王 碩 宋勝利

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255049）

2012 年《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》發(fā)表了一篇名為“3D打印機(jī)帶來(lái)第三次工業(yè)革命”的文章，該文對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)的介紹，并對(duì)該技術(shù)的未來(lái)前景進(jìn)行了分析。緊接著美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布“重整美國(guó)制造業(yè)”計(jì)劃，新建了15 個(gè)制造創(chuàng)新研究院，其中首個(gè)研究院就是國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究院。我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人對(duì)增材制造技術(shù)也很關(guān)心，2013 年9 月中央政治局就創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略到中關(guān)村集體調(diào)研學(xué)習(xí)，著重調(diào)研高性能大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)。如今該技術(shù)在航空航天、高分子、生物醫(yī)療、國(guó)防、軍工等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

1 增材制造技術(shù)簡(jiǎn)介

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種自下而上逐層堆積得到產(chǎn)品的制造方法，我們通常稱之為3D 打?。?D printing）技術(shù)。增材制造的原理類似于噴墨打印機(jī)，不同的是其噴出的材料是樹(shù)脂，粉末，絲材等。增材制造可以利用計(jì)算機(jī)逐層增加材料，將三維的物體變成二維，再采用激光熔融方法按照輪廓軌跡逐層堆積材料，最終形成三維實(shí)體零件。增材的方式有三種：熔化堆積、燒結(jié)、粘結(jié)。增材制造技術(shù)改變了材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，帶來(lái)材料性能的提升，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件制造一體化。

1.1 基本原理

按照材料加工方式，現(xiàn)代制造技術(shù)分為三種：減材制造、等材制造與增材制造。減材制造是使用車、銑、刨、磨等設(shè)備對(duì)材料進(jìn)行切削加工，以達(dá)到設(shè)計(jì)形狀，該方式原材料的利用率僅有7%；等材制造是指通過(guò)鑄造、鍛造、焊接等方式生產(chǎn)制造產(chǎn)品，材料在加工過(guò)程中并不增加也不減少；增材制造，顧名思義，其材料為增加的方式，其過(guò)程為先通過(guò)CAD 等計(jì)算機(jī)建模軟件建模，然后將建成的三維模型進(jìn)行分層切片處理，將三維物體轉(zhuǎn)換為二維，之后規(guī)劃打印軌跡，進(jìn)行逐點(diǎn)逐層堆積成型，最終打印出所需的工件，打印過(guò)程如圖1 所示[1]。

1.2 典型增材制造技術(shù)

1.2.1 光固化成形（SLA）

光固化成形（Stereo Lithography Apparatus ，SLA）工藝也被稱為立體印刷工藝，屬于快速成形工藝的一種。它以液體樹(shù)脂為原料，用特定強(qiáng)度的激光照射液體材料表面，使其由點(diǎn)到面一層層的固化成為三維實(shí)體構(gòu)件。與其他增材制造技術(shù)相比，這種方法加工速度快，生產(chǎn)周期短，能簡(jiǎn)捷、全自動(dòng)地制造出表面質(zhì)量和尺寸精度較高、幾何形狀復(fù)雜的原型，但也存在使用和維護(hù)成本高，軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，由于掃描速度較慢導(dǎo)致局部材料沒(méi)有完全固化等缺陷。

1.2.2 選擇性激光燒結(jié)成形（SLS）

選擇性激光燒結(jié)成形（Selective Laser Sintering，SLS）它使用激光作為電源，粉末作為材料，以燒結(jié)的增材方式將材料粘合在一起，形成堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)[2]。SLS 的增材方式具有成本低、材料利用率高，成型速度快等優(yōu)點(diǎn)，且因?yàn)樗峭耆灾蔚?，它允許在嵌套的過(guò)程中在其他部分內(nèi)構(gòu)建具有高度復(fù)雜的幾何形狀的零件，而這些幾何形狀根本無(wú)法以任何其他方式構(gòu)造，但SLS 印刷部件具有多孔表面，這可以通過(guò)涂覆諸如氰基丙烯酸酯的涂層來(lái)密封。因此該增材方式廣泛地在航空、航天、船舶、汽車、機(jī)械工程、制造等工業(yè)企業(yè)、研究所、高校100 多家應(yīng)用。

1.2.3 熔絲沉積制造（FDM）

熔絲沉積制造（Fused Deposition Modelling，F(xiàn)DM)是一種不使用激光器的加工方法，它以樹(shù)脂絲為原材料，通過(guò)噴頭噴出熔融的材料，以快速冷卻的方法將材料一層層牢固的連接在一起[3]。FDM技術(shù)的最大特點(diǎn)是速度快、無(wú)污染，原材料利用率高，由于不需要激光器，因此該種增材方法成本低，利于維護(hù)。但該方法生產(chǎn)的成型件的表面有較明顯的條紋，且加工時(shí)間較長(zhǎng)。

