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全面解析增材制造技术及发展趋势

2015-10-29 14:18
姚看江湖
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  增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是采用材料逐渐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”的制造方法。近二十年来,AM技术取得了快速的发展,“快速原型制造(Rapid Prototyping)”、“三维打印(3D Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点.

  增材制造技术是指基于离散-堆积原理,由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式,增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓,其内涵仍在不断深化,外延也不断扩展,这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。

  工业化的LSF-V大型激光立体成形装备所谓数字化增材制造技术就是一种三维实体快速自由成形制造新技术,它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势,学者们对其有多种描述。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称这种新技术为“数字化增材制造”,中国机械工程学会宋天虎秘书长称其为“增量化制造”,其实它就是不久前引起社会广泛关注的“三维打印”技术的一种。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。

  关桥院士提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念(如图所示),“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系;而“广义”增材制造则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。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)。

  一是材料单元的控制技术。即如何控制材料单元在堆积过程中的物理与化学变化是一个难点,例如金属直接成型中,激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制直接影响制造精度和制件性能。

  二是设备的再涂层技术。增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序,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。分层厚度向0.01mm发展,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。

  三是高效制造技术。增材制造在向大尺寸构件制造技术发展,例如金属激光直接制造飞机上的钛合金框睴结构件,框睴结构件长度可达6m,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难点。

  此外,为提高效率,增材制造与传统切削制造结合,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。

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