金属材料增材制造技术及其存在限制性

杨鹏慈

沈阳度维科技开发有限公司 辽宁沈阳 110000

上世纪八十年代中期，随着数字化离散堆积思想的发展，一种生产周期短、性能优良、省料省成本的新型材料成型技术应用而生。它就是金属材料增材制造技术。应用金属材料增材制造技术加工成形的结构部件精度高、组织细密均匀，同时还具有成本低、周期短、柔性高新等优势。仅材料方面，金属材料增材制造技术较之于传统金属材料制造工艺节省5倍，材料的利用率提高了80%以上，为大型复杂性构建的加工制造提供了良好的技术条件。显著的应用优势使得金属材料增材制造技术获得了快速的发展。在金属增材制造技术方面，其内部缺陷、组织控制、定向凝固等方面出现的瓶颈较多。研究金属材料增材制造技术及其存在的限制，对进一步突破金属材料增材制造技术成形工艺的创新与发展有着重要的意义。

1 金属材料增材制造技术概述

金属材料增材制造技术是增材制造技术的一部分。增材制造技术指通过3D打印设备逐层增加材料，由计算机控制系统控制制造三维产品的技术。该技术被称为是“第三次工业”的代表。材料是增材制造技术的核心。金属是增材制造技术中应用最为广泛的一种，也是目前公认的最有应用潜力的材料。金属材料广泛应用与工业、化工业、军事、机械、医疗、生物等领域。相对于其他材料而言，金属材料的成本高、制备难度大。目前，国内金属粉末增材制造还难以达到规模化、产量化的加工，因此也限制着金属材料增材制造技术市场化的发展[1]。

在金属材料增材制造技术中，气雾化技术是应用较广的一种技术。由于金属易受气流扰动影响，粉末粒度分布很难保证稳定、均匀的分布，因此在技术增材制造过程中，会影响成形件的雾化效率和效果，也会不同程度的增加植被成本和成形件的质量。

不同零件的增材制造都是根据其特定的形状界面和厚度逐层烧结并接合起来的，因此分层制造时影响金属增材制造技术效果的关键因素之一。究其根本，分层制造的效果与设备、材料及制造工艺息息相关。产品最终制备成形的效果并非由单一因素所决定，而是多因素综合作用的结果。随着金属增材制造设备的及工艺的同时进步，以及新型材料的开发，金属材料增材制造技术才能真正的做到与时俱进、创新发展。在金属材料增材制造发展过程中，设备与技术的不匹配，材料性能的限制等，都会影响金属材料增材制造技术的综合发展[2]。

2 发展现状及其局限性

2.1 发展现状

目前，金属材料增材制造技术已经在美国、英国、德国、西班牙、日本等发达国家的航空航天等领域得到应用。英国南安普顿大学利用增材制造技术制造出第一下无人驾驶飞机。德国EOS公司开发的选取激光烧结增材制造装备是普通尼龙塑料的1倍，能够连续服役于超过180℃的动态力学场合、240℃的静态力学场合以及260℃的垫圈场合。除激光技术外，等离子束、电弧能束等金属增材技术还广泛应用与船舶、能源、机械制造等领域，为零部件的快速成形及修复提供了核心技术。在生物医疗方面，利用金属材料增材技术可以制造出牙齿、人体骨骼、人体肢体、人体关节等零部件，用于手术修复或植入。据统计，进应用于生物医疗领域的金属材料增材制造技术已经占该领域的“人体零部件”应用的15%。

目前，金属材料增材制造技术已经进度到与电子制造技术高度融合的阶段。通过与薄膜太阳能电池、无芯片RFID标签、柔性器件、有机发光二极管的同和，金属材料增材制造技术在材料利用率方面得到显著提高，相应的金属材料增材制造技术过程中的污染也得到了较好的控制。

2.2 发展局限

目前，国内外的金属材料增材制造技术产品主要应用于汽车快速制模、航空零部件、电子消费品设计、假肢、骨骼、牙科等方面。由于激光增材温度下降速度快，加工过程中容易初选缺陷。此外，激光成形后再去热等静压，锻件的力学性能就会降低。以上限制导致金属材料增材制造技术只能应用于小体积的零件。大部分的国内外金属材料增材制造技术还处于局部发展的阶段，尚无形成规模化、产业链的模式，缺乏大型的装备，因此金属材料增材制造技术应用的成本相对较高，只能使其局限于小体积高价值的零件制造上[3]。

为了克服大尺寸复杂构件整体金属增材制造的应用局限，美国提出“损伤容限”的概念，但最终以失败告终。2012年，中国的王华明做了五代激光快速成型装备，确定激光束功率3.0～1.0kw、激光束斑直径2.6±0.4mm、扫描速度5～10mm/min、单层沉积厚度不高于0.8mm、99.999%的高纯氩气或氦气做保护性气氛，最终突破了金属材料增材制造的局限，在大型复杂整体钛合金结构件上采用就干快速成型技术试验成功。自此，我国的金属材料增材制造技术领先于世界。

3 结语

无论是我国，还是欧洲发达国家，限制金属材料增材制造技术发展的无非时设备、成本、产品尺寸、成形效率、产品适用性等问题。该技术作为依靠现代信息技术和新型材料的科学技术，想要取得突破性的研究进展，就必须从设备、材料、工艺等多方面同时加强研究，才能突出综合限制，取得更快的发展。