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。

6、金属增材制造趋势分析

1) 研究层面

提升工艺水平，加强工艺技术瓶颈的突破

由于金属3D打印成型零件的精度、加工效率、加工成本、物理性能及化学性能等还不能完全满足某些实际使用要求，因此有其局限性。尽管当前已经取得了一些进展，诸如北京航空航天大学经过近20年攻关与应用，在国际上率先突破了大型金属增材制造“变形开裂”预防、“质量性能”控制等关键技术。华中科技大学张海鸥教授通过研发“铸锻铣一体化”金属3D打印技术，不仅突破了3D打印性不能打印锻件的瓶颈，而且运用该技术生产零件，其精细程度比激光3D打印提高50%。同时，零件的形状尺寸、组织性能、变形开裂等都得到了有效控制，加工成本也大大的降低了。

但是，加强对这些技术瓶颈的研究与突破，提升金属增材制造工艺水平，制造出近无缺陷、高精度的零部件仍是当前金属增材制造技术迫切需要解决的问题。

加强对新材料的研发与现有材料的改进

当前，适合于3D打印的金属材料缺乏，且金属材料多是沿用传统的铸造合金或锻造合金材料。因此，对金属材料的研发主要包括两个方面，一是研发新兴的材料，如耐腐蚀、耐高温和综合力学性能优异的新合金材料；二是对现有材料的改进，即加强现有材料结构和属性之间的关系研究使其更适用于3D打印，根据材料的性质进一步优化工艺参数，增加打印速度，降低孔隙率和氧含量，改善表面质量。

金属材料及成形工艺标准体系的建立与完善

金属增材制造材料特性明显不同于传统的锻造或铸造零件，目前对于金属材料特性及成形工艺尚无特别的工业标准，并缺乏对增材制造加工零件的结构性能指标的检测检验手段等，极大的阻碍了该技术的推广。因此，修订并完善金属增材制造的相关技术标准体系，实现金属增材制造技术标准的制度化和常态化至关重要。

2) 应用层面

与传统制造技术融合，实现混合加工

尽管金属增材制造技术优势明显，但是经过增材制造出来的零件还要通过后续切削加工才能达到最终的尺寸精度和表面光洁度，因此增材制造不可能完全取代传统的减材制造，而是并列互补的关系。结合金属增材制造与传统制造技术的优势实现混合加工，是当前金属增材制造技术发展的重要方向，也是突破增材制造工艺瓶颈的一种体现。

全球最大的机床制造企业DMG MORI已率先推出了增材制造与传统制造结合的混合加工机床，其复合加工中心LASERTEC 65 3D机床可以通过激光堆焊的增材制造工艺快速制造毛坯。还包括日本松进公司基于激光烧结3D打印和铣削混合加工的Lumex Avance-25机床以及美国Fabrisonic公司基于超声3D打印与铣削混合加工的SonicLayer 4000机床等。

与拓扑优化等创新技术融合，形成从设计到制造的闭环

金属增材制造技术可以帮助企业使用心/多孔结构、异质材料功能梯度结构等高性能金属材料直接制造出产品结构复杂、够轻量化的零件，但是制造的前提是设计。拓扑优化技术为企业设计出复杂创新的3D结构模型提供了有效的方法，拓扑优化是在给定载荷条件与材料用量下，自动获取最优结构模型。因此金属增材制造技术与以拓扑优化为代表的创新构型设计技术的结合也是必然的趋势。

当前IT领域的厂商已在积极的推动拓扑优化与增材制造技术的融合。如欧特克、Altair、SOLIDWORKS、PTC、西门子等。PTC最近新推出的Creo 4.0专门开发了为增材制造而设计的功能，工程师可以在Creo中完成设计、优化、验证并运行打印检查，而不需要频繁的切换其他软件；另外应用Creo4.0创建参数控制的均匀晶格结构，在保证性能同时减少耗材；同时还可以将此功能与仿真相结合优化模型，以实现多个设计目标或满足多个限制条件。

7、总结

金属增材制造技术为复杂大型零件的直接制造和高性能材料的制备提供了新思路，使传统制造技术难于实现的结构变得易于实现，对于制造业而言有着无可限量的应用前景。只是就当前的技术条件，金属增材制造更适合于价格昂贵、高性能、难加工的材料，以及结构复杂的构件。金属增材制造的价值在于节省了模具制造环节，节省了材料、成本和时间，且不用依赖庞大的机床设备，因而对于普通材料以及应用传统加工技术就可以制造的结构件等就失去了其意义。

因此，制造企业用户应该认识到当前金增材制造技术并不是万能的，需要我们冷静对待。但是，对于金属增材制造技术的研究与探索不会就此止步，金属增材制造技术未来会向着性能更好、质量更可靠、精度更高、加工材料更广泛、成本更低等方向发展，成为一项“亲民”的制造技术也不无可能。

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