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

浅析增材制造技术在制造业中的特点与应用

2017/11/10    来源:互联网    作者:杨泽  李建永  高兴华  王明旭      
关键字:增材制造技术  加工工艺  创新与革命  
时代的发展和技术的进步促使新技术不断涌现,传统加工技术存在的不足也将呼出新的制造工艺,增材制造技术就是其中一种。以当前比较热门且具有革命性的加工制造技术——增材制造技术为对象,讲述了增材制造技术的不同分类和加工工艺方式,分条论述了其技术的主要优势,然后结合不同的制造应用领域描述了其最新发展与应用,最后根据自己对增材制造技术的理解提出了些建议并作出了展望。

0 前言

    随着社会的发展和人口的增加,资源和环境越来越成为制约人类和社会进步的因素,在这种背景下,资源消耗中占很大比重的制造业,必将向着更加精细化、集约化和高效化方向发展,而传统的制造业采用的材料去除的加工技术,不仅消耗大量的原材料,而且加工过程中消耗大量的人力、物力和能源,因此时代的发展与需求以及种种约束,必将呼出新的更加节约、高效和环境友好的加工技术与制造方法。

    增材制造技术正是在传统制造技术存在缺点的背景下发展起来的一项新型且具有革命性的创新技术。增材制造(Additive Manufacturing)技术,简称AM技术,它是通过CAD三维设计数据,运用分层切片软件将三维实体模型分切成二维片层结构数据,然后通过控制系统控制材料逐层累加的方法制造实体零件,是一种“自下而上”的制造方法。

    增材制造技术,又被称为“材料累加技术”、“分层制造技术”、“快速原型制造技术”和“3D打印技术”等。增材制造技术无需机械加工和辅助工具或任何制造模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。因此,增材制造技术因其具有的技术优势和制造特点,已经被应用于航空航天领域、汽车零件制造领域、生物医学领域、建筑领域、军事领域和食品领域等。

1 增材制造技术的分类

    增材制造技术使用能源有激光、电子束、紫外光等,采用的材料有树脂、塑料、金属、陶瓷、蜡等,因其采用的成型方法和使用的成型材料以及依靠的凝结热源不同,现在主要分为四类:分层实体制造(LOM)工艺技术;立体光刻(SLA)工艺技术;选择性激光烧结(SLS)工艺技术;熔融沉积成型(FDM)工艺技术。

    增材制造技术的四类工艺技术方法,生产制造出来的产品拥有不同的精度和物理与力学性能。

    (1)分层实体制造(LOM)工艺技术

    分层实体制造是以片材为原材料,其工艺过程如下:

    ①首先在片层材料上涂覆一层热熔胶,用滚子碾压并加热,使其黏接在已成型体上;

    ②利用由片层分析软件所得的路径轨迹来控制激光头,在新层上切割出该层的工件截面轮廓和外框,并去除轮廓外多余的片层材料;

    ③当激光切割完毕后,工作台带动成型体下降一个层厚高度,由送料机构送入新层到达加工区域,随后工作台再带动成型体上升一个层厚高度;

    ④再次涂覆热熔胶于新层,加热并碾压,激光头根据工件新层截面信息切割出该层工件轮廓;

    ⑤如此反复涂覆热熔胶、加热并碾压进行黏接、激光头切割出工件截面轮廓,直至层叠出实体零件。

    (2)立体光刻(SLA)工艺技术

    立体光刻(SLA)是以光敏树脂为原料,其工艺过程如下:

    ①根据由片层分析软件所得的工件片层结构信息,采用激光照射光敏树脂使其在已成型体上固化出新层工件结构;

    ②随后工作台带动已成型体下降一个层厚高度,让光敏树脂重新覆盖其上方,并进行再次的激光照射光敏树脂,光敏树脂凝固成型,然后再调整工作台高度;

    ③如此这样层层激光扫描,光敏树脂凝固成型,直至“生长”出实体零件。

    (3)选择性激光烧结(SLS)工艺技术

    选择性激光烧结(SLS)使用粉末材料作为造型材料,其工艺过程如下:

    ①首先将铺于加工表面的金属粉末加热至接近其熔点的温度,用滚子杆平铺金属粉末;

    ②随后由片层分析软件所得的工件二维截面信息来控制激光头进行有选择性的激光扫描,金属粉末融化凝结出工件截面轮廓并固化于已成型体上;

    ③一层工件截面结构成型后,工作台下降一个层厚高度,重新铺一层金属粉末,再次进行激光选择性烧结;

    ④如此这样先铺一层金属粉末,然后由激光有选择性地进行扫描,金属粉末融化凝固于已成型体上,层层凝结出实体零件。

    (4)熔融沉积成型(FDM)工艺技术

    熔融沉积成型(FDM)是以热熔性材料为原材料,其工艺过程如下:

    ①首先利用热熔头将热熔型性材料加热至熔融温度;

    ②然后由片层分析软件根据零件的三维立体模型,得出零件的二维截面信息,-随后控制热熔头的运动轨迹,由熔融材料冷却凝固成该层工件截面轮廓,并黏覆于已成型体上;

    ③该层截面轮廓完成后,工作台下降一个层厚高度,进行新的片层叠加;

    ④如此这样熔融头加热材料、熔融材料冷却凝固成工件截面结构,随后层层“叠加”出零件实体。

2 增材制造技术的特点

    (1)无模具快速自由成型,制造周期短,小批量零件生产成本低。

    增材制造技术因为只需要有加工原料和加工设备就能够进行产品加工,不需要机械加工和工装模具,可以实现一次成型,节约了零件的不同工序加工和组装消耗的时间,进行单件小批量的生产时,增材制造的成本低。传统加工制造需要原料采购、准备,并且加工过程中还需要不同工序的轮换加工,加工完后还需要进行零件的组装等等,而这无形之间延长了产品的生产周期,同时也不经济。

    (2)零件近净成型,机加余量小,材料利用率高。

    增材制造技术因为是一次成型,“自下而上” 的“分层制造、逐层叠加” 而成型的,材料的损耗大部分是用于对模型成型的支撑上,而绝大部分材料是应用于模型的成型上。因此,增材制造相比传统减材制造更加的节省原料,也更加的节约能源,因此更经济些,材料利用率也更高些。

    (3)激光束能量密度高,可实现传统难加工材料。

    激光具有的相干性好、单色性好、方向性好和亮度高的特点,尤其是其高能量束能够在很短的时间将温度升高到数千度,在此温度下绝大部分的金属都能够被融化加工成型。因此,传统的难加工材料如38CrMnSiA、TC4等,都可被加工制造出来。

责任编辑:张纯子
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