金属材料增材制造技术的应用研究进展

金属材料增材制造技术的应用研究进展

苏怡宁

河北冀凯铸业有限公司河北石家庄050000

摘要：增材制造技术的快速发展要得益于我国科技水平的不断提高和社会的进步，金属材料增材制造技术取得了伟大的进步其成功被认为是20年来制造领域的一项重大成果，这不仅仅是我们增材制造技术的一大进步也是我国科技发展?的一大创新。金属材料增材制造技术现如今已经被3D打印技术所广泛应用。金属材料增材作为一种重要的数字化制造技术在一定程度上体现了其蕴含的科学性和现代化，中国应高度重视，研究分析。

关键词：金属材料；增材制造；应用研究；发展前景

引言：

增材制造技术，又叫3D打印技术。近年来，增材制造技术在美国和我国等多个国家取得了快速的发展，这项技术使产品研发更加快捷，实现制造业产业结构调整，促进制造业变大变强。增材制造技术有着自上而下、逐层累积、快速将数字模型转化成实际产品的特点。由于不需要制造模具以及多道加工工序，解决了许多复杂结构零件的成形，并且缩短了加工周期。同时增材制造技术具有很高的加工柔性，产品结构越复杂，个性化特点越明显，其制造优势就越显著。金属增材制造技术是通过高能量密度的热源将金属材料熔化，按照CAD模型逐层累积成金属零件的技术，在工业制造方面所占优势明显优于传统制造。相比于传统铸造与锻造技术，有着低成本、高效率、高经济性等优点。

1金属材料增材制造的技术原理及制造工艺

1.1金属材料增材制造的技术原理

金属材料增材制造技术主要是通过激光金属沉积（LMD）来实现的。LMD是基于激光熔覆技术发展起来的先进填料加工制造技术，利用激光能量将金属粉末熔化并在基底材料上生成熔池，随着激光光斑的移动，进入熔池并熔化的粉末凝固后与基底材料形成冶金结合，通过层层堆积生成3D物理实体。为防止镀层的氧化，工艺过程中需要使用氦气、氩气等惰性气体作为保护气氛。

1.2增材制造技术的制造工艺

随着CAD建模和光机电一体化技术的发展，增材制造技术的工艺发展很快，按照所用材料和建造技术的不同，目前投入应用的已有十余种工艺方法。其中发展较为成熟的主要有光固化立体成型、分层实体制造、选择性激光烧结等。上述工艺发展较为成熟，在此不再赘述。金属直接成形法可以实现具有较高致密度和力学性能产品的快速制造，但工艺难度大，因此整体还处于技术研究阶段。现将发展潜力较大、较前沿的金属直接成型工艺进行重点介绍

1.3激光立体成形技术

激光立体成形技术（LSF）是在快速成形技术和大功率激光熔覆技术蓬勃发展的基础上迅速发展起来的一项新的先进制造技术。该技术综合了激光技术、材料技术、计算机辅助设计、计算机辅助制造技术和数控技术等先进制造技术，通过逐层熔化、堆积金属粉末，能够直接从数据生成三维实体零件，具有无模具、短周期、近净成形、组织均匀致密、无宏观偏析等优点。这项技术尤其适用于大型复杂结构零件的整体制造，在航空航天等高技术领域具有广阔的发展前景。

1.4激光选区熔化工艺

激光选区熔化工艺（SLM）是激光选区烧结技术的一种升级和衍生，是直接进行金属打印的最新前沿技术之一。该技术为将零部件CAD模型分层切片，采用预铺粉的方式，扫描镜带动激光束在计算机控制下沿图形轨迹扫描选定区域的合金粉末层，使其熔化并沉积出与切片厚度一致、形状为零件某个横截面的金属薄层，直到制造出与构件CAD模型一致的金属零件。

2金属增材制造技术存在的问题

金属增材制造技术在近些年得到了迅猛的发展，其中商业化程度较高的激光选区熔化技术和激光工程化净成形技术的部分产品已经成功应用在航空航天、生物医用和汽车制造等领域。但是相比于传统的金属减材或等材制造技术，金属增材制造技术仍然处于成长阶段，在设备、材料和工艺方面还存在以下问题：第一，在设备方面存在成本高、产品成形尺寸受限、成形效率低等问题；第二，在材料方面存在生产成本高、适用性差等问题；第三，在工艺方面存在工艺参数匹配困难、热积累严重等问题。

