金屬增材制造設(shè)備的案例
沈航：面向金屬增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計研究進展
例如，應(yīng)用填充微觀點陣結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星支架多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，使衛(wèi)星支架減重17%，動態(tài)響應(yīng)減少25%；考慮切口、保持傳統(tǒng)鈑金輪廓的渦輪發(fā)動機支架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，使發(fā)動機支架減重25%；考慮增材制造工藝、擴大設(shè)計空間的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，使發(fā)動機支架減重66%，最大位移減少約50%；由30多個單獨部件組成的穩(wěn)定器前翼梁支架，應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化一體化設(shè)計，成功實現(xiàn)前翼梁支架減重30%，顯著改善結(jié)構(gòu)性能，提升加工效率。
金屬增材制造技術(shù)
然而拓?fù)錁?gòu)型通常較為復(fù)雜，受制于傳統(tǒng)制造工藝限制，設(shè)計人員往往需要簡化最優(yōu)拓?fù)錁?gòu)型，這導(dǎo)致拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢不能充分體現(xiàn)。增材制造技術(shù)使用高能束熱源，采用“自下而上”材料逐層熔化沉積的疊加方式，無需模具，可實現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)錁?gòu)型的快速“自由制造”，解決了結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在的“制造決定設(shè)計”的問題，極大地拓寬了設(shè)計空間。但金屬增材制造技術(shù)并不是完全“自由制造”技術(shù)，仍存在特有的制造約束，如當(dāng)拓?fù)錁?gòu)型最小尺寸小于設(shè)備精度時，則會出現(xiàn)打印失敗現(xiàn)象；受制于設(shè)備成形腔與結(jié)構(gòu)熱變形限制，增材制造大型構(gòu)件時，需進行分塊與連接處理；增材制造零件有時會沿構(gòu)建方向出現(xiàn)20%~40%的強度損失；對于粉末床增材制造技術(shù)，在制造含有封閉孔洞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時會出現(xiàn)內(nèi)部粉末與支撐難以去除等問題。因此，在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計中考慮增材制造約束，發(fā)展面向金屬增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法具有重要意義。
展開 專訪易加三維：從預(yù)研到批產(chǎn)，金屬3D打印正走向直接制造
南極熊導(dǎo)讀：有那么幾年時間，國內(nèi)的金屬3D打印應(yīng)用項目普遍處于研究和驗證過程，一旦到了批產(chǎn)階段，就有大批的產(chǎn)品需要開始制造生產(chǎn)。從預(yù)研到批產(chǎn)，金屬3D打印正走向直接制造，國內(nèi)的易加三維是一個很好的踐行者。
2021年5月27日，在TCT 亞洲3D打印展期間，易加三維展出了自主研發(fā)的四激光大尺寸金屬增材制造系統(tǒng)EP-M650、中大尺寸主流金屬增材制造設(shè)備EP-M300以及尼龍3D打印機EP-P420。那么這些新設(shè)備都有哪些特點？適用于哪些領(lǐng)域？易加三維近年來的發(fā)展如何？對于3D打印行業(yè)的趨勢如何看待？
帶著這些問題，南極熊采訪了易加三維渠道銷售總監(jiān)郭天文。
△易加三維最新發(fā)布的四激光金屬機EP-M650（易加三維渠道銷售總監(jiān)郭天文（右）南極熊3D打印網(wǎng)潘學(xué)松（左））
據(jù)南極熊了解，此次易加三維推出的EP-M650設(shè)備是依托于2016年科技部的一個重點專項，聯(lián)合清華大學(xué)以及北京的軍工院所一起完成的這個項目。
郭天文表示：“這個項目在2020年12月已經(jīng)順利結(jié)題，當(dāng)時科技部提的成形尺寸指標(biāo)是500x500x500mm，而易加三維最后交付的設(shè)備成形尺寸達到了650x650x750mm，所以算是超額完成預(yù)期?！?△易加三維展出的大尺寸3D打印金屬件
