增材制造技術，也稱3D打印技術，是一種采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，由于具有成形速度快、材料利用率高、生產(chǎn)周期短與數(shù)字化程度高等特點，近20年來成為各國科學家研究的熱點。隨著激光技術、計算機技術、CAD/CAM等技術的快速發(fā)展，增材制造技術在航空航天、汽車生產(chǎn)、生物制造、建筑設計等諸多工程領域得到了廣泛的應用。介紹了增材制造技術的主要分類、工作原理、應用領域及其國內外研究現(xiàn)狀，總結了各類關鍵技術所面臨的問題，并討論了其未來發(fā)展趨勢。

        2 增材制造關鍵技術方法及其進展

    增材制造技術，不同于傳統(tǒng)的制造技術對材料進行變形和切除，而是采用分層疊加的方式將材料逐層添加制造三維零部件的數(shù)字化制造新技術。增材制造技術有多種分類，根據(jù)材料的不同，可分為金屬絲材、金屬粉末和非金屬材料，根據(jù)熱源分類有激光、電子束、等離字弧、電弧等，根據(jù)增材的形式又可分為鋪粉、送粉和送絲方式。表1為當前存在的幾種增材制造技術分類，比較成熟的有以下幾種技術。

    表1 增材制造技術分類

    2.1 選擇性激光熔化技術

    選擇性激光熔化技術(Selective Laser Melting，簡稱SLM) 是激光快速成形制造領域中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g之一，其利用高功率密度的激光束直接熔化金屬粉末，獲得具有冶金結合、相對密度接近100%、結構復雜、尺寸精度高的金屬零件。該技術可以追溯到20世紀80年代，其工作原理示意圖如圖10所示。

    圖10 選擇性激光熔化技術原理圖

    根據(jù)成形件的三維CAD模型的分層切片信息，掃描系統(tǒng)控制激光束作用于帶成形區(qū)域內的粉末，一層掃描完成后，金屬基板下降一個層厚高度，為熔化的粉末作為支撐，接著送粉系統(tǒng)輸送一定量的粉末，鋪粉輥鋪展一層厚的粉末沉積于已成形層之上。然后，重復上述兩個成形過程，直至零件成形。

    SLM工藝能將CAD模型直接制成終端金屬產(chǎn)品，只需要簡單的后處理或表面處理工藝，使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束加工金屬，使得加工出來的金屬零件具有很高的尺寸精度(達0.1mm) 以及很好的表面粗糙度值，成型金屬零件相對致密度幾乎能達到100%，機械性能優(yōu)良，與鍛造相當。但在零件成形過程中，激光功率、掃描速度、鋪粉厚度等重要工藝參數(shù)對單層激光熔化質量有較大影響，參數(shù)設置不當會引起加工零件的球化效應、翹曲變形及裂紋等缺陷。

    2.2 激光熔覆制造技術

    激光熔覆技術(Laser Engineering Net Shaping，簡稱LENS) 是在高能激光束作用下，將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速融化，光束移開后自激冷卻的一種表面強化方法，它適用于各類金屬的表面改性和修復。此技術由GNANAMUTHU于1974年首次提出，隨后美國的AVCO和METCO公司做了大量基礎研究工作。激光熔覆制造技術的關鍵技術包括: 精密高質量同軸送粉熔覆系統(tǒng)； 激光熔覆的工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性； 激光熔覆過程的檢測與閉環(huán)控制。其工作原理如圖11所示，利用高能激光束在金屬基體上形成熔池，通過送粉裝置和噴嘴輸送來的金屬粉末快速熔化，金屬粉末或涂層快速凝固后，在基材表面形成無裂紋和氣孔的冶金結合層。

    圖11 激光熔覆技術原理圖

    與噴涂、電鍍和堆焊等其他表面強化方法比，激光熔覆成形技術具有涂層與基體界面為完全冶金結合、結合強度高、局部表層對基體的熱影響小、熔覆層晶粒細小且均勻分布、高能激光束在基體作用時間短等優(yōu)點，但也存在在激光熔覆中會出現(xiàn)某些類似于焊接過程中的冶金缺陷問題，如氣孔、變形、成分偏析、裂紋等。

    2.3 熔融沉積成形技術

    熔絲沉積(Fused Deposition Modeling， 簡稱FDM)又叫熔融沉積，它是將絲狀的熱熔性材料(如ABS)加熱熔化，通過一個帶有微細噴嘴的擠出頭擠噴出來。擠出頭與熱床的X軸和Y軸作相對運動，如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而剛成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面黏接在一起。一個層面沉積完成后，工作臺與擠出頭的距離按照預定的增量增加一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型。

    作為3D打印裝備技術兩大發(fā)展方向之一的桌面3D，已實現(xiàn)了設計、制造、使用個人化，使得每個人都可以進行數(shù)字化創(chuàng)作，相關產(chǎn)品如圖12所示。

    圖12 市場上銷售的3D打印機

    2.4 光固化立體造形技術

    光固化立體成形技術(StereoLithography Apparatus，簡稱SLA) 的原材料為液態(tài)光敏樹脂，在一定波長和一定強度的紫外激光照射下液態(tài)光敏樹脂會引發(fā)聚合反應，紫外激光會沿著零件各分層截面輪廓，對液態(tài)樹脂進行逐點掃描。被掃描到的樹脂薄層會產(chǎn)生聚合反應，由點逐漸形成線，最終形成零件的一個薄層的固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來的液態(tài)。其工藝原理如圖13所示。

    圖13 光固化立體造形技術原理圖

    光固化成形的制作精度和成形材料的性能成本，一直是該技術領域研究的熱點。目前，很多研究者通過對成形參數(shù)、成形方式、材料固化等方面分析各種影響成型精度的因素，提出了很多提高光固化原型的制作精度的方法，如掃描線重疊區(qū)域固化工藝、改進的二次曝光法、研究開發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片法、在制件加工之前對工藝參數(shù)進行優(yōu)化等，這些工藝方法都可以減小零件的變形、降低殘余應力，提高原型的制作精度。

    3 發(fā)展趨勢

    目前，增材制造技術得到了較快的發(fā)展，實現(xiàn)了實體零部件的直接制造，但仍面臨一些技術瓶頸問題和關鍵科學問題，技術瓶頸問題主要有制造效率與精度低、性能尚難滿足要求、設計理論與方法不完善，以及增材制造原材料少等問題。對比增材制造的精度與傳統(tǒng)的減材制造方法有較大的差距，這主要是由于對于增材制造技術，尺寸精度的檢測極具挑戰(zhàn)性，且無法法用生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)測。關鍵科學問題主要為一些原理與機制研究不完善，如激光能量高效率利用原理與機制、高精度激光熔化成形原理與機制、激光增材制造的高性能化原理與機制、復合功能結構設計原理與制造方法，以及功能材料定向設計原理與制造方法等問題。

    相信隨著科學技術的進一步發(fā)展，未來增材制造技術將在速度、效率和打印精度等方面有較大提高，材料將更加多種多樣，打印的產(chǎn)品更加小型化和成本降低，軟件更加智能，應用領域逐步應用到國防、航空航天、汽車、生物制造、文物修復和文化創(chuàng)意等各個領域，真正推動人類工業(yè)文明的快速發(fā)展。