本章重点 1.掌握增材制造技术的成形原理。 2.熟悉增材制造的流程。 3.熟悉增材制造技术的主要方法。 4.了解增材制造技术所使用的材料。 5.掌握增材制造的过程。 本章难点 1.增材制造方法与传统制造方法的区别与联系。 2.增材制造技术的作用。 20世纪末,由于信息技术的飞速发展,统一的全球市场形成了,越来 越多的企业加入竞争行列,加大了竞争的激烈程度。用户可以在全球范 围内选择自己所需要的产品,对产品的品种、价格、质量及服务提出了更 高的要求。产品的批量越来越小,产品的生命周期越来越短,要求企业市 场响应速度越来越快。面对日趋激烈的市场竞争,制造业的经营战略,从 20世纪五六十年代的“规模效益第一”和20世纪七八十年代的“价格竞争 第一”转变为20世纪90年代以来的“市场响应速度第一”,时间因素被提 到了首要地位,增材制造与3D打印技术就是在这种需求下研究发展起来 的,应用这项技术能够显著地缩短产品投放市场的周期,降低成本,提高 质量,增强企业的市场竞争能力。一般而言,产品投放市场的周期由设计 (初步设计和详细设计)、试制、试验、征求用户意见、修改定型、正式生产 和市场推销等环节所需的时间组成。由于采用增材制造与3D打印技术 之后,从产品设计的最初阶段开始,设计者、制造者、推销者和用户都能拿 到实实在在的样品和小批量生产的产品,因而可以及早、充分地进行评价、测试、反复修改 和分析工艺过程。因此,可以大大减少新产品试制中的失误和不必要的返工,从而能以最 快的速度、最低的成本和最好的品质将新产品迅速投放市场。 制造技术从制造原理上可以分为三类:第一类技术为等材制造,是在制造过程中,材 料仅发生了形状的变化,其质量(重量)基本上没有发生变化;第二类技术为减材制造,是 在制造过程中,材料不断减少;第三类技术为增材制造,是在制造过程中,材料不断增加, 如激光快速成型、3D打印等。等材制造技术已经发展了几千年,减材制造发展了几百年, 而增材制造仅有40多年的发展史。从分类可知,增材制造技术相对于等材制造技术、减 材制造技术就是制造技术三足鼎立的一大发明,是制造的一个重大突破,是现代制造技术 的革命性发明。 1.增材制造技术 1 1.增材制造技术的原理 1.1 增材制造技术是20世纪80年代中期发展起来的一种高新技术,是造型技术和制造 技术的一次飞跃,它从成形原理上提出一个分层制造、逐层叠加成形的全新思维模式,即 将计算机辅助设计(CAD )、计算机辅助制造(CAM )、计算机数字控制(CNC )、激光、精密 伺服驱动和新材料等先进技术集于一体,依据计算机上构成的工件三维设计模型,对其进 行分层切片,得到各层截面的二维轮廓信息,增材制造机的成形头按照这些轮廓信息在控 制系统的控制下,选择性地固化或切割一层层的成形材料,形成各个截面轮廓,并逐步顺 序叠加成三维工件。 增材制造(additivemanufacturing,AM)技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累 加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而 上”材料累加的制造方法。自20世纪80年代末增材制造技术逐步发展,其间也被称为 “材料累加制造”(materialincreasemanufacturing)、“快速成型”(rapidprototyping)、分(“) 层制造”(aeenfcuig “ (oiroarcto“ lyrdmauatrn)、实体自由制造”sldfefrmfbiain)、3D打 印”(3Dprinting)等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。 美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念 定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程,相对于减法制造,它 通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物 体的技术,3D打印也常用来表示“增材制造”技术,在特指设备时,3D打印是指相对价格 或总体功能低端的增材制造设备。 