增材制造的原理、技术特征及应用

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1、增材制造的发展、应用与展望摘要：随着科学技术的发展，全球范围内的制造行业已经处于一种激烈的竞 争环境中，而CAX （Computer AidedX，即计算机辅助X,包括设计、制造等等） 和DFX （Design For X,即面向X的设计，包括设计、制造、产品、市场等等）等 概念和方法的提出,使得对制造行业产品从设计到生产完成的周期要求越来越短 更高的产品开发周期以及个性化的的产品供应已经成为了制造行业企业竞争力 的体现。而随着数字化技术和材料技术的发展与进步,增材制造这种快速成型技 术得到了足够的技术支持和技术积累,得以满足目前激烈的竞争需求。本文从增材制造的原理出发,介绍了增材制造的发展现

2、状五大技术特点,介 绍了目前增材制造的成熟运用以及前景展望。关键词：增材制造 原理 发展 技术特点 前景1. 引言增材制造（Additive Manufacturering）技术，也即通常所称的3D打印技术, 或者快速成型技术。增材制造技术是指基于离散 -堆积原理,由零件三维数据驱 动直接制造零件的科学技术体系；也即通过零件三维数据的解析,由材料本身的 量度通过二维堆积形成三维立体,制造出零件。与传统的去除材料的切削加工成型工艺不同,增材制造的原理是累积材料的 过程,通过将三维模型离散化处理成点、线或者面,然后逐步累积材料堆积出模 型的三维实体。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,在

3、一台设备 上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件,可解决许多过去难以制造的复杂 结构零件的成型,减少了加工工序,缩短了加工周期。1-3由于增材制造存在周期 短、可以加工复杂曲面等优势,从增材制造技术提出至今的近30 年来,增材制 造的理论方法与相关技术支持与积累都在不断的发展。同时,受限于增材制造相 关技术的限制,目前的增材制造也呈现出来多元化的发展趋势。2. 增材制造的发展2.1 增材制造的发展历程增材制造中的核心思想“材料叠加”最早与 19 世纪末起源于美国。 想最早起源于美国。早在 1892 年, J . E . Blanther 在其专利中曾建议用分层制造 法构成地形图（如图1所示）

4、。紧随其后,于1902 年,运用分层制造技术, Carlo Baese 在专利中提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。20 世纪50 年代之后, 出现了上百个有关 3D 打印的专利。4直至20 世纪80 年代,由于材料技术和数 字技术有了长足的发展作为技术支撑,增材制造技术开始急速发展。986年Hull 发明了光固化成形技术,实现了基于分层制造与材料叠加的快速成型制造,基于 此技术成立了世界上第一家生产增材制造设备的公司一3D Systems公司，并于1988年生产出了世界上第一台3D打印机（如图2所示）。其后，新的3D打印技术不断被提出，增材制造技术也不断发展和进步，并依次得到更为广泛的应用。

5、图 1 分层制造法构成地形图图2世界上第一台3D打印机1989年美国德克萨斯大学的Deckard发明了粉末激光烧结技术（SLS）【6-8, 其原理示意图如图3所示；1992年Crump发明了熔融沉积制造技术（FDM）,原 理如图4所示5； 1994年，德国公司EOS推出了 EOSINT选择性激光烧结设备； 1996年，3D Systems公司使用喷墨打印技术制造出其第一台3D打印机一Actua 2100，如图 5所示；同年， Z Corp 也发布了 2402 3D 打印机。图 3 SLS 的原理示意图图 5 Actua 2100 3D 打印机2.2 目前增材制造的技术特点时至今日，增材制造技术

6、已经有了长足的发展，其种类、技术原理和应用范 围也有许多的种类。但到目前为止，虽然其成型的技术方法多种多样，且各有优 劣，但是增材制造目前具备 5 个基本的技术特点。1）数字制造增材制造由零件数字模型直接驱动材料的堆积过程，可快速、高效和精确地 再现三维模型。也就是说，增材制造是基于数字制造的，因此增材制造是一种CAM 方法（计算机辅助制造）的实际运用。增材制造首先需要具备零件的三维数字化模型，通过一定的算法，由计算机 辅助规划，在加工制造的预处理过程中，先将三维零件转化为有厚度的二维片层 的组合，再通过预设算法将二维片层的组合转化为运动轨迹，最后分解为3D打 印机每个单轴的数字控制。因此，

