3.1增材制造技术概述

增材制造技术概述一、概述1.基本概念增材制造（即AdditiveManufacturing，简称AM）：一种与传统的材料“去除型”加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。一、概述“广义”和“狭义”之说狭义:指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。广义:以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。2.原理与分类实际上在我们的日常生产、生活中类似“增材”的例子很多。例如：机械加工的堆焊、建筑物（楼房、桥梁、水利大坝等）施工中的混凝土浇筑、元宵制法滚汤圆、生日蛋糕与巧克力造型等。2.原理与分类首先将三维CAD模型模拟切成一系列二维的薄片状平面层。然后利用相关设备分别制造各薄片层，与此同时将各薄片层逐层堆积，最终制造出所需的三维零件，如图3-2所示。基本原理增材制造基本原理如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等，如图所示。例如：激光增材制造：通过计算机控制，以高功率或高亮度激光为热源，用激光熔化金属合金粉末或丝材，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生长”，直接制造出任意复杂形状的零件，其实质就是CAD软件驱动下的激光三维熔覆过程，其典型过程如图:图金属零件激光增材制造典型过程电弧增材制造：采用电弧送丝增材制造方法进行每层环形件焊接，即送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，由内至外的环形焊道间依次搭接形成一层环形件；然后焊枪提高一个层厚，重复上述焊接方式再形成另一层环形件，如此往复，最终由若干层环形件叠加形成钛合金结构件。3.技术优势1.AM技术不需要传统的刀具、夹具、模具及多道加工工序。2.AM技术能够满足航空武器等装备研制的低成本、短周期需求。3.AM技术有助于促进设计-生产过程从平面思维向立体思维的转变。4.AM技术能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。5.AM技术特别适合于传统方法无法加工的极端复杂几何结构。6.AM技术非常适合于小批量复杂零件或个性化产品的快速制造。7.AM技术特别适合各种设备备件的生产与制造。3.1.2关键技术增材制造技术的成熟度还远不能同传统的金属切削、铸造、锻造、焊接、粉末冶金等制造技术相比，还有涉及到从科学基础、工程化应用到产业化生产的质量，诸如激光成型专用合金体系、零件的组织与性能控制、应力变形控制、缺陷的检测与控制、先进装备的研发等大量研究工作。1．材料单元的控制技术1.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。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；二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。2．设备的再涂层技术由于再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向的精度和质量，因此，增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序之一。目前，分层厚度向0.01mm发展，而如何控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。3．高效制造技术增材制造正在向大尺寸构件制造技术发展，需要高效、高质量的制造技术支撑。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。3．高效制造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。3．高效制造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。3．高效制造技术增材制造与传统切削制造也可以相结合，提高制造的效率，发展材料累加制造与材料去除制造复合制造技术方法也是发展的方向和关键技术。例如：赫克（Hurco）公司已经开发出一种增材制造适配器，与赫克控制软件相结合，可以把一台数控铣床变成3D打印机。用户可以在同一台机器上完成打印、塑料原型到金属零部件成品的过程，无需反复设置调校，也不用浪费昂贵的金属和原材料制作多个原型，如下图所示。数控铣床结合3D打印4．复合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。应用案例飞机钛合金大型关键构件的传统制造方法是锻造和机械加工。其基本加工流程是先将模具加工出来后，再锻造出大型结构件的毛坯，然后再继续加工各部位的细节，最后成形时几乎90％的材料都被切削、浪费掉了。例如：美国F22战斗机的钛合金整体框，面积5.53平方米，而传统3万吨水压机模锻件只能达到0.8平方米，8万吨也只能能达到4.5平方米。而8万吨水压机的投入就超过10个亿，整个工序下来，耗时费力，总花费会高达几十亿元，光大型模具的加工就要用一年以上的时间。战斗机钛合金整体框的水压机成形模具,如下图所示。应用案例战斗机钛合金整体框的水压机成形模具应用案例而增材制造技术则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过一层层增加材料的方法直接造出任何形状的物体，这不仅缩短产品研制周期、简化产品的制造程序，提高效率，而且大大降低了成本。中国中国尖端战机歼-15、歼-20、“鹘鹰”飞机(歼-31)等的研制均受益于增材制造技术，2012年11月，歼-15舰载机在中国首艘航母“辽宁舰”成功起降，如下图所示。应用案例歼-15与歼-31飞机结束