金屬增材制造將是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點(diǎn)

3D打印通過與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)深度融合，正在掀起一場全方位的新科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，這些曾經(jīng)的科學(xué)幻想，如今已經(jīng)融入人們的衣食住行用，將對(duì)人類生產(chǎn)模式、生活方式、價(jià)值理念等產(chǎn)生深刻影響。

未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點(diǎn)

世界各國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新增長點(diǎn)。全球著名的麥肯錫報(bào)告認(rèn)為，增材制造將是決定2025年經(jīng)濟(jì)的12大顛覆技術(shù)之一。美國《時(shí)代》周刊將增材制造列為 “美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《***》雜志認(rèn)為增材制造將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”，認(rèn)為該技術(shù)將改變未來生產(chǎn)與生活模式，實(shí)現(xiàn)社會(huì)化制造。以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、增材制造等為核心、以“工業(yè)4.0”為標(biāo)志的新一輪產(chǎn)業(yè)革命正在來臨，制造業(yè)將成為國家經(jīng)濟(jì)競爭力的關(guān)鍵所在。歐美等發(fā)達(dá)國家將增材制造作為“再工業(yè)化”、“重新奪回制造業(yè)”、“重振經(jīng)濟(jì)”的國家戰(zhàn)略，德國長期在金屬零件增材制造技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。

隨著土地、勞動(dòng)力等要素成本的快速上漲，資源環(huán)境約束進(jìn)一步增強(qiáng)，我國制造業(yè)傳統(tǒng)的低成本競爭優(yōu)勢不斷減弱，正面臨歐美發(fā)達(dá)國家“再工業(yè)化”和發(fā)展中國家低成本承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的“雙重?cái)D壓”。增材制造與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料技術(shù)、新設(shè)計(jì)理念的深度融合，將給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來變革性影響，被稱為新一輪工業(yè)革命的標(biāo)志性技術(shù)之一。當(dāng)前，增材制造已經(jīng)成為航空航天等高端設(shè)備制造及修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，初步成為產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)意及個(gè)性化產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)手段以及臨床診斷與治療的工具，并且應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。因此，借助云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新興信息技術(shù)，大力發(fā)展增材制造等顛覆性技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)“中國制造”向“中國智造”轉(zhuǎn)變的時(shí)代選擇，是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)彎道超速，打造我國制造業(yè)新優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)“制造強(qiáng)國夢(mèng)”的必然選擇，也是力爭搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的必然選擇。

金屬增材制造是最前沿和最有潛力的增材制造技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。金屬增材制造技術(shù)是以高能束流（激光束/電子束/電弧等）作為熱源，通過熔化粉材或絲材實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。根據(jù)所采用能量源和成形材料的不同，典型的金屬增材制造主要包括激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting, SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting, EBM）、激光近凈成形技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、電子束熔絲沉積成形（Electron Beam Freeform Fabrication, EBFF）和電弧增材制造（Wire and arc additive manufacturing, WAAM）。

表1：目前較成熟的典型金屬增材制造的技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn)等的對(duì)比

同步絲材送進(jìn)技術(shù)采用電子束或電?。–MT、MIG、TIG等）等作為熱源，將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積形成沉積層，最終形成“近形”制件。沉積層厚度為毫米量級(jí)，具有成形效率高，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前該技術(shù)主要用于制造大型零件毛坯，隨著技術(shù)的發(fā)展，通過增減材一體化復(fù)合，可能將為大型復(fù)雜構(gòu)件的低成本制造提供一種替代方案。電子束選區(qū)熔化（EBM）的優(yōu)點(diǎn)在于其能量密度高，熱影響區(qū)小，變形小，生產(chǎn)率高等，但須在真空環(huán)境中進(jìn)行，需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用具有一定局限性，但是電子束能力密度高，掃描速度快，束斑直徑大，成形精度不及激光選區(qū)熔化技術(shù)，隨著電子腔技術(shù)的發(fā)展，EBM技術(shù)將會(huì)得到快速的發(fā)展。激光成形最重要特點(diǎn)是熱量集中，加熱快、冷卻快、熱影響區(qū)小，進(jìn)而影響金屬相形成的均勻度。金屬激光近凈成形（LENS）采用的激光功率比較大（2-10 kW）、光斑直徑大（1-10 mm）、粉末沉積效率高(最大1-3 kg/小時(shí))，但是成形精度低（毫米級(jí)別），其技術(shù)特點(diǎn)適合應(yīng)用于大型構(gòu)件毛坯件的加工成形，隨著增減材一體化技術(shù)的發(fā)展，LENS技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步得到拓展。金屬選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術(shù)是目前金屬增材制造中發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，采用激光功率較低（200-1000W）、激光能量密度高（106-8W/cm2）、光斑直徑小（50-200μm）、粉末沉積效率低（5-30 cm3/h），但是制造精度很高（20μm），最小壁厚可以達(dá)到100μm，構(gòu)件性能可達(dá)到同成分鍛件水平，精度遠(yuǎn)高于精鑄工藝，零部件致密度近 100%。目前受到SLM設(shè)備成形尺寸的限制，SLM主要用于制造中小型復(fù)雜精密構(gòu)件，但隨著多振鏡和增減才一體化技術(shù)的發(fā)展，SLM的應(yīng)用領(lǐng)域和成形件尺寸都將得到進(jìn)一步的發(fā)展，短期內(nèi)被其他技術(shù)取代的可能性不大。如圖1所示，增材制造的成形質(zhì)量和成形效率之間存在著矛盾，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)綜合評(píng)估權(quán)衡成形質(zhì)量、效率和成本之間的關(guān)系，選擇性價(jià)比最佳的3D打印該工藝。

圖1：增材制造成形效率與成形質(zhì)量的關(guān)系

增材制造的應(yīng)用