e-works数字化企业网  »  文章频道  »  先进制造技术  »  三维打印

增材制造技术的现状和产业前景

2016/2/29    来源:互联网    作者:廖文俊  胡捷      
关键字:增材制造  技术现状  产业前景  
介绍了增材制造技术的国内外发展水平及其现状。重点分析了增材制造技术的产业链、技术瓶颈以及市场前景。增材制造技术未来的发展,需要先解决诸如材料等关键问题。其次实现功能部件的应用。

    增材制造技术(又称3D打印技术)出现于20世纪80年代,最早用于原形制造,呈现外观结构。这种制造方法的核心源于高等数学中微积分的概念,用趋于无穷多个截面的叠加构成三维实体。增材制造技术集信息技术、材料技术、激光技术、精密器械等于一体,是一个横跨众多学科的技术领域。它不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,只需利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决了许多过去复杂结构零件难以成形的问题,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。根据材料成形原理的不同,可以将增材制造技术分为以下几种工艺(见表1):光固化式(SLA)、激光烧结式(SLS)、分层实体式(LOM)、熔融沉积式(FDM)和激光熔化式(SLM)。

表1 增材制造技术中的成形工艺

增材制造技术中的成形工艺

    1 增材制造关键技术和瓶颈

    增材制造技术的发展必定会经历从原型件到结构功能件、再到智能零部件制造的过程,但无论处于哪一个阶段,其中的一些关键技术是共通的,需要不断去突破。

    1.1 原材料制备技术

    现阶段,除了SLA工艺所用原材料为液态的光敏树脂,其余工艺大都采用丝材和粉末材料,尤以粉末材料居多。常用的光敏树脂主要成分为丙烯酸树脂,光敏树脂的黏度略高,一次固化程度不足,还有一定的毒害性,这些都是需要改进的地方。在粉末材料方面,颗粒形状和粒度分布都有严格要求,金属粉末成分中的含氧量和含碳量也会对成形件性能产生很大影响。雾化法制备金属粉末可以获得粒度分布较均匀的量产球形粉,市场上已普遍使用,实验室内还常用机械粉碎法和旋转电极法来制造金属粉末。

    1.2 材料成形控制技术

    增材制造实质上是一个积少成多、化零为整的制造过程,在此过程中,原材料之间的结合是关键,在此过程中通常会发生一系列的物理和化学变化。在SLA工艺中,光源照射液态树脂后会引发活性基团的聚合、交联和接枝反应,反应十分灵敏,最终使树脂变成固态。金属材料的成形是一个快速熔化和凝固的过程,过程中熔区的温度梯度很大,已成形部分存在较大热应力,随时可能出现孔洞、缝隙和开裂的现象。所以,如何控制成形过程中温度的分布是金属材料增材制造的一大关键技术。

    1.3 高效制造技术

    成形件的大尺寸和高精度问题一直是增材制造业内两个重要的技术突破方向,但事实上要做到两者兼得并非容易。目前,市场上的铺粉设备工作平台一般都不大,主要原因在于光束经过振镜后只能精确控制在一定区域内形成能量密度均匀分布的光斑,所以如何提升光学部件的精度或实现多光束同步控制是一个发展方向。此外,增材制造与一般的涂层技术有所区别,它是在涂层上面再添加涂层,可称之为“再涂层技术”。每一层的厚度、平整度以及层与层间的结合程度都直接影响成形件的稳定性和精度,这些都需要通过调整设备和工艺参数来完善。

    1.4 支撑技术

    因为重力场的存在,一些形状复杂的成形件需要支撑结构,支撑部分在后期处理中需要去除,所以如何设计是一门学问。通常是在保证成形件制造过程中不失效的前提下,采用的支撑材料越少越好,例如设计成多孔结构。在金属材料增材制造技术中,支撑部分还会影响到整个部件的内应力分布,设计不当可能会发生成形件翘曲变形的现象。

    1.5 软件编程技术

    个性化定制是增材制造技术的一大特点,但要用到工业生产,仍然需要考虑如何控制每个零件的质量达标,即生产质量的稳定性。在前已述及的硬件条件外,另一核一IL、,技术就是软件编程。国外的一些设备都会附有部分材料的工艺参数包,基本不需要任何编程,可以保证成形过程的稳定性,国内设备在这方面还有待提高。其它的研究工作主要是如何依靠软件技术来实现任意结构任意材料的预成形模拟,从而提升关键零部件的制造成功率。

    目前在这些关键技术中,主要还存在如下技术瓶颈有待解决和突破。

    (1)成形材料主要依赖设备制造厂供应,适用的成形材料范围很有限,受制于设备厂商,难于适应市场的迫切需求。

    (2)成形材料的局限性导致难于成形真实可用的功能构件,从而使成形设备难于成为生产机械,市场需求量大大缩水。近两年成形金属功能部件在军工、航空航天领域的应用已取得较大发展,但成形材料类型有待进一步拓宽,尤其国产材料需加快开发。

    (3)成形件的尺寸精度和表面品质存在比较明显的差距,难于与CNC机加工相媲美。

    (4)快速成形机的制造成本和成形用的耗材成本居高不下,推广应用大打折扣。增材制造中关键技术的发展能够进一步节省零件的制造时间和生产成本,必将带动增材制造技术在各行各业中的全面应用。例如,针对复杂结构可以进行一体化制造,如图1(a)所示;通过优化设计后采用增材制造的方法,可以实现零件的轻量化,如图1(b)所示;针对部分工业零件可以适当利用增材制造技术进行组合制造,如图1(c)所示;快速修复出现损伤的零部件,如图1(d)所示。

增材制造技术用途

图1 增材制造技术用途

责任编辑:张瑾
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