jì)中葉屬于起步時(shí)期。J.E.Blan-ther在美國(guó)申請(qǐng)的專利引出了對(duì)分層制造方法的研究的開(kāi)端。1986年Michael Feygin成功研制出了分層實(shí)體制造(Laminated Object Manufacturing LOM)技術(shù)。如圖1.1所示為L(zhǎng)OM的工作示意圖[1]，工藝原理是根據(jù)所加工產(chǎn)品部件的構(gòu)造形式進(jìn)行切割分層，然后將所得到的層片黏結(jié)成立體實(shí)體。其工藝進(jìn)程是首先鋪一層材料，如透明塑料薄膜，白紙等，接著用激光在計(jì)算機(jī)分析下切出本層外觀形狀，多余的部分給與去除。當(dāng)本層加工完成后，再鋪一層與之前相同的材料，用滾子機(jī)壓實(shí)在并加熱，以達(dá)到固化黏結(jié)劑的效果，使新鋪的一層能夠牢固地與已成型體結(jié)合，重復(fù)上一步驟，如此往復(fù)直到得到所要加工的產(chǎn)品為止，把多余的廢料切掉得到所需的零件。具有工作過(guò)程穩(wěn)定、模型不易變形、代價(jià)低、效益效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是不足之處是不能生產(chǎn)帶有中空結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，且因其工藝材料的限制，產(chǎn)品質(zhì)量性能方面沒(méi)有多大改進(jìn)，所以漸漸被大家所淘汰。

圖1.1 LOM工作示意圖

20世紀(jì)中下葉到20世紀(jì)末是快速成型技術(shù)大力發(fā)展的時(shí)期。1988年,美國(guó)3D Systems公司首次研制成商用快速成型機(jī)立體光刻SLA-1(SLA-Stereolithogra-phy Apparatus)機(jī)，為目前增材制造的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。伊曼紐爾·薩發(fā)明三維打印(3DP)工藝，將產(chǎn)品的截面輪廓“噴涂”在材料粉末上面，通過(guò)逐層加工以得到該產(chǎn)品[2]。

1989年美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校提出選擇性激光選區(qū)燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)，如圖1.2大致展示了其工作過(guò)程。該工藝較常使用的加工材料有塑料、陶瓷，金屬等粉末。其工藝步驟是先在工作臺(tái)上噴涂一層材料粉末，利用計(jì)算機(jī)調(diào)制使激光束選擇性地?zé)Y(jié)，被燒結(jié)的部分便結(jié)合在一起成為零件的實(shí)心部分。重復(fù)上述步驟，這樣每一層便可牢牢地?zé)Y(jié)在一起。加工完成后，把多余從材料除去，以得到燒結(jié)成的零件。該工藝的特點(diǎn)是可以選用的材料較廣，既可加工金屬零件，又可制造塑料、陶瓷，蠟等的零件。該技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)將立體數(shù)模處理成薄層切片數(shù)據(jù)，然后切片圖形把數(shù)據(jù)傳輸給激光控制系統(tǒng)。激光束以照得到的數(shù)據(jù)對(duì)圖形進(jìn)行掃描并燒結(jié)，形成產(chǎn)品層層形貌。通過(guò)該手段得到的產(chǎn)品強(qiáng)度接近相應(yīng)的注塑工藝得到的產(chǎn)品強(qiáng)度[3]。

圖1.2 SLS示意圖

1988年，美國(guó)Stratasys公司首次提出熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)，工作過(guò)程如圖1.3所示。熔融沉積成型也有研究者稱為熔融擠出成型。工藝步驟是以熱塑料材料絲分為材料，并經(jīng)加熱器擠壓頭熔化成液體，再利用計(jì)算機(jī)調(diào)制擠壓頭沿零件的每一層輪廓精確運(yùn)動(dòng)，使熔化的材料通過(guò)噴嘴擠出，覆蓋于已加工部分之上，同時(shí)要迅速固化，得到新一層;而后使擠壓頭沿軸向向上移動(dòng)一小段位移重復(fù)上面的過(guò)程，這樣便得到一個(gè)實(shí)體模型或零件。該工藝具有可行性強(qiáng)、成本低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，且環(huán)保。

20世紀(jì)末到現(xiàn)在為直接增材制造時(shí)期。著重突破了金屬材料的成型，主要有LSF和SLM，即同步材料送進(jìn)成形和粉末床選區(qū)熔化成形。

2013年2月Massachusetts institute of technology研制成功四維打印技術(shù)(Four Dimensional Printing,4 DP)，即4D打印技術(shù)。不通過(guò)打印設(shè)備直接將材料成型的新技術(shù)。其在3D打印的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間這一維度?？梢园凑招枰獦?gòu)建產(chǎn)品模型和時(shí)間，會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的形狀。關(guān)鍵技術(shù)是記憶合金材料的研制。同年，美國(guó)康奈爾大學(xué)利用該技術(shù)生產(chǎn)出了可造人體器官。

