浅谈增材制造相关技术及其发展

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1、浅谈增材制造相关技术及其发展[摘要]增材制造被认为是制造领域的一次重大技术突破，但与其相关的称谓有诸多种，本文阐述了增材制造的起源、特点、应用与发展等演变过程，指出概念归一。[关键词]增材制造、快速成型、3D打印中图分类号：F426.4文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）37-0082-02增材制造或3D打印技术作为现代社会的关注热点，被认为是制造领域一次重大技术突破及会带来“第三次工业革命”。但增材制造技术相关的称谓有多种，例如快速成形、快速原形、直接数字制造、增层制造、三维打印、实体自由制造及增量制造等，令人眼花缭乱，容易混淆不清

2、。1概述1.1起源增材制造技术的诞生源于“快速成型”（①又称成形）技术。8快速成型的基本原理是分层制造三维物体，其思想雏形可追溯到远古时期。例如：中国出土的并经考证4000年前的鲁漆器，用黏结剂把丝、麻黏结起来铺敷在底胎上，待漆干后挖去底胎成形；国外考古学家也发现古埃及人在公元前就已将木材切成板后重新铺叠翻成叠合材料，类似现代的胶合板。1892年，Blanther主张用分层方法制作三维地图模型。1979年东京大学的川威雄教授，利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的AlanJ.Hebert（1978年

3、）、日本的小玉秀一（1980年）、美国的Charlesw.Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自独立地首次提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化制作实体的新思想。美国的Charlesw.Hull则完成了第一个RP系统――立体光造型工艺（StereolithographyApparatus，SLA），是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。并于1984年获得专利。1988年，美国3DSystem公司推出的SLA-250液态光敏树脂选择性固化成形机。SLA是材料快速成形发展的一个里程碑，随后许多快速成形的概念、技术及成形机等才得以相继出

4、现，并逐步发展成为可以涵盖产品设计、研发和制造等全部环节的一种崭新的先进制造技术体系――增材制造技术。1.2概念1.快速原形制造（RapidProto-typing，RP），有代表性的定义如下：Terry8T.Wohlers和美国制造工程师协会（SME）对RP技术进行了定义：RP系统依据三维CAD模型数据、CT和MRI扫描数据和由三维实物数字化系统创建的数据，把所得数据分成一系列二维平面，又按相同序列沉积或固化出物理实体。颜永年等对RP的描述为：RP技术是基于离散/堆积成形原理的新型数字化成形技术，是在计算机的控制下，根据零件的CAD模型，通过材料的精

5、确堆积，制造原形或零件的。[1]2.增材制造（即AdditiveManufacturing，AM），关桥院士提出了“广义”和“狭义”的概念：“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群；“狭义”增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。[2]3.3D打印（ThreeDimensionPrinting，3DP），是一种依据三维数字模型文件，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，又称三维打印。“打印”是指借鉴了喷墨打印机的工作原理，普通的打印机是在纸上喷一层墨粉，

6、形成二维（2D）文字或图形，而3D打印喷出是融化的树脂、金属或者陶瓷等“印材料”，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来得到三维实物。1.3分类8按照成形工艺可分为基于激光或其他光源的成形技术，例如叠层实体制造、选择性激光烧结、形状沉积制造等；基于喷射的成形技术，例如熔融沉积制造、三维印刷打印等。按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等；按照技术种类划分，则有喷射成型、粘接剂喷射成型、光敏聚合物固化成型、材料挤出成型、激光粉末烧结成型、定向能量沉积成型等。2技术特点2.1材料成形技术路线传统的材料成形方法主要采用的

7、是去除材料的“减材成形”，其技术路线典型的有三种：一是机械加工方法，例如机械加工一个零部件，人们通过切削不断去除材料来获得所需要的零件形状；二是热加工方法，例如锻造成形是利用变形原理即使金属材料在强大的机械压力下改变形状来获得所需的零件；三是铸造、粉末冶金等方法，采用的是“赋形+固化”的成形原理，也即先通过模具赋予液态或粉末状的金属材料以形状，再通过冷却凝固或高温烧结的方法使材料固化来获得具有所需形状和强度的金属零件。增材制造的成形原理与这些传统方法截然不同，它采用逐渐增加材料的“增材成形”方法，又被称为实体自由成形技术或快速成形技术。所谓“自由”和“

8、快速”是指不需要模具来成形，省去了十分冗长的制造模具过程和昂贵的模具制造成本。因此，增材制造开