增材制造相關(guān)術(shù)語(yǔ)和常用技術(shù)

關(guān)于增材制造

增材制造是一項(xiàng)變革性技術(shù)，一般用3D打印指代。近年來(lái)，它已經(jīng)從生產(chǎn)低級(jí)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(jìn)材料制成的原型和可用組件的概念，為設(shè)計(jì)工程師提供了許多令人興奮的可能性。

通過(guò)打印構(gòu)建零件的能力可以將工程實(shí)現(xiàn)能力提升到新的水平，從而可以創(chuàng)建通過(guò)傳統(tǒng)減材方法無(wú)法實(shí)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(yǔ)和常用技術(shù)，同時(shí)探討其未來(lái)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(yuǎn)。它的根源可以追溯到上世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)立體光刻一詞被用來(lái)描述一種通過(guò)紫外線(xiàn)激光固化液體聚合物樹(shù)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(jī)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(kuò)展到航空航天、醫(yī)療、交通運(yùn)輸和消費(fèi)品等領(lǐng)域。

增材制造是一項(xiàng)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(guò)嘗試和測(cè)試，另一些則為市場(chǎng)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(jì)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(shí)現(xiàn)更快的燒結(jié)、更高的精度和更精細(xì)的分辨率。另一項(xiàng)進(jìn)步是開(kāi)發(fā)了可以打印兩種不同材料的機(jī)器——一種用于支撐，一種用于打印。這種方法可以進(jìn)一步降低SLS的成本。新材料也正在開(kāi)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(cè)的商標(biāo)，其概念是使用控制器頭熔化熱塑性長(zhǎng)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(shí)，作為冷卻過(guò)程的一部分，熔化的細(xì)絲會(huì)立即變成固體。該工藝經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可使用多種熱塑性塑料，這些熱塑性塑料已針對(duì)韌性、半透明性和生物相容性等因素進(jìn)行了優(yōu)化。這些材料的開(kāi)發(fā)使FDM普遍適用于制造概念驗(yàn)證原型和簡(jiǎn)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(qiáng)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(chē)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，特別是在F1賽車(chē)中制造空氣動(dòng)力學(xué)嵌件和排氣系統(tǒng)。它也越來(lái)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(jì)師制作出其他技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀。但由于高昂的能源成本和耗材價(jià)格，DMLS的擁有和運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較高。

材料噴射

材料噴射利用位于構(gòu)建平臺(tái)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(jī)的3D版本。當(dāng)這些液滴凝固形成一層時(shí)，重復(fù)該過(guò)程以構(gòu)建結(jié)構(gòu)。然后應(yīng)用紫外線(xiàn)來(lái)固化各層，并進(jìn)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(kāi)發(fā)，現(xiàn)已成為生產(chǎn)精細(xì)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(xiàng)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(wèn)題，并允許外科醫(yī)生提前進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn)。

線(xiàn)弧增材制造 (WAAM)

線(xiàn)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(xiàn)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(jí)鋁制成的一體式、6米長(zhǎng)、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(kāi)發(fā)努力的重點(diǎn)，以期推動(dòng)其商業(yè)化。然而，這一技術(shù)也面臨諸如實(shí)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(wèn)題。

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

隨著越來(lái)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(huì)出現(xiàn)。增材制造似乎還有一段漫長(zhǎng)而迷人的旅程。

編輯：黃飛