圖1.3 FDM 示意圖

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、湖南華曙高科技有限責(zé)任公司、中國(guó)工程物理研究院等高校、研究構(gòu)開(kāi)展了對(duì)其的研究[4]:如華中科技大學(xué)研究了LOM加工機(jī)理，在成形機(jī)和成形材料取得一系列成績(jī);清華大學(xué)則開(kāi)展了對(duì)基于SL加工工藝的模具研究;西安交通大學(xué)自主研發(fā)了金屬噴涂技術(shù)與設(shè)備，可制造出極薄(最薄0.8mm)的葉片原型，以及紫外光固化快速成型機(jī)系列。西北工業(yè)大學(xué)教授黃衛(wèi)東自1995年開(kāi)始，在國(guó)內(nèi)創(chuàng)造性地提出“激光立體成形”，研制第一臺(tái)商用化裝備，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)的先河。北京航空制造工程研究所的關(guān)橋院士提出航空特種焊接及連接技術(shù)與廣義增材制造的理念。強(qiáng)調(diào)其使用的能源和材料將更廣泛。北京航空航天大學(xué)的教授學(xué)者王華明研制的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光束成形技術(shù)”獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

2 增材制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 高能束流增材制造技術(shù)

2.1.1 等離子增材制造技術(shù)

等離子弧的產(chǎn)生受到噴嘴孔徑的限制，電弧的直徑和鎢極氫弧、熔化極相比要小許多，線能量大，重要的應(yīng)用方式有熔透型等離子弧焊、穿孔型等離子弧焊。主要用于一些對(duì)焊接質(zhì)量要求較高的精確焊接場(chǎng)所。

徐富家[5]在博士論文中研究了Incone1625合金等離子弧快速成形組織控制及工藝優(yōu)化。文中以脈沖等離子弧快速成形技術(shù)為研究對(duì)象，以Incone1625合金為加工原料，解析了參數(shù)工藝的設(shè)置、熔融方式、熔積路徑以及熱處理方式對(duì)試樣成形組織及性能的影響。

F.Martina[6]等采用冷填絲等離子弧進(jìn)行了Ti6A14V的沉積成形試驗(yàn)研究。

由于冷填絲等離子弧沉積工藝中，送絲機(jī)構(gòu)獨(dú)立于電弧系統(tǒng)，因此在工藝參數(shù)中，焊接電流、沉積速度、送絲速度所構(gòu)成的工藝參數(shù)窗口是一個(gè)三維立體形狀。如圖2.1，其采用析因試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了工藝參數(shù)對(duì)有效壁厚及表面波動(dòng)的影響;分析了直壁件中不同層的顯微組織轉(zhuǎn)變機(jī)理，其指出沉積層的組織構(gòu)成不同是因?yàn)槭艿降臒嵫h(huán)不一樣，而不是許多學(xué)者理解的冷卻速度不一樣，且主要受第一個(gè)低于β晶轉(zhuǎn)變溫度的熱循環(huán)的影響。

圖2.1 等離子弧添加制造工藝參數(shù)窗口

2.1.2 激光束增材制造技術(shù)

美國(guó)Sandia國(guó)立實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用激光工程化近凈成形技術(shù)[7](Laser Engineering Net Shaping LENS)根據(jù)CAD實(shí)體模型獲取主要幾何外形，然后用激光束熔化選區(qū)金屬粉末，按運(yùn)動(dòng)軌跡使熔化粉末逐層層層疊加，最終形成復(fù)雜零部件。Sandia實(shí)驗(yàn)室對(duì)多種金屬材料的LENS成形工藝進(jìn)行了研討，如316不銹鋼、625鎳基合金等，獲得結(jié)論是激光增材制造的成形件在塑性沒(méi)有太大變化的情況下強(qiáng)度和鍛造件相比明顯提高。

美國(guó)密歇根大學(xué)的Mazumde等人[8]為了使其市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化，開(kāi)發(fā)研制了直接沉積金屬技術(shù)設(shè)備(Direct Metal Deposition DMD)，它集成了激光發(fā)射器、數(shù)控操作平臺(tái)、圖像處理傳感器、溫度感應(yīng)器及一些立體圖形軟件在內(nèi)的多項(xiàng)技術(shù)，可以提高產(chǎn)品的組織性能和精度。

