智能制造概论 课件 2.2 增材制造技术

《智能制造概论》课程2.2增材制造技术2.2增材制造技术

2.2.1增材制造概述增材制造(AM)是20世纪90年代初期涌现的一项新兴制造技术。经过近年来的发展,该技术面向航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略性新兴产业领域已经显现出巨大的应用价值和广阔的发展前景,是智能制造的重要发展方向。如今,增材制造已跻身世界先进制造领域发展最为迅猛、技术研究最为活跃、受关注程度最高的学科方向之列。2.2.1增材制造概述

1.增材制造的定义

增材制造也称作3D打印，它是相对于传统的机械加工等“减材制造”技术而言的，该技术基于离散堆积原理，以粉末或丝材为原材料，采用激光、电子束等高能束进行原位冶金熔化、快速凝固或分层切割，逐层堆积叠加形成所需要的零件。

增材制造由零件三维数据驱动，直接制造零件，它集成了CAD（计算机辅助设计）技术、CAM（计算机辅助制造）技术、CNC（计算机数控）技术、新材料技术及激光技术等多种先进技术。2.2.1增材制造概述

1.增材制造的定义与传统制造技术相比，增材制造不仅能够通过使用精准的几何形状和材料用量来减少浪费，而且因不需要大量使用其他辅助工具和仪器，实现了生产率的提升，这使得过去受到传统制造方式的约束而无法实现的复杂结构件制造变为可能。2.2.1增材制造概述2.增材制造成型原理及其工艺

增材制造的过程主要包括：

对CAD构造的产品三维模型进行分层切片，得到各层界面的轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸（或树脂固化、粉末烧结等），形成各界面并逐步叠加成三维产品。2.2.1增材制造概述2.增材制造成型原理及其工艺增材制造技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：构造三维模型、模型近似处理、切片处理、后处理等。增材制造过程如所示。2.2.1增材制造概述2.增材制造成型原理及其工艺

根据材料成型原理的不同，可以将增材制造技术分为以下几种工艺：

（1）光固化快速成型（SLA）（2）激光烧结成型（SLS）（3）分层实体制造成型（LOM）（4）熔融沉积成型（FDM）（5）选择性激光熔化成型（SLM）2.2.1增材制造概述

（1）光固化快速成型（SLA）

光固化快速成型工艺又叫作立体光刻印刷。

光固化快速成型的工艺原理如下：

液槽中装满了液态光敏树脂，控制系统指挥激光器按照零件各层的截面轮廓，在树脂表面逐点进行扫描；被激光扫描到的区域，光敏树脂会发生聚合而固化；完成一层固化后，工作台会下降一个层厚的距离，接着进行下一层的扫描工作；新固化的树脂层会与前一层紧密粘结，这样层层叠加，直到整个零件制造完成，最终形成一个三维的实体原型。2.2.1增材制造概述

（1）光固化快速成型（SLA）

光固化快速成型工艺原理图如下：2.2.1增材制造概述

（2）激光烧结成型（SLS）

激光烧结成型是利用激光照射粉末材料使其烧结，在计算机的控制下逐层堆积，最终形成所需形状。

根据所使用的粉末材料类型，激光烧结可分为直接烧结法和间接烧结法。2.2.1增材制造概述

（2）激光烧结成型（SLS）

激光烧结的工作原理：

利用铺粉辊在工作台或已成型的零件的上表面铺上一层很薄的粉末材料，并将这层材料加热到低于其烧结点的某个温度；随后，在计算机的控制下，激光束会按照零件当前层的轮廓对粉末进行扫描，使其与已成型部分紧密粘连；完成一个层面的烧结后，工作台会下降一个粉末层的高度，接着进行下一层的烧结过程，如此重复，直到整个零件制作完成。2.2.1增材制造概述（2）激光烧结成型（SLS）

激光烧结过程中，成型区的温度控制非常关键，若偏离最适成型温度较多，制件表面容易出现严重的球化现象，进而影响成型件的表面质量。激光烧结成型工艺原理如图所示。2.2.1增材制造概述