1.2.4 疊層實(shí)體制造（LOM）

疊層實(shí)體制造法（Laminated Object Manufacturing,LOM）以紙、塑料膜為原材料，通過(guò)一層層橫截面粘結(jié)形成初步模型，之后利用CO2激光器發(fā)射的激光束對(duì)模型進(jìn)行切割，得到最終的工件[4]。該工藝成形速度快，原材料便宜，但成形后對(duì)廢料剝離費(fèi)時(shí)，適合于體積較大的工件。

2 發(fā)展難題及我國(guó)增材技術(shù)的不足

在發(fā)展增材制造技術(shù)時(shí)，依然面對(duì)以下科學(xué)難題無(wú)法解決：

2.1 熱物理問(wèn)題，內(nèi)應(yīng)力難以控制[5]

當(dāng)溫度劇烈循環(huán)變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；當(dāng)發(fā)生循環(huán)非均勻固態(tài)相變會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力；當(dāng)材料凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生凝固收縮應(yīng)力。產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件變形甚至開(kāi)裂，難以制造大型構(gòu)件。

2.2 物理冶金問(wèn)題

冶金、凝固和固態(tài)相變過(guò)程非常復(fù)雜，構(gòu)件"內(nèi)部質(zhì)量"會(huì)難以控制，導(dǎo)致產(chǎn)生的構(gòu)件力學(xué)性能及穩(wěn)定性差，打印后的構(gòu)件再經(jīng)HIP、鍛造等后續(xù)致密化加工后，關(guān)鍵力學(xué)性能會(huì)低于鍛件，因此難以用作關(guān)鍵主承力構(gòu)件[5]。

雖然我國(guó)科研機(jī)構(gòu)、科技型企業(yè)眾多，在3D 打印技術(shù)研發(fā)中也獲得了諸多技術(shù)專利，但我國(guó)還沒(méi)有形成完備的增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，核心零件的供應(yīng)、高強(qiáng)度非金屬材料等還需要從國(guó)外進(jìn)口[6]。如果能突破這一難題，不僅能大大提升我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度以及普及范圍，還能從國(guó)際市場(chǎng)中獲得一定量的產(chǎn)業(yè)份額，更可以有效降低增材制造設(shè)備的價(jià)格，從而推動(dòng)增材制造在我國(guó)的商業(yè)化進(jìn)程。

3 發(fā)展趨勢(shì)

習(xí)近平總書(shū)記在參加全國(guó)政協(xié)十二屆一次會(huì)議科協(xié)及科技屆委員聯(lián)組討論時(shí)強(qiáng)調(diào)“可以預(yù)見(jiàn)，隨著3D 打印技術(shù)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整?！痹霾闹圃旒夹g(shù)對(duì)于未來(lái)裝備制造和材料制備有深遠(yuǎn)的影響。未來(lái)的增材制造，將不僅僅是材料的添加，而是在制造的過(guò)程中制備材料，合成材料，甚至是復(fù)合材料[7]。增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下兩方面：

3.1 實(shí)現(xiàn)低成本、短流程、快速數(shù)字制造

對(duì)于復(fù)雜、超復(fù)雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本、短流程制造且構(gòu)件的不同部位具有不同的性能；對(duì)于高性能大型、超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效快速制造；對(duì)于多品種小批量個(gè)性化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)低成本快速制造。

3.2 實(shí)現(xiàn)高性能新材料數(shù)字制備能力

實(shí)現(xiàn)對(duì)高性能非平衡材料制備與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造；實(shí)現(xiàn)高活性難熔難加工材料制備與結(jié)構(gòu)制造；實(shí)現(xiàn)高性能梯度材料制備與結(jié)構(gòu)制造；實(shí)現(xiàn)高性能材料多尺度復(fù)合制備與結(jié)構(gòu)制造；創(chuàng)造出超常結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超常功能[8]。

3.3 應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛

未來(lái)3D 打印技術(shù)將不僅僅應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)等領(lǐng)域還將應(yīng)用于食品、影視、文化藝術(shù)等領(lǐng)域。

未來(lái)的增材制造技術(shù)將對(duì)裝備制造技術(shù)產(chǎn)生變革性影響，并帶來(lái)重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的革命，將會(huì)變革生產(chǎn)制造模式和維護(hù)保障模式。

4 結(jié)論

增材制造是制造技術(shù)大家庭的一名新成員，同傳統(tǒng)技術(shù)相互補(bǔ)充，不會(huì)顛覆或者取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，但是增材制造作為一種變革性的制造新技術(shù)，發(fā)展?jié)摿薮?，?duì)于貴而難加工的材料，大而復(fù)雜的高性能整體構(gòu)件將會(huì)有很大的應(yīng)用空間。