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技術知識

增材制造技術較傳統工藝的優勢與關鍵技術

 一、增材制造技術的簡介

       增材制造(Additive Manufacturing,AM)技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術,相對于傳統的材料去除一切削加工技術,是一種“自下而上”的制造方法。這一技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序,在一臺設備上可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件,從而實現“自由制造”,解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形,并大大減少了加工工序,縮短了加工周期。而且越是復雜結構的產品,其制造的速度作用越顯著。

       增材制造原理與不同的材料和工藝結合形成了許多增材制造設備,目前已有的設備種類達到20多種。該技術一出現就取得了快速發展,在消費電子產品、汽車、航天航空、醫療、軍工、地理信息、藝術設計等多個領域都得到了廣泛的應用。其特點是單件或小批量的快速制造,這一技術特點決定了快速成形在產品創新中具有顯著的作用。

二、增材制造技術的優勢

       2.1設計上的自由度——在機加工、鑄造或模塑生產當中,復雜設計的代價高昂,其每項細節都必須通過使用額外的刀具或其它步驟進行制造。相比而言,在增材制造當中,部件的復雜度極少需要或根本無需額外考慮。增材制造可以構建出其它制造工藝所不能實現或無法想像的形狀,可以從純粹考慮功能性的方面來設計部件,而無需考慮與制造相關的限制。

       2.2小批量生產的經濟性——增材制造過程無需生產或裝配硬模具,且裝夾過程用時較短,因此它不存在那些需要通過大批量生產才能抵消的典型的生產成本。增材工藝允許采用非常低的生產批量,包括單件生產,就能達到經濟合理的打印生產目的。

       2.3高材料效率——增材制造部件,特別是金屬部件,仍然需要進行機加工。增材制造工序經常不能達到關鍵性部件所要求的最終細節、尺寸和表面光潔度的要求。但是所有近凈成形工藝當中,增材制造是凈成形水平最高的工藝,其后續機加工所必須切削掉的材料數量是很微量的。

       2.4生產可預測性好——增材制造的構建時間經常可以根據部件設計方案直接預測出來,這意味著生產用時可以預測得很精確。隨著增材制造業的拓展,制造商對于自己的制造時間表編制將擁有嚴密得多的控制力。

       2.5減少裝配——對于許多技術成熟的產品來說,這是一項由增材生產工藝所引進的根本性變革的要素。通過增材制造所構建的復雜形狀可以一體成形,取代那些目前還需采用眾多部件裝配而成的產品。這意味著增材工藝所帶來的節省效果包括了省去了之前需投入到裝配工序的工作量、需涉及的堅固件、釬焊或焊接工序,還有單純為了裝配操作而添加的多余表面形狀和材料。

三、關鍵技術

       增材制造有廣闊的發展前景,但也存在巨大的挑戰。目前最大的難題是材料的物理與化學性能制約了其實現技術。如:在成形材料上,目前主要是有機高分子材料和金屬材料。金屬材料直接成形是近十多年的研究熱點,正逐漸向工業應用,難點在于如何提高精度。新的研究方向是用增材制造技術直接把軟組織材料(生物基質材料和細胞)堆積起來,形成類生命體,經過體外培養和體內培養去制造復雜組織器官。關鍵技術的研發將有力地推動增材技術的發展。

       3.1 精度控制技術

       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。增材制造與切削制造的最大不同是材料需要一個逐層累加的系統,因此再涂層(recoating)是材料累加的必要工序,再涂層的厚度直接決定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度,增材單元的控制直接決定了制件的最小特征制造能力和制件精度。現有的增材制造方法中,多采用激光束或電子束在材料上逐點形成增材單元進行材料累加制造,如:金屬直接成形中,激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控制,直接影響制造精度和制件性能。激光光斑在0.1~0.2mm,激光作用于金屬粉末,金屬粉末熔化形成的熔池對成形精度有著重要影響。通過激光或電子束光斑直徑、成形工藝(掃描速度、能量密度)、材料性能的協調,有效控制增材單元尺寸是提高制件精度的關鍵技術。 隨著激光、電子束及光投影技術的發展,未來將發展兩個關鍵技術: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;另一個方向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展,分辨率逐步提高,增材單元更小,可實現高精度和高效率制造。發展目標是實現增材層厚和增材單元尺寸減小10~100倍,從現有的0.1mm級向0.01~0.001mm發展,制造精度達到微納米級。

       3.2 高效制造技術

       增材制造在向大尺寸構件制造方向發展,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域質量是發展的關鍵技術。此外,為提高效率,增材制造與傳統切削制造結合,發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。

       為實現大尺寸零件的高效制造,發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,發揮各工藝方法的其優勢,提高制造效率。發展目標是:增材制造零件尺寸達到20m,制件效率提高10倍。形成增材制造與傳統切削加工結合,使復雜金屬零件的高效高精度制造技術在工業生產上得到廣泛應用。

       3.3 復合材料零件增材制造技術

       現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展的產品。如:人工關節未來需要Ti合金和CoCrMo合金的復合,既要保證人工關節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一個零件中不同材料的復合,實現控形和控性的制造。

       未來將發展多材料的增材制造,多材料組織之間在成形過程中的同步性是關鍵技術。如:不同材料如何控制相近的溫度范圍進行物理或化學轉變,如何控制增材單元的尺寸和增材層的厚度。這種材料的復合,包括金屬與陶瓷的復合、多種金屬的復合、細胞與生物材料的復合,為實現宏觀結構與微觀組織一體化制造提供新的技術。發展目標是:實現不同材料在微小制造單元的復合,達到陶瓷與金屬成份的主動控制,實現生命體單元的受控成形與微結構制造,從結構自由成形向結構與性能可控成形方向發展。


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