增材制造相关术语和常用技术

关于增材制造

增材制造是一项变革性技术，一般用3D打印指代。近年来，它已经从生产低级聚合物零件发展成为一种可以提供采用包括金属在内的先进材料制成的原型和可用组件的概念，为设计工程师提供了许多令人兴奋的可能性。

通过打印构建零件的能力可以将工程实现能力提升到新的水平，从而可以创建通过传统减材方法无法实现的更复杂的内部结构。

本期小欧将介绍与增材制造相关的一些术语和常用技术，同时探讨其未来的发展方向。

增材制造的历史发展比许多人想象的要久远。它的根源可以追溯到上世纪80年代初，当时立体光刻一词被用来描述一种通过紫外线激光固化液体聚合物树脂的方法。

此后，增材制造工艺不断创新，新技术和打印材料脱颖而出。机器变得更小、更便宜，使更多人更容易地使用。打印零件的应用也扩展到航空航天、医疗、交通运输和消费品等领域。

增材制造是一项令人兴奋的技术。以下是五种重要的增材制造技术，其中一些经过尝试和测试，另一些则为市场上的新技术，它们将继续发挥作用：

选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结（SLS）使用激光熔化粉末生成3D物体。作为生产工业用聚合物零件的一种经济有效的方法，它一直很受欢迎。最新的系统使用新型二氧化碳和光纤激光器，为材料提供更可控的能量分布，从而实现更快的烧结、更高的精度和更精细的分辨率。另一项进步是开发了可以打印两种不同材料的机器——一种用于支撑，一种用于打印。这种方法可以进一步降低SLS的成本。新材料也正在开发中，可以制造出适合航空航天领域的阻燃复合材料。

熔融沉积建模（FDM）

熔融沉积建模（FDM）由 Stratasys 在上世纪80年代末发明并注册的商标，其概念是使用控制器头熔化热塑性长丝，并从下到上逐层构建由CAD/CAM文件生成的图案。当暴露在环境中时，作为冷却过程的一部分，熔化的细丝会立即变成固体。该工艺经过改进，可使用多种热塑性塑料，这些热塑性塑料已针对韧性、半透明性和生物相容性等因素进行了优化。这些材料的开发使FDM普遍适用于制造概念验证原型和简单、轻量的工业零件。

直接金属激光烧结（DMLS）

直接金属激光烧结（DMLS）使用激光熔化粒状铝或钛粉末，制造功能齐全的金属零件，这些零件通常具有高强度重量比和复杂的内部几何形状。这种方法非常适合生产主要用于航空航天和汽车的复杂结构零件，特别是在F1赛车中制造空气动力学嵌件和排气系统。它也越来越多地应用于珠宝行业，以生产黄金等贵金属零件。在这里，DMLS帮助珠宝设计师制作出其他技术无法实现的几何形状。但由于高昂的能源成本和耗材价格，DMLS的拥有和运营成本相对较高。

材料喷射

材料喷射利用位于构建平台上方的打印头，在其上放置微小的材料液滴——几乎是喷墨打印机的3D版本。当这些液滴凝固形成一层时，重复该过程以构建结构。然后应用紫外线来固化各层，并进行后处理以去除支撑材料。材料喷射技术于上世纪90年代末开发，现已成为生产精细的、功能性原型的行之有效的方法。医疗保健领域的一项有趣的应用是创建与人体尺寸相同的解剖模型。这种方法有助于医生直观地解释生理问题，并允许外科医生提前进行手术培训。

线弧增材制造 (WAAM)

线弧增材制造 (WAAM)采用定向能量沉积技术，利用电弧作为热源熔化金属线材，可用于制造大尺寸的近净形工件。研究人员此前曾使用该技术制造了一种由航空级铝制成的一体式、6米长、重300公斤的双面翼梁。这是一种新兴方法，一直是学术界大力研究和开发努力的重点，以期推动其商业化。然而，这一技术也面临诸如实现可接受的尺寸精度方法和克服制造零件的表面光洁度较低等问题。

增材制造领域方向很多，这些不同的技术为设计工程师提供了多种选择。展望未来，增材工艺可能会以更加有趣的方式进行发展。例如，在更加智能的互联制造环境时代，增材制造机器可以与工厂车间的其他生产系统更加紧密地集成在一起，从而实现互联互通、远程操控以及实时监测。再比如与人工智能的结合会是另一个令人兴奋的发展领域。视觉系统已经加入到增材机器中，这可以实时记录多种数据，将所得数据输入机器学习算法，可以为打印机提供有关特定材料的特性及其行为的详细资料，进而制造出更加精确的零件。

随着越来越多的公司从使用增材制造作为原型制作手段转向应用于批量生产，一系列新的商业模式可能会出现。增材制造似乎还有一段漫长而迷人的旅程。

编辑：黄飞