陳靜[9]等以45鋼、1Crl8Ni9Ti為基板進(jìn)行Ni基合金粉末和316不銹鋼粉末的激光多層熔覆試驗(yàn)，研究了熔覆層中出現(xiàn)的裂紋問(wèn)題，研究結(jié)果表明Ni基粉末熔覆層中出現(xiàn)的為冷裂紋，而316不銹鋼中的出現(xiàn)的裂紋為熱裂紋，指出Ni基層中產(chǎn)生裂紋主要與硼化物和硅化物在基體中的彌散分布，明顯減小基體的延展性所致;而316不銹鋼中裂紋的產(chǎn)生主要與奧氏體熱物理性能及熔覆冶金過(guò)程中低熔點(diǎn)共晶液膜的形成有關(guān)。

德國(guó)Erhard Brandl[10]等人研究了送絲式激光增材制造成型的Ti6A14V欽合金塊體的形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分和硬度。試驗(yàn)中考慮了兩種不同的焊接參數(shù)和三種不同的熱處理方法，揭示了激光增材制造的鈦合金在不同焊接參數(shù)和熱處理?xiàng)l件下的基本特征。

北京有色金屬研究總院的張永忠等[11]從1998年開(kāi)始了激光直接成形工藝的研究，以不銹鋼、銅合金、鎳基高溫合金及復(fù)合粉末為熔敷材料開(kāi)展了激光增材制造工藝。

2.1.3 電子束增材制造技術(shù)

清華大學(xué)郭超，林峰等人[12]以316L不銹鋼粉末為材料，研究粉末熔化階段電子束功率大小、掃描形式等工藝參數(shù)對(duì)成形件上表層粗糙度的影響。大膽提出電子束功率漸增、多次掃描的方式。

北京科技大學(xué)的林均品，閹文斌等人[13]運(yùn)用調(diào)整EBM過(guò)程中的各工藝參數(shù)的手段，例如片層厚度、熔煉溫度、掃描速率、線能量和構(gòu)建路徑等參數(shù)，獲得了致密并且無(wú)大量A1損失的較好樣品。

2.2 電弧增材制造技術(shù)

運(yùn)用電弧增材制造技術(shù)加工的產(chǎn)品的表面組成是以全焊縫的方式，其組織均勻、致緊奏性強(qiáng)，與鍛造件相比具有較高地強(qiáng)度、及韌性等優(yōu)點(diǎn)。在加工的過(guò)程中，通過(guò)多次加熱，淬火以及回火，在一定程度上解決了大型鑄鍛件所具有的問(wèn)題，如易淬透、宏觀偏析、長(zhǎng)度和直徑方向上強(qiáng)韌性不一致等[14]。目前，世界范圍內(nèi)多數(shù)科研機(jī)構(gòu)都對(duì)電弧增材制造技術(shù)進(jìn)行研究。該技術(shù)采用的焊接熱源主要包括傳統(tǒng)熔化極氣體保護(hù)焊和鎢極氫弧焊，即GMAW、TIG等。

2.2.1 MIG電弧增材制造技術(shù)

1993年,J.D.Spencer[15]等第一次提出了以GMAW為原理的立體焊接成形(Three dimensional welding)方法，并以此焊接方法制造金屬模具，明顯地提高了傳統(tǒng)鑄造模具的生產(chǎn)效益。

Panagiotis Kazanas[16]等運(yùn)用冷金屬過(guò)渡焊(Cold Metal Transfer CMT)全方位地焊接方式進(jìn)行任意角度的薄壁墻體的添加成形，如圖2.2(a)所示，堆疊采用交錯(cuò)送給方式。其研究著重于全位置堆疊加工件傾斜角度的適應(yīng)性，進(jìn)行了0°～90°傾角范圍的墻體堆疊，并以表面波動(dòng)量(SW)和為有效厚度(EWT)成形表征量，表征量的定義見(jiàn)圖2.2(b)。由該研究得到運(yùn)用CMT全位置焊接方式進(jìn)行任意形狀構(gòu)件的添加制造在工藝上具有可操作性，且因?yàn)槿恢枚询B，可緩解一些大型構(gòu)件的添加制作過(guò)程中對(duì)變位裝置的依賴程度。

圖2.2

2.2.2 TIG電弧增材制造技術(shù)

該成形方法的技術(shù)基礎(chǔ)即為冷填絲鎢極氫弧多層多道焊，由穩(wěn)定的鎢極氫弧提供電弧熔化熱配合獨(dú)立于焊接設(shè)備的同步不斷送進(jìn)的焊接材料，形成具有一定幾何尺寸的致密的單層焊縫，層層堆疊，形成一定幾何形狀的構(gòu)件。

Hui jun Wang[17]等采用變極性鎢極氫弧(VP-GTAW)進(jìn)行了4043鋁合金的添加制造成形試驗(yàn)研究。主要研究了電流、堆疊速度和送絲速度對(duì)單道疊層幾何尺寸的影響、不同堆疊層數(shù)之間的成形對(duì)比及筒體件的堆疊制造和組織分析，建立了工藝參數(shù)與單層成形的關(guān)系模型，分析了筒體件沿沉積方向上的組織變化，指出組織的轉(zhuǎn)變的差異性源于隨著高度增加，散熱條件變得較為苛刻，組織沿?zé)崃鲾U(kuò)散速度最快方向生長(zhǎng)傾向性變強(qiáng)。

