金属增材制造技术解读

发布时间：2017-05-04 作者：e-works黄菊锋来源：e-works

关键字：金属增材制造技术增材制造

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金属增材制造作为增材制造技术最重要的一个分支，近年来随着3D打印技术的迅速发展，也取得了极大的进展。本文将对金属增材制造技术进行全面的梳理。

5、金属增材制造技术的应用及发展

5.1 金属增材制造技术的应用

与传统的金属零件加工技术相比，金属增材制造技术具有无可比拟的优势：1）复杂结构一体化制造，工艺流程较传统工艺大大缩短；2）无需任何工装和模具，可实现小批量非标件和异形件的快速成形，降低了生产周期和成本；3）零件近净成型，机加余量小，材料利用率高；4）可实现多种材料任意复合制造；5）高束能量密度高，可实现传统难加工的材料如钛合金、高温合金、超高强度钢等材料的快速成型。

因此，金属增材制造自诞生之日起，便迅速被应用于航空航天、国防军工等高精尖领域，并且取得了良好的发展前景与应用效果。也正是基于此，推动了金属增材制造技术向生物医疗以及工业、船舶、汽车制造等领域的延伸。

1) 在航空航天行业的应用

航空航天是研究与应用金属增材制造最早的行业，也是一直以来最广泛的行业。金属增材制造主要用于：航空小型精密构件和航天大型复杂构件；航空零件的快速修复；新型飞机和航空发动机的研发；以及将增材制造与传统的铸、锻和机械加工相结合形成组合制造技术以提高零件的成形精度和效率等。

例如德国MTU 航空发动机公司采用SLM 技术直接制造航空发动机小型压气机静子件；英国Rolls-Royce 航空发动机公司将LSF 技术用于涡轮发动机零部件的修复及成形；北航通过LSF 技术成功研制出C919飞机机身和机翼连接部分的钛合金上缘条和下缘条构件等大型钛合金，并已得到应用；而GE则预计其采用金属直接增材制造的零件，未来将可占航空发动机零部件的50%。

对航空航天行业来说，金属增材制造技术的不仅让过去一些无法实现的航空功能结构得以快速制造，而且基于金属增材制造的高性能修复技术保证了航空构件的全寿命期的质量与成本；不仅大大提高了昂贵的航空金属材料的利用率，而且减轻了结构件的总量；不仅实现了新产品的快速研发，而且为轻量化设计的实现提供了有效途径。

2) 在医疗器械行业的应用

　　医疗器械是当前金属增材制造应用的第二大行业。在医疗领域，金属增材制造在个性化定制方面的优势尽显无余，例如打印植入物、牙齿,以及为病人量身定做植入手术所需的精密部件等。另外，具有高性能和生物相容性的钛合金材料也是重要的生物医用材料，其打印出来的多孔结构植入物，可以更好的与人体组织结合。不过，涉及到医疗的用途都需要经过国家的审批才能广泛采用，因此目前绝大部分的3D打印金属植入物为临床试验性质。

　　另一方面，金属增材制造技术还可用于为病人量身定做植入手术所需的精密部件，例如华南理工大学利用SLM技术已成功研制了外科手术所需的个性化辅助导板。

3) 在其它行业的应用

在工业模具、船舶、汽车制造领域，基本上是借鉴金属增材制造在航空航天行业中的应用方式，包括传统技术难以制造的零件的快速成形，精密零件的修复再制造等。西门子采用金属3D打印技术制造和修复燃气轮机的某些金属零部件；GE公司石油和天然气部门用3D打印技术制造燃气涡轮机的金属燃料喷嘴等；汽车企业实现复杂零部件的轻量化直接成形。

5.2 金属增材制造在国外的发展

国外对于金属3D打印技术的理论与工艺研究相对较早，并已形成了大量工业和商品化设备与应用。近年来，欧美各国政府、大型企业以及研究结构对金属增材制造技术纷纷给予了高度重视，尤其是在航空航天领域的引领与突破。

美国于2012年在其国防高级研究计划局(DARPA)的资助下成立了“创新金属加工—直接数字化沉积(CIMP．3D)”研究中心。空客、波音、洛克希德•马丁、GE航空发动机、Sandia国家实验室等大型航空航天制造企业和研究机构对金属增材制造技术也做了大量研究与实践，并取得了重大进展。此外，美国军方也相当关注金属增材制造技术的发展，并率先将金属增材制造技术应用到包括战术导弹、人造卫星、超音速飞行器的薄壁结构例如导弹控制舱外壳座、导弹资控系统燃烧室以及钛合金支架、框、梁等承力构件的快速制造。

德国成立了增材制造研究中心（DMRC），主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用，在金属增材制造技术的研究和应用方面德国一直走在世界的前列，并有多家从事金属粉成型的各种技术服务商和设备商，如ConceptLaser、EOS、ReaLizer等。法国成立了增材制造协会（AFPR），致力于增材制造技术标准的研究和增材制造技术的应用，并有诸如Prodways、BeAM、Poly-Shape等多家专注航空航天金属3D打印部件研制的企业，将法国的航空航天增材制造技术发挥到极致Poly-Shape公司于2016年8月与Thales Alenia Space合作造出了欧洲最大卫星专用金属增材制造部件。另外，英国、瑞典、比利时、挪威等国也有相关的政策与代表性企业。

5.3 金属增材制造在国内的发展

我国在金属增材制造领域的研究基本与国际同步。自20世纪90年代初，在国家科技部等多部门持续支持下，华南理工大学、华中科技大学、北京有色金属研究总院、清华大学、西北工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学等院所，相继对金属增材制造基础工艺展开了积极的研究，并取得了重大突破。

沈阳飞机设计研究院、上海飞机设计研究院等通过增材制造技术研制出了30余种钛合金和超高强度钢大型整体关键主承力构件，使我国成为目前世界上唯一实现激光成形钛合金大型整体主承力构件成功装机工程应用的国家；北京航空航天大学成功研制出飞机大型整体钛合金起落架整体支撑框、C919街头窗框等金属部件；西北工业大学与中国商用飞机公司合作，应用SLM解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题，并领先将SLM技术应用于飞机和发动机高性能复杂结构金属零件的快速成形与修复，获得与空客的合作。中航工业北京航空制造工程研究所成功利用增材制造技术修复了某型号TC11钛合金整体叶轮，并通过考核。2015年2月11日，工信部、发改委、财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》，进一步促进了金属增材制造技术的发展。

尽管国内金属增材制造技术研究及应用方面具有良好的基础，在某些领域的研究水平甚至超过欧美发达国家，但在产业化方面却相对落后，特别是真正拥有核心竞争力的金属增材制造设备制造企业并不多。主要有以高校为依托的西安铂力特、武汉滨湖机电产业有限公司、江苏永年激光成形技术有限公司、中航天地激光科技有限公司、广东信达雅三维科技有限公司等。以及一些优秀的企业代表如北京隆源（三帝科技控股子公司）、长沙华曙高科等。其他很多金属3D打印企业更多的是以购买国外的产品提供加工服务为主。

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