从广义的原理来看,以设计数据为基础,将材料(包括液体、粉材、线材或块材等)自动 化地累加起来成为实体结构的制造方法,都可视为增材制造技术。 通过离散获得每一层面的制造信息和堆积的顺序,通过堆积将材料构成三维实体。 因此增材制造的全过程可由图1-1表示。 增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维设计数据在一台设 图1-1 增材制造流程图 备上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”,解决许多过去难以制造 的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序, 缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品,其 制造的速度作用越显著。近年来,增材制造技术 取得了快速的发展。增材制造原理与不同的材料 和工艺结合形成了许多增材制造设备。目前已有 的设备种类达到二十多种。该技术一出现就取得 了快速发展,在各个领域都得到了广泛应用。例 如在消费类电子产品、汽车、航天航空、医疗、军 工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单 件或小批量的快速制造,这一技术特点决定了增 材制造在产品创新中具有显著的作用。美国《时 代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工 业”;英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数 字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。 认为该技术改变未来生产与生活模式,实现社会 化制造,每个人都可以成为一个工厂,它将改变制造商品的方式,并改变世界的经济格局, 进而改变人类的生活方式。 1.增材制造与传统制造方法的区别 1.2 传统制造方法根据零件成形的过程可以分为两大类型:一类是以成形过程中材料减 少为特征,通过各种方法将零件毛坯上多余材料去除,如切削加工、磨削加工、各种电化学 加工方法等,这些方法通常称为材料去除法;另一类是材料的质量在成形过程中基本保持 不变,如采用各种压力成形方法以及各种铸造方法的零件成形,它在成形过程中主要是材 料的转移和毛坯形状的改变,这些方法通常称为材料转移法。这两种方法是目前制造领 域中普遍采用的方法,也是非常成熟的方法,能够满足加工精度等各种要求。然而,随着 市场日新月异的变化以及产品生命周期的缩短,企业必须重视新产品的不断开发和研制, 才能在竞争不断激烈的市场中立于不败之地。传统的制造方法无法很好地满足新产品快 速开发的要求,促使在制造领域中发生了一场大的变革,这就是增材制造技术的出现。增 材制造方法与传统制造方法的比较如图1-2所示。 1.增材制造与传统制造方法的关系 1.3 从以上对增材制造方法与传统制造方法的论述可以知道,它们两者之间的关系是相 辅相成、相互补充、密不可分的。增材制造技术主要是制造样品,也就是将设计者的设计 思想、设计模型迅速转化为实实在在的、看得见、摸得着的三维实体样件。它生产的是单 个样件或是小批量样件,它的精髓是在极短的时间内,不使用刀具、夹具、模具和辅具,将 设计思想实体化,主要应用于新产品的快速开发。而真正的大批量生产,包括中批量生产 图1-2 增材制造与传统制造方法的比较 还是要采用传统制造方法来实现,由于在新产品开发中首先采用了增材制造技术,再采用 传统制造方法进行大批量生产时,就避免了因多次试制而出现不必要的返工,从而降低了 生产成本,缩短了新产品试制的时间,使新产品能够尽早上市,提高了企业对市场响应的 速度,使企业在激烈的市场竞争中占得先机。 1.增材制造主要技术方法与使用材料 2 2.增材制造主要技术方法 1.1 增材制造技术自诞生以来,经过三十多年的发展,根据不同成形材料已经开发出数十 种成形方法,目前比较成熟、应用比较普遍的增材制造技术有以下几种。 (1)光敏材料选择性光固化(SLA)增材制造。 (2)粉末材料选择性激光烧结(SLS)增材制造。 (3)丝状材料融化沉积成形(FDM)增材制造。 (4)薄型材料分层切割(LOM)增材制造。 (5)金属材料的增材制造 。 以上各种增材制造技术,将分别在第3~8章中进行详细的论述和讲解 。 1.2 增材制造技术使用的材料 2. 增材制造技术是一门跨学科交叉技术,而材料科学无疑是其中最核心的部分之一。 新材料的研发既是其瓶颈,也是增材制造技术发展的方向。增材制造原材料按照形态可 以分为液体材料、薄片材料、粉末材料、丝线材料,按照材料性能也可分为高分子材料、金 属材料、无机非金属材料和复合材料,其中又以金属材料和高分子材料应用最为广泛。 1. 高分子材料 高分子材料在一定温度下具有良好的热塑性,强度合适,流动性好,价格低廉,是增材 制造最主流的应用材料之一,应用于增材制造技术的高分子材料主要分为工程塑料和光 敏树脂两大类。 ABS 工程塑料常用于FDM 增材制造,强度高,韧性好,耐冲击,无毒无味,颜色多样, 但其在遇冷时尺寸稳定性差,会收缩引发脱落翘曲或开裂现象,可以通过复合改性提升 ABS 材料物理机械性能。PC 与ABS 树脂相比,机械性能更出色,高强高弹,耐燃,抗疲 劳,抗弯曲,尺寸稳定性好,不易收缩变形,在汽车、航天等对制造强度要求较高的工业领 域广泛应用。PLA 是典型的生物塑料,具有良好的生物降解性和生物相容性,对环境无 害。相较于ABS 和PLA 材料热稳定性好,制作过程中几乎没有收缩,打印件为半透明 状,可观赏性强,但其力学性能较差,可以通过改性研究在一定程度上得到改善。表1-1 中列举了适用于增材制造技术的热塑性树脂及特点。 表1- 1 适用于增材制造技术的热塑性树脂及特点 名称PLA ABS PC PA PEEK 环保生物降解型 材料 熔点高防刮、防冲击性性能稳定耐高温、耐腐蚀 特点 原料来源广泛冷却时会收缩高强度、耐久度生物可降解自润滑 熔点低更易挤击 暴露此外线下会 变得质脆 耐油、耐水、 耐磨 韧性、抗疲劳 性高 质脆具有轻微气味尺寸稳定性高抗菌复合材料开发 2. 金属材料 金属材料在增材制造技术中的应用迅速发展,成为对传统机械制造的重要补充。增 材制造技术使用的金属材料多为粉末,为了达到较高的性能,对原材料要求较高,特别是 为了得到优异的流动性,要求粉末具有较高的纯净度和球形度、较窄的粒径分布和较低的 氧含量。 钛及钛合金因其显著的比强度高、耐高温、高耐腐蚀性以及良好的生物相容性等优 点,在航天、医疗等领域被广泛应用。例如,钛合金增材制造技术打印的机翼中央翼缘条 已应用在C919 大飞机的机翼结构中。钴铬合金是对预合金粉末的一种巧妙混合,具有 非常好的力学性能(强度、硬度等)、耐腐蚀性和耐热性。 3. 无机非金属材料 无机非金属材料在增材制造技术中应用的主要有陶瓷、水泥等,且主要以粉末和浆料 的形式出现。陶瓷材料是人类使用的最古老的材料之一,具有强度高、硬度大、耐熔耐磨 耐氧化、绝缘性好、化学稳定性优等优点,是工业制造中的常用材料,但由于其硬而脆的特 性,其模具制造需要较长的制作周期、成本高昂,限制了其发展。而增材制造技术恰恰克 服了这些不足,使得陶瓷材料的生产效率大大提高。 磷酸三钙陶瓷具有天然的生物相容性和化学稳定性,其化学组成与人骨相似,与人体 适配度良好,是骨修复材料的理想选择。氧化铝陶瓷以A12O3 为主体,具有来源广、用途 宽、成本低、产量大、高强高硬、耐磨耐腐等特性,常应用于工业零部件制作。 1.增材制造过程 3 虽然增材制造技术有很多种工艺方法,但所有的增材制造工艺方法都是一层一层地 制造零件,不同的是每种方法所用的材料不同,制造每一层添加材料的方法不同。增材制 造的工艺过程一般为以下3个步骤,如图1-3所示。 图1-3 增材制造的全过程 1. 前处理 前处理包括产品三维模型的构建、三维模型的近似处理、增材制造方向的选择和三维 模型的切片处理。 (1)产品三维模型的构建。由于增材制造装备是由三维CAD 模型直接驱动,因此首 先要构建所加工工件的三维CAD 模型。该三维CAD 模型可以利用计算机辅助设计软 件(如Pro/E、I-DEAS 、SolidWorks、UG 等)直接构建,也可以将已有产品的二维图样进行 转换而形成三维模型,或对产品实体进行激光扫描、CT 断层扫描,得到点云数据,然后利 用反求工程的方法来构造三维模型。 (2)三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面,加工前要对模 型进行近似处理,以方便后续的数据处理工作。