3 增材制造器材及其發(fā)展趨勢(shì)

3.1 增材制造器材

增材制造器材是實(shí)現(xiàn)增材制造的決定性因素。增材制造的效率是制約其在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用發(fā)展的瓶頸，精度是阻礙應(yīng)用的最大障礙。SLS設(shè)備制造商的制造商是EOS公司，該公司在全世界是有較大規(guī)模的。一直從事于3D打印技術(shù)研究的公司較多，其中3D Systems公司較為突出，主要生產(chǎn)相關(guān)的打印設(shè)備。為SLS提高服務(wù)的供應(yīng)商是世界較具規(guī)模的大公司-Harvest Technology 和Solid Concepts兩大公司。我國(guó)的湖南華曙高科技有限責(zé)任公司(Hunan Farsoon High-Technology Co.,Ltd)也成功研制出中國(guó)首臺(tái)高端選區(qū)激光尼龍燒結(jié)設(shè)備。世界各國(guó)增材制造設(shè)備及精度如圖3.1所示[18]。

圖3.1 世界各國(guó)增材制造設(shè)備及精度

但是目前增材制造技術(shù)主要處于研究階段，還不能投入工業(yè)批量地生產(chǎn)，究其原因是在批量生產(chǎn)過(guò)程中成本高、產(chǎn)率低，質(zhì)量不能保證等。國(guó)內(nèi)有譚華等認(rèn)為激光成形過(guò)程中影響因素對(duì)成形過(guò)程的作用最終決定激光快速成形過(guò)程的穩(wěn)定和成形質(zhì)量[19]、Lewis G K建立了熔池溫度的閉環(huán)控制系統(tǒng)[20]，清華大學(xué)研究加工過(guò)程溫度的閉環(huán)控制[21]技術(shù)。不過(guò)研究成果還需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步驗(yàn)證，才能得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

3.2 增材制造發(fā)展趨勢(shì)

前年第二季度處成立了全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)；研究制訂增材制造工藝、裝備、材料、數(shù)據(jù)接口，產(chǎn)品質(zhì)量控制與性能評(píng)價(jià)等行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)和第三方檢測(cè)認(rèn)證，促進(jìn)增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。同年10月中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，同年12月國(guó)家批準(zhǔn)籌建國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心和國(guó)家增材制造質(zhì)量檢驗(yàn)中心。2017年12月13日，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、教育部、公安部、財(cái)政部、商務(wù)部、文化部、衛(wèi)生計(jì)生部、海關(guān)總署、質(zhì)檢總局及知識(shí)產(chǎn)權(quán)局等十二部門(mén)聯(lián)合發(fā)布了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2017-2020)》此外，北京市、陜西省、遼寧省、福建省、湖北省，黑龍江省等地也紛紛出臺(tái)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)意見(jiàn)，指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展。隨著社會(huì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前環(huán)境和能源是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主要因素。如果在增材制造產(chǎn)業(yè)方面取得有效成果和突破，將對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要推進(jìn)作用，為實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供保證。

增材制造被看作是第三次工業(yè)革命的標(biāo)志，因其優(yōu)點(diǎn)有：加工過(guò)程可塑性強(qiáng)，且不用開(kāi)發(fā)模具效率高；質(zhì)量可以得到保證等；實(shí)現(xiàn)智能化，節(jié)約化制造；產(chǎn)品的力學(xué)性能和化學(xué)性能較突出;材料的比配，產(chǎn)品的外觀和復(fù)雜程度在加工過(guò)程中難度影響很??；可以進(jìn)一步降低加工成本。目前在高要求、批量小、反映快的產(chǎn)品生產(chǎn)市場(chǎng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，未來(lái)在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力中也會(huì)逐漸增強(qiáng)。目前在金屬零件立體修復(fù)技術(shù)中，較超的要數(shù)激光立體成形技術(shù)，對(duì)于再制造提高一個(gè)保障。作為世界制造大國(guó)，我國(guó)應(yīng)大力開(kāi)發(fā)和研究發(fā)展增材制造器材裝備，滿足人民生活需要和提升我國(guó)的科技創(chuàng)新能力，能夠較徹底的克服難加工材料這一難關(guān)，以及在設(shè)備器材的再制造和修復(fù)難題上取得成績(jī)，對(duì)航空航天方面有有所突破，可以制造出復(fù)雜形狀的零件，推進(jìn)航空航天事業(yè)的發(fā)展。