（3）分层实体制造成型（LOM）分层实体制造成型工艺如下：送料辊筒将背面带有热熔胶的纸材推进一个设定的步距，然后热压辊将纸材紧密地辊压在基底或已完成的叠层上，使其粘贴在一起。控制系统根据零件的当前轮廓指挥激光切割器进行层面的切割工作，完成当前层的切割后，接着进行下一层的制作，如此反复粘贴、切割、粘贴，直到模型制造完成，再将多余的废料除去。2.2.1增材制造概述（3）分层实体制造成型（LOM）分层实体制造成型工艺原理如图所示。2.2.1增材制造概述（4）熔融沉积成型（FDM）熔融沉积成型又称为熔丝成型。成型工艺原理：

熔融沉积成型装置的喷头可以沿x、y轴两个方向运动，工作台沿z轴方向运动，加热装置将热熔性丝状材料（简称丝材）加热至稍高于固化温度的熔融状态，喷头按照零件的截面轮廓信息在xy平面内运动并将熔融材料涂敷在前一层面，使其与之熔结在一起，完成一个面的沉积后，工作台下降一个预设增量的高度，继续涂覆、沉积，直至零件堆积成型。2.2.1增材制造概述（4）熔融沉积成型（FDM）成型工艺原理如图所示。

2.2.1增材制造概述（5）选择性激光熔化成型（SLM）以激光作为能量来源，根据三维CAD模型的切片数据，在金属粉末床层上按照预定路径逐层进行扫描。扫描过程中，金属粉末被激光熔化，随后凝固，实现冶金结合，最终形成与模型设计一致的金属零件。SLM技术解决了传统技术在制造复杂形状金属零件时遇到的难题，能够直接制造出近乎全致密且具备优良力学性能的金属零件。2.2.1增材制造概述

增材制造的优点：1.设计自由度高

增材制造技术可以制造出传统加工方法难以实现的复杂几何形状和内部结构，为设计师提供了极大的设计自由度。2.制造过程简化

无需传统的刀具、夹具和多道加工工序，增材制造技术通过逐层堆积材料的方式直接生成零件，大大简化了制造过程。2.2.1增材制造概述3.快速响应市场需求

增材制造技术能够快速制造出样品和零件，缩短了产品开发周期，使企业能够更快地响应市场需求。

4.材料利用率高

由于材料是按需添加的，增材制造过程中材料浪费较少，这有助于提高材料利用率并降低制造成本。2.2.1增材制造概述5.定制化生产能力强增材制造技术适合进行小批量、多品种的定制化生产，能够满足消费者的个性化需求。

6.集成化制造增材制造可以实现零件的一体化制造，减少装配环节，提高产品的整体性能和可靠性。7.降低成本通过减少刀具、夹具、模具的使用，以及缩短研发周期和减少材料浪费，增材制造技术有助于降低企业的整体制造成本。2.2.1增材制造概述2.2增材制造技术

2.2.2增材制造的关键技术（1）材料单元的控制技术在增材制造技术中，控制材料单元在堆积过程中的物理和化学变化是一项挑战，特别是在金属直接成型过程中，激光所形成的微小熔池的尺寸及周围环境对制造精度和制件的性能有着直接的影响。2.2.2增材制造的关键技术（2）设备的再涂层技术增材制造过程中，自动化涂层是实现材料逐层累加的必要工序，而再涂层的工艺方法则对零件材料在累加方向上的精度和质量起着决定性作用。随着技术的发展，分层厚度逐步向0.01mm级发展，因此，如何控制以实现更薄的层厚并保持其稳定性，成了提高制件精度和降低表面粗糙度的核心要素。2.2.2增材制造的关键技术

（3）高效制造技术增材制造正不断向大尺寸构件的制造领域拓展。比如,利用金属激光直接成型技术制造飞机上的钛合金框架结构件。框架结构件长度可达6m,如何实现多激光束同时作业,以提升制造速度,并确保各增材组织间的一致性及制造结合区的品质,是当前的技术难题。2.2.2增材制造的关键技术

