金属增材制造技术的应用与发展

张少杰

（嘉峪关汇丰工业制品有限责任公司，甘肃 嘉峪关 735100）

在经济全球化和市场竞争日益激烈的背景下，产品的快速开发和推广已然成为行业竞争的重要手段之一。在这样的发展背景下，为了能够更好的满足制造业的发展需要，使得制造业生产出的产品能够满足多种客户需求，制造技术需要具备较高的柔性，并在使用的过程中迎合市场需要积极生产小批量或者单件产品[1]。在计算机技术、CAD技术、CAM技术、机械工程技术的快速发展下，金属增材制造技术应运而生，成为快速成型领域最具发展前景的技术之一。为此，文章结合制造业发展实际情况，就金属增材制造技术的应用问题展开探究。

1 金属增材制造技术概述

（1）内涵。增材制造也被称作是3D打印，在设计中融合了计算机辅助设计、材料加工、成形技术，之后以数字模型为基础，借助软硬件系统和数控系统来将金属材料、非金属材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式制造出实体物品的制造技术。

（2）原理。第一，激光选区熔化技术。激光选区熔化技术由粉床选区激光烧结技术发展而来，以金属粉末为加工原料，借助高能密度激光束来将这些粉末进行堆积，从而打造成金属零件的制造技术。第二，直接金属粉末激光烧结技术。直接金属粉末激光烧结技术加工材料是由不同金属组成的混合物，在加工操作的时候低熔点的材料不容易被熔化，借助被熔化的材料能够最终设计成型。第三，电子束选取熔化技术。电子束选取熔化技术的工作环境是真空环境，和激光相比，电子束更容易被获得，在使用的过程中能够降低加工成本，确保高活泼金属在加热中不被氧化。第四，激光立体成形技术。激光立体成形技术借助高能量的激光束，能够将光束同轴、侧向喷射的粉末从熔化转变为液体，之后通过运动控制来将熔化之后的液态金属凝固成形。

（3）关键技术。第一，材料单元控制技术。材料单元控制技术应用的难点是怎样控制材料单元堆积过程中的物理和化学变化。第二，设备再涂层技术。增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序，通过应用再涂层技术能够有效提升产品零件在累加方向的精度和质量。第三，高效制造技术。金属增材制造技术的使用能够有效控制材料制作时间，实现多激光束同步制造，提高制造效率。

2 金属增材制造技术的应用

第一，制作传统成形工艺难度大的零件。应用金属增材制造技术能够在较短的时间内制造出满足要求的零部部件。金属增材制造技术在制作传统成形工艺难度大零件上的典型应用是模具行业随形冷却金属模具的制造，且模具设计的时间减少了75%，制造端人力节省了50%，射出模具生产周期缩短了14%。第二，制作高成本材料零件。金属增材制造技术在制作高成本材料零件上最为常见的领域是航空航天。航空航天发展需要大量使用钛合金和镍基超合金等昂贵的高性能、难加工的金属材料。应用增材制造技术进行飞机发动机镍基合金和钛合金部件的研制有效缩短了研发时间，提升了产品的性能。第三，快速成形小批量非标件。金属增材制造技术适合进行个性化、小批量产品的生产，特别是在医疗器械制作领域有着十分广泛的应用，具体表现为两个方面：①打印具有个性化需求的植入物/假体或模仿仿生原理的复杂结构。②为病人量身定做植入手术所需的精密部件。第四，高性能成形修复受损零件。第四，金属增材制造技术能够修复复杂、受损零件的制作，特别是在航空航天领域有着广泛的应用。通过应用金属增材制造技术可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，且确保产品在修复会的性能不被影响。第五，异质材料的组合制造。金属增材制造技术能够将不同材料进行组合制造。

异质材料的组合制造借助金属增材制造技术能够对不同结构部位采用不同类别的金属材料，由此能够提升结构件的性能，节省材料成本费用。

3 金属增材制造技术的应用行业

（1）医疗领域。金属增材制造技术在医疗领域有着广阔的应用空间，具体表现为口腔及植入体的制造，加工制造所应用的材料包含钛合金、钴铬合金等。通过在口腔领域应用金属增材制造技术能够提升光斑治疗的精准度。另外，在医院骨科领域大多采用钛合金材料，与人体具有优异的生物相容性，所选择材料的表面网状结构可以减轻植入物的重量，使得定制化的产品能够更好的适应病人的个体需求。

（2）航空航天领域。在航空航天领域应用传统的制造手段往往无法对拓扑优化后的零件进行加工，而应用金属增材制造技术能够确保零件的性能不受影响，在拓扑优化和增材制造相结合的情况下为传统制造方法无法处理的复杂问题提供可能性，从而以更少的燃料和成本来进行零件的设计。金属增材制造技术在航空航天领域的应用具体表现为航空小型精密构件和航天大型复杂构件的制作、航空零件的快速修复、新型飞机和航空发动机的研发等。

（3）汽车工业领域。金属增材制造技术具有直接制造的特点，在零部件制造的过程中避免了因为开模带来的高额成本。金属增材制造技术的这一特点在赛车制造领域有着十分广泛的应用，实现复杂零部件的轻量化直接成形。另外，金属增材制造技术还可以被制作更加精密的钻头。

（4）陶瓷制造领域。陶瓷或者金属基复合陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀好等性能。陶瓷零件的成形方法如注浆成形、模压成形、热压铸成形等无法摆脱模具的制约，生产周期长、成本高。成形工艺对陶瓷零件尤其是复杂形状陶瓷零件的进一步发展和应用形成了极大的制约。增材制造技术的出现为复杂形状陶瓷零件的成形提供了有效的解决方案，解决了传统工艺中许多复杂结构零件的制造问题。基于挤出工艺的陶瓷零件增材制造技术中所应用到的技术如下所示：第一，挤出材料。挤出材料是挤出成形的基础，挤出材料的流变性能和工艺性能对整个成形过程都有着显著的影响。在EFF工艺的应用下通过将聚合物、蜡、增塑剂以及陶瓷粉末混合制备能够获取具有良好的尺寸公差和显微结构。这种材料的灵活性和多样性为基于挤出的增材制造工艺提供了极大技术适用性。第二，挤出方式。挤出机的挤出方式分为：螺杆式挤出、气压式挤出和柱塞式挤出。基于挤出技术的陶瓷零件增材制造工艺大多采用的是柱塞式挤出方式。柱塞式挤出方式将机械运动的压力作为基本驱动力，在使用的过程中具有性能良好、受力均匀的特点。

4 结语

综上所述，增材制造技术的发展改变了传统的制造方式，为复杂的金属结构零件制造提供了新的思路，使得制造业在新的历史时期更具发展空间和应用前景。在科技的支持下，未来金属材料增材制造技术将会替代传统的制造技术，从而为制造企业的发展提供更有利的支持。