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金属增材制造工艺与展望
凌人蛟;王姗;陈晖
【摘要】针对基于逐层堆积的材料叠加增材制造技术在国防、汽车工业、航空航
天、医疗、商业机器和工业等领域的应用,文中介绍了激光和电子束作为高能束流
的金属增材制造技术、金属增材制造粉末材料的制备技术、金属增材制造质量工艺
控制,对金属增材制造技术进行了展望.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】3页(P128-130)
【关键词】增材制造;激光;电子束;金属粉末
【作者】凌人蛟;王姗;陈晖
【作者单位】哈尔滨职业技术学院机电工程学院,哈尔滨150081;合肥锐联传热技
术有限公司,合肥230601;东北林业大学机电工程学院,哈尔滨150040
【正文语种】中文
【中图分类】TG665
0引言
增材制造(AdditiveManufacturing,AM)是将粉末材料或丝材层层叠加直接制造
零件,具有高度的设计自由、便捷的客户定制和优化的产品性能,又称为自由成型
制造。金属增材制造是以金属粉末或金属丝材为原材料,采用电子束和激光等高能
束热源,无需模具的设计制造,具有工序简单、高度的柔性、更短的设计周期和制
造周期、高效的材料利用率等特点,与传统的铸造-锻造-机械加工相比,不但大大
地降低了生产成本,还可以生产传统减材制造难以加工的复杂内腔以及薄壁零件和
梯度材料[1-5]。
增材制造技术在汽车行业最早用于概念设计、适合性和功能性测试及模具制造。汽
车上的主要零部件由于批量生产成本过高而限制了增材制造技术的应用。但是近年
来,在热交换器的制造方面增材制造凸显制造优势。增材制造技术可以将散热器的
下壳、上壳和内部矩阵结构做为单一组件制造出来,使散热器成本更低,并且比传
统的散热器更坚固,其内部矩阵可以具有更复杂的设计,以解决诸如高功率密度部
件散热的转变问题。Conflux和FCA汽车集团等许多公司在利用增材制造技术开
发创新型汽车热交换器带有点阵结构的3D打印散热器,相比于普通汽车散热器点
阵结构,实现了较好的对流热交换性能,同时可以减轻散热器的重量。而英国
Betatype开发了适合通过增材制造技术生产的汽车LED大灯散热器,并通过粉末
床选区激光熔融设备实现了批量生产,大大减少了散热器的生产时间,从而降低了
散热器的成本。增材制造实现了功能集成化设计,减少散热器所需部件数量。
增材制造技术对提高航空航天材料(比如钛合金)的利用率起到了重要的作用[6-
7]。比如Arconic的AmpliforgeTM技术可以将Sciaky的大型电子束增材制造技
术(EBAM)与锻造相结合,可以获得兼顾质量、成本和效率的钛合金锻件。该方
法使用电子束增材制造技术快速生成近净形状,然后应用锻造技术获得适当的零件
强度。此外,NASA和SpaceX开始采用增材制造技术生产火箭的点火器、喷嘴
和燃烧室。
增材制造工艺能够“自由制造”个性化产品的特性受到医生以及工程人员的重视,
增材制造技术有望制造出性能上能够满足医用产品指标的金属个性化医用产品。根
据医学数字成像和通信数据,增材制造技术可直接个性化成型医用模型,协助医生
进行病情诊断以及治疗[8]。超过80种诸如脊椎类植入物和各类关节等增材制造医
疗植入体已经获得美国FDA的注册许可。近几年,随着我国增材制造技术在医用
金属材料的逐步发展成熟,可用于制作诸如关节和一些独特生物支架、牙科修复等
医疗产品。优材科技与北京大学口腔医学院联合进行“口腔修复体3D打印应用研
究与临床示范”项目研究,推动牙科增材制造材料与应用。科研领域,华南理工大
学杨永强等[9]针对生物兼容性材料CoCrMo合金进行了激光选区熔化的增材制造
技术的研究,获得了高致密度和较高力学性能的CoCrMo合金制件,用于牙科修
复体,为激光选区熔化CoCrMo合金增材制造技术的应用提供重要实验数据。
1金属增材制造工艺
金属零件高能束流快速制造可以采用激光束、电子束和等离子弧/离子束对金属粉
末或金属丝材进行增材制造。由于高能束流极具柔性,可聚焦、可扫描偏转、能量
可精确控制,在真空室内或惰性气体保护的环境中,使材料逐层熔化、凝固堆积,
构成了无模具的快速近净成型[2,4]。主要技术有:电子束熔丝沉积成型技术、激
光熔化沉积技术、激光选区熔
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