關(guān)于增材制造

增材制造是一項變革性技術(shù)，一般用3D打印指代。近年來，它已經(jīng)從生產(chǎn)低級聚合物零件發(fā)展成為一種可以提供采用包括金屬在內(nèi)的先進材料制成的原型和可用組件的概念，為設(shè)計工程師提供了許多令人興奮的可能性。

通過打印構(gòu)建零件的能力可以將工程實現(xiàn)能力提升到新的水平，從而可以創(chuàng)建通過傳統(tǒng)減材方法無法實現(xiàn)的更復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

本期小歐將介紹與增材制造相關(guān)的一些術(shù)語和常用技術(shù)，同時探討其未來的發(fā)展方向。

增材制造的歷史發(fā)展比許多人想象的要久遠。它的根源可以追溯到上世紀(jì)80年代初，當(dāng)時立體光刻一詞被用來描述一種通過紫外線激光固化液體聚合物樹脂的方法。

此后，增材制造工藝不斷創(chuàng)新，新技術(shù)和打印材料脫穎而出。機器變得更小、更便宜，使更多人更容易地使用。打印零件的應(yīng)用也擴展到航空航天、醫(yī)療、交通運輸和消費品等領(lǐng)域。

增材制造是一項令人興奮的技術(shù)。以下是五種重要的增材制造技術(shù)，其中一些經(jīng)過嘗試和測試，另一些則為市場上的新技術(shù)，它們將繼續(xù)發(fā)揮作用：

選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）使用激光熔化粉末生成3D物體。作為生產(chǎn)工業(yè)用聚合物零件的一種經(jīng)濟有效的方法，它一直很受歡迎。最新的系統(tǒng)使用新型二氧化碳和光纖激光器，為材料提供更可控的能量分布，從而實現(xiàn)更快的燒結(jié)、更高的精度和更精細的分辨率。另一項進步是開發(fā)了可以打印兩種不同材料的機器——一種用于支撐，一種用于打印。這種方法可以進一步降低SLS的成本。新材料也正在開發(fā)中，可以制造出適合航空航天領(lǐng)域的阻燃復(fù)合材料。

熔融沉積建模（FDM）

熔融沉積建模（FDM）由 Stratasys 在上世紀(jì)80年代末發(fā)明并注冊的商標(biāo)，其概念是使用控制器頭熔化熱塑性長絲，并從下到上逐層構(gòu)建由CAD/CAM文件生成的圖案。當(dāng)暴露在環(huán)境中時，作為冷卻過程的一部分，熔化的細絲會立即變成固體。該工藝經(jīng)過改進，可使用多種熱塑性塑料，這些熱塑性塑料已針對韌性、半透明性和生物相容性等因素進行了優(yōu)化。這些材料的開發(fā)使FDM普遍適用于制造概念驗證原型和簡單、輕量的工業(yè)零件。

直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）

直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）使用激光熔化粒狀鋁或鈦粉末，制造功能齊全的金屬零件，這些零件通常具有高強度重量比和復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀。這種方法非常適合生產(chǎn)主要用于航空航天和汽車的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，特別是在F1賽車中制造空氣動力學(xué)嵌件和排氣系統(tǒng)。它也越來越多地應(yīng)用于珠寶行業(yè)，以生產(chǎn)黃金等貴金屬零件。在這里，DMLS幫助珠寶設(shè)計師制作出其他技術(shù)無法實現(xiàn)的幾何形狀。但由于高昂的能源成本和耗材價格，DMLS的擁有和運營成本相對較高。

材料噴射

材料噴射利用位于構(gòu)建平臺上方的打印頭，在其上放置微小的材料液滴——幾乎是噴墨打印機的3D版本。當(dāng)這些液滴凝固形成一層時，重復(fù)該過程以構(gòu)建結(jié)構(gòu)。然后應(yīng)用紫外線來固化各層，并進行后處理以去除支撐材料。材料噴射技術(shù)于上世紀(jì)90年代末開發(fā)，現(xiàn)已成為生產(chǎn)精細的、功能性原型的行之有效的方法。醫(yī)療保健領(lǐng)域的一項有趣的應(yīng)用是創(chuàng)建與人體尺寸相同的解剖模型。這種方法有助于醫(yī)生直觀地解釋生理問題，并允許外科醫(yī)生提前進行手術(shù)培訓(xùn)。

線弧增材制造 (WAAM)

線弧增材制造 (WAAM)采用定向能量沉積技術(shù)，利用電弧作為熱源熔化金屬線材，可用于制造大尺寸的近凈形工件。研究人員此前曾使用該技術(shù)制造了一種由航空級鋁制成的一體式、6米長、重300公斤的雙面翼梁。這是一種新興方法，一直是學(xué)術(shù)界大力研究和開發(fā)努力的重點，以期推動其商業(yè)化。然而，這一技術(shù)也面臨諸如實現(xiàn)可接受的尺寸精度方法和克服制造零件的表面光潔度較低等問題。

增材制造領(lǐng)域方向很多，這些不同的技術(shù)為設(shè)計工程師提供了多種選擇。展望未來，增材工藝可能會以更加有趣的方式進行發(fā)展。例如，在更加智能的互聯(lián)制造環(huán)境時代，增材制造機器可以與工廠車間的其他生產(chǎn)系統(tǒng)更加緊密地集成在一起，從而實現(xiàn)互聯(lián)互通、遠程操控以及實時監(jiān)測。再比如與人工智能的結(jié)合會是另一個令人興奮的發(fā)展領(lǐng)域。視覺系統(tǒng)已經(jīng)加入到增材機器中，這可以實時記錄多種數(shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)輸入機器學(xué)習(xí)算法，可以為打印機提供有關(guān)特定材料的特性及其行為的詳細資料，進而制造出更加精確的零件。

隨著越來越多的公司從使用增材制造作為原型制作手段轉(zhuǎn)向應(yīng)用于批量生產(chǎn)，一系列新的商業(yè)模式可能會出現(xiàn)。增材制造似乎還有一段漫長而迷人的旅程。

編輯：黃飛