由于STL 格式文件的格式简单、实用,目 前已经成为增材制造领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来 的模型,每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述,三角形的大小可以根据精度 要求进行选择。STL文件有二进制码和ASCI 码两种输出形式,二进制码输出形式所占 的空间比ASCI 码输出形式的文件占用的空间小得多,但ASCI 码输出形式可以阅读和 检查。典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。 (3)增材制造方向的选择。按照产品的三维CAD模型,结合增材制造装备的特点, 对制件的成形方向进行选择。 (4)三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向,在成形高 度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型,以便提取截面的轮廓信息。间隔 一般取0.05~5mm, 1mm 。间隔越小, 但成形时间也越长, 0.常用0.成形精度越高, 效率 也越低;反之则精度低,但效率高。 2.分层叠加成形加工 分层叠加成形加工是增材制造的核心,包括模型截面轮廓的制作 与 截面轮廓的叠合。也就是增材制造设备根据切片处理的截面轮廓,在 计 算机控制下,相应的成形头(激光头或喷头)按各截面轮廓信息做扫描 运 动,在工作台上一层一层地堆积材料,然后将各层相粘结,最终得到原 型 产品 。 3.成形零件的后处理 从成形系统里取出成形件,进行剥离、打磨、抛光、涂挂、后固化、修补、打磨、抛光和表 面强化处理,或放在高温炉中进行后烧结,进一步提高其强度。 1.增材制造技术的作用 4 增材制造技术的出现引起了制造业的一场革命,有人将其与20世纪60年代的数控 技术相提并论。它不需要任何专门的辅助工夹具,并且不受批量大小的限制,能够直接从 CAD三维模型快速地转变为三维实体模型,而产品造价几乎与零件的复杂性无关,特别 适合于复杂的、带有精细内部结构的零件制造,并且制造柔性极高,随着各种成形技术的 进一步发展,零件精度也不断提高。随着材料种类的增加以及材料性能的不断改进,其应 用领域必将不断扩大,用途也将越来越广泛,其主要可以概括为以下几方面。 1.使设计原型样品化 为提高产品设计质量,缩短试制周期、增材制造装备可在几小时或几天内将设计人员 的图样或CAD模型制造成看得见、摸得着的实体模型样品,从而使设计者、制造者、销售 人员和用户都能受益。 (1)从设计者受益的角度来看 分析传统的设计,设计者要完成一个产品的设计必须做下列工作:①根据用户对产 品的要求,设计其结构、形状和尺寸。②对所选定的结构、形状和尺寸进行运动学、动力学 和强度等分析、计算,然后修改原设计。③考虑可能采用的原材料、加工工艺、加工模具及 其成本与工时,然后再修改设计。④考虑产品制作后的包装、运输、维修和使用培训等问 题,最终修改设计。因此,在传统的设计过程中,由于设计者自身的能力有限,不可能在短 时间内仅凭产品的使用要求就把以上各方面的问题都考虑得很周全并使结果优化;虽然 在现代制造技术领域中提出了并行工程(concurentenginering)的方法,即以小组协同 teamwor 工作(k)为基础,通过网络共享数据等信息资源,来同步考虑产品设计和制造的 有关上、下游问题,从而实现并行设计思想,但仍然存在着设计、制造周期长、效率低等问 题。采用增材制造技术,设计者在设计的最初阶段就能拿到实在的产品样品,并可在不同 阶段快速地修改、重做样品,甚至做出试制用工模具及少量的产品进行试验,据此判断有 关上、下游的各种问题,从而为设计者创造了一个优良的设计环境,无须多次反复思考、修 改,即可尽快得到优化结果。因此,增材制造技术是真正实现并行设计的强有力手段。 (2)从制造者受益的角度看 制造者在产品制造工艺设计的最初阶段,可通过这种实在的产品样品,甚至试制用工 模具及少量的产品,及早地对产品工艺设计提出意见,做好原材料、标准件、外协加工件、 加工工艺和批量生产用工模具等准备,以减少失误和返工、节省工时、降低成本和提高产 品质量。