（4）软件技术增材制造技术的发展离不开软件的支持，其中三维建模软件、数据处理软件及控制软件等构成了其核心基础。三维建模软件主要负责进行产品的数字化设计和仿真，并生成STL文件；数据处理软件负责进行STL文件的接口输入、可视化、编辑、诊断检验及修复、插补、分层切片，完成轮廓数据和填充线的优化，生成扫描路径、支撑及加工参数等；控制软件将数控信息输出到步进电动机，控制喷射频率、扫描速度等参数，从而实现产品的快速制造。2.2.2增材制造的关键技术（5）新材料技术成型材料是增材制造技术发展的关键要素之一，它使得产品能够从“点”到“线”再到“面”最终构成“体”，实现快速成型。目前常用材料有金属粉末、光敏树脂、热塑性塑料、石膏、纸、生物活性高分子等，并实现了工程应用。2024年，GE航空使用HEA（高熵合金）材料打印的涡轮盘通过地面测试，重量减轻15%，寿命提升3倍。2025年，国内医疗科技领域的领军企业先健科技（深圳）有限公司推出的Zn-3Mg-0.8Sr合金支架完成临床试验，其降解产物促进血管内皮化。2.2.2增材制造的关键技术

（6）再制造技术再制造技术以受损零件为对象，对失效部位进行修复处理，使零件恢复完整的结构和使用功能，并可根据实际需求进行性能优化。再制造过程首先需要对缺损零件进行清洗，然后制订详尽的修复计划，接着通过逆向工程技术创建缺损零件的精确三维模型，最后按照预定的路径进行精准的映射修复，其整个成型过程要求更高的精确度和可控性。再制造技术赋予了废旧产品新生命，延长了产品的服务周期，促进了产业可持续发展，成为增材制造技术的一个重要发展方向。2.2.2增材制造的关键技术2.2增材制造技术

2.2.3增材制造的应用

1.航空航天领域航空航天领域希望获得重量轻、强度大，甚至可以导电的部件，相关研究机构正在研发满足这些要求的材料，并着手制订材料及工艺的标准，以确保机器和零部件的质量保持一致性。2.2.3增材制造技术的应用

1.航空航天领域

西安铂力特公司以Ti64材料利用激光立体成形技术为某大型飞机打印了一个长达3m多的零件，该零件整体性能优于传统锻件，且各部位性能指标稳定，强度保持在920~950MPa之间，延伸率处于16%~18%范围内，最关键之处是在330MPa的载荷条件下，其疲劳寿命超过106h,相比于传统锻件的1.9×105h有较大的提升;而在修复方面，修复后零件性能几乎堪比新品性能。2.2.3增材制造技术的应用

2.汽车领域增材制造技术在汽车领域的技术要求相较于航空航天领域更为宽松，其市场前景更为广阔。从模型设计到复杂模具的制造加工，再到实现复杂零部件的轻量化直接成型，增材制造技术正逐步渗透到汽车领域的各个环节。2.2.3增材制造技术的应用3.生物医疗领域根据材料的发展状况及其生物学特性，生物增材制造技术分为三个应用层次：

一是医疗模型和体外医疗器械的制造，主要应用增材制造技术设计、制造三维模型或体外医疗器械，如3D打印胎儿模型、假肢等；

二是永久植入物的制造，主要用增材制造技术来制造永久植入物，如为患者打印股骨头植入物或下颌骨植入物等；三是细胞组织打印，主要用来构建体外生物结构体，如肾脏、人耳等，但该应用层次目前尚处于实验室研究阶段。2.2.3增材制造技术的应用4.装备制造领域增材制造技术作为一种新兴的加工方式，在传统加工方式已经非常成熟的工业装备制造领域崭露头角。凭借其独特的优势，增材制造技术有望显著提升工业装备的制造水平。因此，众多企业正积极行动，努力将这一技术尽快融入工业装备的实际生产中。2.2.3增材制造技术的应用5.军事领域增材制造技术广泛应用于军事技术研发辅助领域。增材制造技术可以制造具有复杂几何形状和高精度的军事零部件，如导弹弹体、坦克车体、发动机部件等。这些部件在传统制造方式下难以加工或成本高昂，而增材制造技术则能够使其轻松制造，显著提高了军事装备的性能和可靠性。2.2.3增材制造技术的应用2.2增材制造技术

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