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新闻资讯我国增材制造产业发展现状、问题和趋势分析
2018-05-17

我国增材制造产业发展现状、问题和趋势分析

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增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是通过计算机软件设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自20世纪80年代末增材制造技术逐步发展,期间也被称为“材料累加制造”、“快速原型”、“分层制造”、“实体自由制造”、“3D打印技术”。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。
狭义的增材制造技术是指当前出现的3D打印技术或者快速成型技术等。广义的增材制造技术,则以设计数据为基础,将材料(包括液体、粉材、线材或块材等)自动化地累加起来成为实体结构的制造方法。
增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确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。越是复杂结构的产品,其制造的速度优势越显著。近年来,增材制造技术取得了快速的发展。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。
根据3D打印所用材料的状态及成形方法,3D打印技术可以分为熔融沉积成形、光固化立体成形、分层实体制造、电子束选区熔化、激光选区熔化、金属激光熔融沉积、电子束熔丝沉积成形。现将目前增材制造技术不同分类的主要技术原理和技术特点进行列表整理,如表1所示。


表1 增材制造技术的分类及特点

技术名称 技术原理 技术特点
1.   熔融沉积成形
Fused   Deposition Modeling, FDM
以丝状的PLA、ABS等热塑性材料为原料,通过加工头的加热挤压,在计算机控制下逐层堆积,得到成形的立体零件。 最常见的3D打印技术,技术成熟度高,成本较低,可以进行彩色打印。
2. 光固化立体成形
Stereo   Lithography Apparatus, SLA

利用紫外激光逐层扫描液态的光敏聚合物(如丙稀酸树脂、环氧树脂等),实现液态材料的固化,逐渐堆积成形。
可制作结构复杂的零件,零件精度及材料利用率高,缺点是可成形的材料种类少,工艺成本高。

3. 分层实体制造Laminated   Object Manufacturing, LOM

以薄片材料为原料,如纸、金属箔、塑料薄膜,在材料表面涂覆热熔胶,再根据每层截面形状进行切割粘贴,实现零件的立体成形。 速度较快,可以成形大尺寸的零件,但材料浪费严重,表面质量差。
4. 电子束选区熔化
Electron   Beam Melting, EBM
在真空环境下以电子束为热源,以金属粉末为成形材料,通过不断在粉末床上铺展金属粉末然后用电子束扫描熔化,使一个个小的熔池相互熔合并凝固,这样不断进行形成一个完整的金属零件实体。 可成形出结构复杂、性能优良的金属零件,但成形尺寸受到粉末床和真空室的限制。
5. 激光选区熔化
Selective   Laser Melting, SLM
该技术原理与电子束选区熔化成形技术相似,基于粉末床的铺粉成形技术,热源由电子束换成了激光束。 可成形出结构复杂、性能优异、表面质量良好的金属零件,但目前无法成形出大尺寸的零件。
6. 金属激光熔融沉积
Laster   Direct Melting Deposition, LDMD
以激光束为热源,通过自动送粉装置将金属粉末同步、精确的送入激光在成形表面上所形成熔池中。随着激光斑点的移动,粉末不断地送入熔池中熔化然后凝固,得到所需形状。 可成形大尺寸的金属零件,但是无法成形结构非常复杂的零件。

7. 电子束熔丝沉积成形
Electron   Beam Freeform Fabrication, EBF
在真空环境中,以电子束为热源,金属丝材为成形材料,通过送丝装置将金属丝送入熔池并按设定轨迹运动,直到制造出目标零件或毛坯。 方法效率高,成形零件内部质量好,但成形精度及表面质量差,且不适用于塑性较差的材料,因无法加工成丝材。
8. 气相沉积成型
P/CVD
物理气相沉积(PVD)在真空条件下,将材料源--固体或液体表面汽化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体或等离子体,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术,主要方法有真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀、分子束外延。 工艺过程简单,无污染,耗材少,成膜均匀致密,与基体的结合力强。
化学气相沉积(CVD)把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应器的蒸汽及反应所需的其他气体引入反应室,在衬底表面发生化学反应生成薄膜的生长过程。 可制作金属、非金属及多成分合金薄膜;成膜速度快,同时制作多工件的均匀镀层;纯度高,致密性好,残余应力小,薄膜结晶良好。
9. 堆焊成型
Overlay   Welding, OW
利用高频电火花放电原理,对工件进行无热堆焊,修补金属工件的表面缺陷与磨损,能保证工件的完好性。 冷堆焊设备对金属工件修补后不变形、不退火、溶解强度高、耐磨性好,常用于精密铸件的修复及表面强化。
10. 电铸成型 把预先按所需形状制成的电铸模作为阴极,用电铸材料作为阳极,放入与阳极材料相同的金属盐溶液中,通以直流电。在电解作用下,电铸模表面逐渐沉积出金属电铸层,达到所需的厚度后从溶液中取出,将电铸层与原模分离,得到与原模形状相对应的金属复制件。 准确复制出芯模的表面形貌,可将难以甚至不能进行的内型面加工转变为容易进行的外形面加工,提高加工零件的精度,容易得到符合多层结构。

11. 微粒悬浮喷射成型
Aerosol   Jet Technology, AJT
将液体材料雾化后,通过惰性气体送到端部的沉积头,然后雾化的材料流被沉积处的环形气体聚集沉积,高速喷射到基体表面,实现印刷成型。 可实现微细的电子及生物医学结构的印刷成型。

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