3金属增材制造技术的应用

3.1复杂结构制造

对于复杂结构件，传统加工方法往往需要复杂的工艺和大量的后续机械加工，不仅需要很高的制造工艺与加工成本，材料在铣、削的过程中也会大量损耗，造成资源浪费。而且对于金属材料加工成复杂构件过程中，对加工器具及机械也会造成较大损伤。而金属增材制造技术，尤其是铺粉熔化沉积方法，加工过程中不受尺寸与形状的限制，具有强大的柔性制造能力，且材料利用率高，因此能够实现零件超复杂结构的近净成形制造。

3.2一体化制造

金属增材制造具有良好的一体化制造的优点，对于传统制造复杂零件，在对目标构件进行制造之前，都要进行前期大量设计，例如图纸设计、材料研究等；而对于无法一次性制造的构件，传统制造中间往往需要经过大量的加工步骤，采用配合连接等方式，既要消耗大量时间与人力成本，又要考虑对材料以及构件质量本身的影响。在复杂结构构件的制作上，传统制造无法高效率的完成制造，而金属增材制造技术可以通过将构件逐层的数据传导至计算机上形成三维数据模型，一次性实现对零件的直接成型，对于制造一体化要求高的构件具有很大优势。

3.3轻量化制造

对于传统制造工业进行轻量化制造，一方面考虑到难以一次性加工而导致中间步骤要经过铣、削、焊等操作，对材料浪费较多；另一方面加工周期较长，其实现轻量化制造的成本并不低。金属增材制造技术可以利用增材制造技术结合建模与仿真技术进行轻量化设计，不仅可以实现模型最优化设计，达到高质量、轻量化制造，而且轻量化设计结构增材制造由于柔性结构特性，不需要考虑制造工艺难度，且材料越少制造成本就越低，在轻量化制造中具有得天独厚的优势。

4发展趋势

目前，金属增材制造技术虽然取得了一定的发展和进步，但是仍在某些方面具有很多的问题和弊端，例如材料方面的限制，成型的精准度和质量问题和成型质量和成型速度之间的问题，另外价格昂贵是导致金属材料增材制造不能发展的重要原因之一，成本化消费用较高而且容易造成损失将会导致巨大的经济损失，广泛应用也具有一定的难度。另外金属增材制造技术要突破瓶颈在最大限度上发挥其价值，主要表现在：

一方面3D打印技术虽然在航天领域方面取得了一定的成就，但是其只能局限于生产较小的零部件，对于大型的部件的制造问题来说还存在很长的距离。另一方面金属增材制造技术虽然已经在零部件修复问题上取得了很大的进步，但是对于大型部件的修复问题还是未能取得进展。因此科研人员应当将3D打印技术和修复技术完美的融合在一起以保障大型部件的修复技术可以得到进一步的进展；最后一方面在医学领域方面，科研人员应当积极和医院进行合作分析，共同进行3D技术渗入医学领域方面的研究。

5结束语：

在金属增材制造技术中，设备、材料和工艺是制约金属增材制造技术发展的关键因素，三者相辅相成，共同决定了金属增材制造产品的质量及性能。传统的金属增材制造技术在设备、材料和工艺方面还存在着诸如设备和材料成本高、产品成形尺寸受限、成形效率低、材料适用性差、工艺参数匹配困难、热积累严重等问题，严重阻碍了金属增材制造技术的发展。降低设备和材料成本、扩大产品成形尺寸范围、提高产品精度和成形效率、拓展材料种类和适用范围、减少工艺参数匹配难度、提升产品质量及综合性能、开发金属增材制造新技术，能够有效解决目前金属增材制造技术所存在的问题，是金属增材制造技术的重要发展方向。

参考文献：

[1]张在玉.金属材料增材制造技术的应用研究进展[J].世界有色金属.2018（14）

[2]商录朋.谈金属材料组织对性能的影响[J].科技信息.2019（31）