7、3D 打印对于数字制造是由很强的依赖性的。 数字制造的精度和效率，决定了 3D打印的精度和效率。2）降维制造（分层制造）降维制造（分层制造）是增材制造的基本技术原理，即在三维空间中进行二 维加工、三维堆叠，最终加工形成三维立体的零件。由于其降维和堆叠的特性， 使得增材制造的加工柔性极高。3）堆积制造堆积制造是增材制造的另一个技术特点。堆积制造是指零件所有部分都通过 材料的受控堆积成形，通过对材料堆积过程的控制，可以实现各个位置的材料和 微结构进行控制实际上，堆积制造是由增材制造的基本原理决定的。增材制造基于分层制造， 是一个三维到二维的过程；但由于零件最终是三维的，因此需要一个二维还原到 三维

8、的过程，也即堆积制造。4）直接制造直接制造是指在增材制造的过程中，材料的制备过程可与零件的成形过程是 一体化的，也即零件是材料“长”成的，在材料形“长”成零件的过程中，就已 经考虑到了零件的形貌特征，通过形貌特征决定特定的三维空间是否需要“长” 材料（即是否需要进行材料的填充）。因此，零件的形貌特征并不影响加工的技 术过程，使用增材制造几乎可以无视材料的复杂特征，可解决难加工材料的成形 问题。但需要注意的是，增材制造的直接制造过程可以忽略材料的复杂表面特征， 但是相对于传统制造而言，并不具备特征尺寸量级要求上的优势。5）快速制造增材制造是一个直接制造的过程，零件由材料一步“长”成，不需要经过铸

9、 锭、开坯、锻造、初加工等传统工序，由粉末材料直接获得近净成形的零件。因 此，相对于传统制造过程而言，其加工制造的过程更为简单快速。3. 增材制造的应用与展望3.1 目前增材制造的应用增材制造的技术特点决定了相对于传统制造而言，其具备以下优势：1）不需要专用的机械加工卡具和磨具等，生产制造过程具备很高的柔性， 同一套设备可以制造出形貌特征差别较大的不同零件，相对于传统的机械加工而 言，特别适合于个性化的产品定制；2）直接制造，可以实现非常复杂的曲面特征加工，且不影响生产制造的成 本；3）数字制造，可以集数字设计、数字加工为一体，使产品的研发和制造集 成为一个过程，大大缩短产品的研制周期，提高了

10、产品的生产效率；4）直接制造过程决定了增材制造在零件生产的过程中，将不需要大量的材 料取出，因此相对于传统的机械加工而言是一个更加节省资源和能源的加工方式。但是，受限于目前材料技术和数控技术的发展，增材制造相对于传统机械制 造过程而言存在以下不足：1）增材制造要求加工过程中能够有足够的技术方法实现材料的相变，实现 材料的分层堆积成型，因此，增材制造的过程中会产生材料相变所带来的能源消 耗；2）增材制造要求材料能够在目前的技术范围内实现相变，对材料的可加工 性有很高的要求；3）增材制造的过程中，由于材料的相变，导致成型精度相对传统制造而言 更加困难。由于上述缺陷，导致增材制造技术下，在不考虑设备

11、附加成本时，相对传统 制造而言，其成本更加高昂。因此，增材制造适用于设备附加成本高昂的场合， 如质量检验模型的单件制造、个性化设备的制造、复杂特征零件的制造等等。目前，增材制造技术在日常消费品、汽车、航空航天、医疗、艺术设计、在 制造领域获得了广泛的应用，增材制造的材料也从最开始的光聚合物材料发展到 多种机械性能各异的尼龙、塑料，甚至到金属和玻璃等等。增材制造的具体应用如下9：1）设计方案评价一一通过3D打印快速制造实体模型，检验设计的外观、性 能等等，进行设计评价；2）医学与医疗工程通过 CT 数据的三维重建技术，使用增材制造技术实 现器官、骨骼等实体模型的快速制造，以指导手术方案货值制作组

