增材制造及其应用与展望

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1、第九届全国铸件挽救工程技术交流会论文集增材制造及其应用与展望·杨家林中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川省绵阳市绵山路64号919信箱623分箱，621900l基本概念L1前世今生’增材制造，又称3D打印(传媒界相对于传统二维打印而言的形象称呼)，实际上就是此前的快速原型技术(RapidPrototyping)，学术界称之为增材制造(AdditiveManufacturing)。3D打印始于上世纪80年代，美国人Hull发明了世界上最早的快速成型技术，并在1982年由3DSystem公司推出世界上第一台商业化的激光快

2、速成型设备(截至目前为止，3DSystem公司的市场占有率一直处于世界领先地位)。1．2发展历程历经20多年发展，3D打印已远非当初快速成型技术可比，目前终获主流认可，正朝着面向制造的产业化方向转变。此前有许多令人眼花缭乱的技术术语：RapidPrototyping，DirectDigitalManufacturing，SolidFreeformFabrication，AdditiveFabrication，AdditiveLayerManufacturing，以及基本原理相似的其它方法。为此，2009年美国材料与试验协

3、会(ASTM)成立TF42委员会，将各种RP统称为增材制造技术，在国际上取得了广泛认可与采纳。l。3通用定义3D打印是指通过添加材料直接从三维数学模型获得三维物理模型的所有制造技术的总称。AsTMF42将3D打印定义为：“Processofjoiningmaterialstomakeobjectsfrom3dmodeldata，usuallylayeruponlayer，asopposedtosubtractiremanufacturingmethodologies．”即：一种与传统的材料去处加工方法截然相反的，通过增加

4、材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。l-4基本原理包舀：咨=：≥‘!》画图1增材制造基本原理首先三维CAD模型被切成一系列二维的薄片状平面层；然后利用增材制造设备制造各薄片层，与此同时将各薄片层逐层堆积；最终制造出与三维数学模型完全一致的三维零件，也就是将零件的三维加工转换为二维或二维半加工，如图l所示。’中国工程物理研究院发展基金资助项目(资助号：201180203038)138第九届全国铸件挽救工程技术交流会论文集1．5独特优势1)响应速度快

5、：根据零件大小，加工时间仅为数小时至数十小时。2)加工柔性极高：可以加工任意复杂形状或结构，结构越复杂，优势越明显。3)制造过程扁平化、绿色化、低成本化：几乎是等量成型，材料利用率可达90％以上，是一项短流程、低成本、低风险、低排放的绿色制造技术。2重要性与认知度2．1美国国家层面的关注与重视美国工程院在2011年工程技术前沿论坛上，将增材制造列为四大议题的首要议题，并指出增材制造正孕育第三次工业革命，将给制造业带来革命性的变化。就好像Web2．o大大改变了电脑空间一样，如用户驱动型的Facebook、Twitter等社

6、交网络，增材制造将使制造业从“一代工厂”向“二代工厂”转变。2012年奥巴马讲话：提出“先进制造伙伴计划”，目的是重振美国制造业，指出增材制造是重要技术支撑。随后，美国出台了一些列的具体政策措施：1)计划成立向全美公民免费开放的全美制造技术创新联盟(NNMI，前期投入10亿美元，最多不超过15个研究院)：2)率先成立全美增材制造技术创新研究院(NAMII，具有先期示范带动作用，由美国国防部主导，前期投入1．15亿美元)。2．2我国国家层面的关注与重视中国工程院于2012年在武汉召开了第154场专场科技论坛暨增材制造技术国

7、际论坛，深入交流探讨了增材制造的意义、特点、难点与挑战等核心问题，为国家政策支持提供了科学依据。中国机械工程学会正筹建增增材制造分会，力争从行业协会角度促进增材制造技术的健康快速发展与推广应用。国家工信部正在筹划增材制造发展的顶层设计，并于2013年在航空航天领域设置了四项增材制造方面的重大课题研究，从国家层面给予了高度的关注与重视。最近，习近平主席、李克强总理在武汉光谷参观了增材制造技术与装备，均表态将从国家层面对增材制造(3D打印)技术与产业予以大力扶持与推动。2．3前所未有的研究与发展机遇增材制造技术的绝大多数专利

8、产生于上世纪80年代末和90年代初，相关基础专利已经过期或即将过期。这为后来者开展增材制造增材制造技术研究扫除了专利壁垒，开启了广阔的竞争空间，这在过去的20年里是不可能的，因为知识产权限制了后来者的发展空间。因此对于后来者，未来增材制造面临前所未有的研究与发展机遇。3主要技术种类3．1概述增材制造是一个很大的技术门