因此,增材制造技术可以实现基于并行工程的快速生产准备。 (3)从推销者受益的角度来看 推销者在产品的最初阶段能借助于这种实物产品样品及早并实在地向用户宣传、征 求意见,以准确地预测市场需求。因此,增材制造技术的应用可以显著地降低新产品的销 售风险和成本,大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。 (4)从用户受益的角度来看 用户在产品设计的最初阶段也能见到产品样品,使他们能及早、深刻地认识产品,进 行必要的测试,并且提出意见。因此,增材制造技术可以在尽可能短的时间内,以最合理 的价格得到性能最符合要求的产品。 2.用于产品的性能测试 随着新型材料的开发,增材制造装备所制造的产品零件原型具有足够的机械强度,可 用于传热以及流体力学试验。而用某些特殊光敏固化材料制作的模型还具有光弹特性, 可用于零件受载荷下的应力应变分析。如美国通用汽车公司在为其1997年推出的某车 型开发中,直接使用增材制造技术制作的模型进行车内空调系统、冷却循环系统及利用加热 取暖系统的传热学试验,较之以往的同类试验节省成本40%以上。克莱斯勒汽车公司直接 利用增材制造技术制作的车体原型进行高速风洞流体动力学试验,节省开发成本达70% 。 3.用作投标的手段 在国外,增材制造技术已成为某些制造商家争夺订单的手段。例如,位于Detroit的 一家仅组建两年的制造商,由于装备了两台不同型号的快速成型机及以此为基础的快速 精铸技术,仅在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件,从而在 众多的竞争者中得到了为Ford公司年总产值达3000万美元的发动机缸盖精铸件合同。 4.快速模具制造 以增材制造制作的实体模型作模芯或模套,结合精铸、粉末烧结或石墨研磨等技术可 以快速制造出企业产品所需要的功能模具或工装设备,其制造周期为传统的数控切削方 法的1/10~1/5,而成本却仅为其1/5~1/3。模具的几何复杂程度越高,这种效益越显 著。一家位于美国Chicago的模具供应商(仅有20 名员工)声称,车间在接到客户CAD 文件后一周内可提供制作任意复杂的注塑模具,而实际上80% 的模具则可在24~48 小 时内完工。 模具的开发是制约新产品开发的瓶颈,要缩短新产品的开发周期、降低成本,必须首 先缩短模具的开发周期,降低模具的成本。快速模具是模具学科中新发展的一种完全不 同于传统的模具,它能显著地缩短制造周期,降低成本,对于新产品的开发、试制、生产有 十分重要的作用,是制造业重点推广的一种先进技术。然而在我国,由于有关技术界认识 上与实践上的局限性,这项技术的推广还有一定的难度。因此,希望有志之士共同努力, 进一步探讨新型快速模具的原理、结构、材料与制造工艺,加大推广应用的力度,使模具行 业出现一个崭新的面貌。 5. 增材制造为创新设计释放了巨大的空间 增材制造新工艺,可以使所想即可得,使人们的设计思想不再受到制造风险的约束, 为人们的设计创新开辟了巨大的空间。如任意复杂形状(包括内部形状,采用传统制造刀 具不可达的方位)、多零件、多材料集成为一体等要求,对于传统制造也许不可想象,现在 采用增材制造均可轻易实现。人们采用增材制造工艺已经实现了许多热交换结构的创 新,实现了最优的换热效率;GE 公司采用增材制造用一个零件代替原设计20 个零件组 成的飞机发动机喷嘴,减重25%,增效15%,制造成本大幅度降低,已大批量生产;美国公 司还采用增材制造,成形了能耐热3300℃ 的复合材料航天发动机零件,可能是其龙飞船 2号推力200 倍于龙飞船1号的关键。 6. 增材制造是创新产品开发的利器 汽车车身设计、零部件制造、家电轻工产品、建筑设计、时尚消费品等的新产品开发必 须经过3D 打印的验证,已成为其产品开发程序。因此,其带来的好处是使开发周期、开 发费用降低至原来的1/10~1/3。3D 打印无论是在中国还是在世界发达国家均已成为 其创新产品开发的利器。 思考与练习 1. 增材制造技术的成形原理是什么? 2. 增材制造方法与传统制造方法有什么区别? 3. 增材制造方法与传统制造方法有什么联系? 4. 简述增材制造成形过程可以分为哪几个步骤。 5. 增材制造技术有什么作用?