12、织工程和定向 药物运输骨架等等；3）工艺品等的外观个性化定制利用增材制造制作个性化模具，实现各 种材料的工艺品的快速个性化定制；4）电子器件的设计与制作利用增材制造可以在玻璃、柔性透明树脂等 基板上，设计制作电子器件和光学器件。总之，目前的增材制造不论应用在哪个行业，其应用场景都具备小批量、多 种形貌特征、快速定制的特征。3.2 目前研究领域对增材制造的应用目前，在导师弥胜利副教授的指导下，我目前主要从事于一些医疗器械开发 的工作。目前已经开展的工作包括加压式烧伤疤痕康复装置和加压式眼睑腺炎治疗 装置。这两款医疗器械都具备一个共同的特点：依赖于人体的形貌特征，要求装 置的加压部件能够向不同的人

13、体外形施加均匀的压力。在这种情况下，如果装置 的加压部件只具备一种形状，那么由于不同烧伤部位有不同的形貌特征，不同人 的眼睑尺寸、外观也不尽相同，因此烧伤疤痕康复装置很难实现向不同烧伤部位 的均匀加压，眼睑腺炎治疗装置也难以适用于所以患者。而增材制造的优势则可以很好的解决这一问题。通过逆向工程技术，获取患 者需要加压的部位的表面特征后，通过计算机辅助设计软件，实现加压部件的快 速设计，再通过增材制造，之间实现数字化的设计零件的直接快速制造。这样由 于增材制造的个性化和快速性，既能够实现不同患者的不同需求，也不会因为产 品设计制造过程过长导致患者的病情延误。3.3 增材制造的展望一般而言，制造技

14、术发展到一定的阶段以后，制造技术会向着三个极端的方 向发展：极大，极小和极快。也即微小尺寸产品的生产，超大尺寸产品的生产和超高的生产效率。增材制造的技术趋势也会沿袭这一发展道路。 而基于目前的技术，增材制造技术的应用前景如下：1）功能部件直接制造高性能零件的直接制造，如金属零件的增材制造 技术；2）生物三维打印生物材料及活细胞的三维打印，为个性化治疗、再生 医学、生物学研究、生物制药等提供生物三维结构体；3）艺术创意三维打印为建筑、雕塑、饰品等的数字化艺术提供制造手 段；4）个人（家庭）三维打印基于网络和个人创意的大众化、桌边制造应 用。4. 总结增材制造在存在至今的近30 年里，一直处于一种

15、上升的发展趋势。依据目 前的增材制造相关技术，增材制造还是只适用于小批量、多类别的产品制造。而 随着材料、计算机及数字控制方面技术的进一步发展和突破，增材制造在未来也 有望突破现有的技术门槛和成本限制，成为一种普适的加工制造方式。5. 参考文献1 孙长库，许志钦.3D逆向工程技术M.北京:中国计量出版社,2002.2 童水光，金涛.逆向工程技术M.北京:机械工业出版社,2003.王霄.逆向工程技术及其应用M.北京:化学工业出版社,2004.何永军.3D打印技术改变世界格局的源动力J.新材料产 业,2013,08:2-8.5Hull C W. Apparatus for production of thrcc-dimensional objects by stcrcolithography. US Patent, US4575330 A,1986.刘继红,许文婷，敬石开.面向增材制造的正向产品建模技术J.中国科学: 信息科学,2015,02:181-196.7黄卫东,吕晓卫,林鑫.激光成形制备生物医用材料研究现状与发展趋势 J. 中国材料进展,2011,30（14）:1 一 10.余前帆.增材制造3D打印的正称J.中国科技术语,2013,04:46-48+52.李小丽,马剑雄,李萍，陈琪，周伟民.3D打印技术及应用趋势J.自动化仪 表,2014,01:1-5.