在本屆TCT展會上，大尺寸金屬3D打印成為人們關(guān)注的焦點，金屬3D打印廠商是為了彰顯實力，還是市場所需？郭天文表示：“我們認(rèn)為大尺寸的需求其實一直都在，只是因為之前金屬打印的性能，和整個裝備水平并沒有被行業(yè)完全接受。它需要一個過程，隨著這幾年尤其是在軍工市場，越來越多的預(yù)研件變成了批量生產(chǎn)，所以大家越來越接受金屬3D打印的性能，需求也就隨之變多，大尺寸的需求好像就一下起來了。”
郭天文繼續(xù)說道：“核心的問題我覺得應(yīng)該還是大家越來越接受3D打印技術(shù)。
展開 包括GE與GKN的115家金屬3D打印關(guān)聯(lián)企業(yè)參展，國內(nèi)航空制造業(yè)洞悉全球增材制造技術(shù)的必去展會
世界三大增材制造專業(yè)展覽會*之一的TCT亞洲展——亞洲3D打印、增材制造展覽會將于2019年2月21日在上海新國際博覽中心拉開序幕，其中涉及金屬增材制造技術(shù)的企業(yè)創(chuàng)紀(jì)錄地達到了115家，其中包括了GE的增材制造的子公司GE Additive、GKN公司、歐瑞康、通快、DMG MORI等航空加工制造的企業(yè)。
對于國內(nèi)航空制造企業(yè)而言，TCT亞洲展能夠一站式幫助獲取增材制造技術(shù)迭代情況；了解GKN、歐瑞康等國際航空制造供應(yīng)鏈企業(yè)如何迎接增材制造的挑戰(zhàn)，以及如何應(yīng)對增材及整個數(shù)字化制造對航空制造、維修的變革。
讓我們盤點一下明年TCT亞洲展對航空行業(yè)有哪些不容錯過的部分。
01
2018 年TCT亞洲展現(xiàn)場
· 下一代金屬增材制造設(shè)備登場 ·
目前國內(nèi)航空領(lǐng)域裝機量較多的金屬3D打印設(shè)備，以德國的EOS M280以及英國RenishawAM250為多，是兩家公司在2011年先后推出的基于激光熔融技術(shù)開發(fā)的增材制造設(shè)備。
02
C919大型客機應(yīng)急門導(dǎo)向槽零件
而明年亮相的最大革命性技術(shù)，非全球增材制造的最大獨角獸——Desktop Metal在亞洲的首次出展，該公司目前估值為10億美金，投資者包括Google、通用汽車。
展開 如何徹底了解金屬3D打印，來看這個展覽就夠了！
國內(nèi)金屬增材制造技術(shù)順應(yīng)市場需求蓬勃發(fā)展
金屬增材制造三個重要的因素，設(shè)備、材料和工藝，國內(nèi)目前在這三方面還有提高的空間。進入2020年以來，雖然受到新冠肺炎疫情的影響，但從多方反饋的信息來看，國內(nèi)的金屬3D打印市場出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長：航空航天、軍工等領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)出現(xiàn)了需求激增，為了應(yīng)對市場對金屬3D打印技術(shù)的需求，國內(nèi)金屬增材設(shè)備制造企業(yè)正在向大尺寸、多材料、高精度、高效率方向發(fā)展。
深耕國內(nèi)市場的中國金屬3D打印專家鉑力特（展位號：E30），據(jù)鉑力特發(fā)布的2020年財報顯示，鉑力特2020財年實現(xiàn)營業(yè)收入4.1億元，較上年增長28.1%；歸屬公司凈利潤8670萬元，較上年增長16.74%。在全球疫情形勢緊張，經(jīng)濟停滯的情況下，鉑力特的營收和利潤保持著較高增長。
隨著產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的深入，多激光大尺寸的金屬3D打印機越來越得到重視和應(yīng)用。今年，鉑力特在TCT亞洲展400平米的全場最大展出面積注定將成為看點之一，他們將帶來怎樣的技術(shù)和設(shè)備，期待與大家在現(xiàn)場一起揭秘。
2020年6月，中國領(lǐng)先的金屬3D打印全套解決方案提供商飛而康（展位號：E52）與華曙高科（展位號：H02）聯(lián)合宣布了金屬增材制造超級工廠計劃，這個計劃包含安裝50臺華曙高科金屬增材制造設(shè)備，截止2021年4月，超級工廠已成功安裝第25臺華曙高科金屬增材制造設(shè)備，以大型和超大型設(shè)備為主，并已完成12000平方廠房的擴建和裝修，設(shè)立航天事業(yè)部，利用大尺寸SLM設(shè)備生產(chǎn)大型航天器零件。未來，飛而康規(guī)劃將繼續(xù)擴大產(chǎn)能，新增打印廠房并合作制粉工廠，加速3D打印產(chǎn)業(yè)化！
本月底，華曙高科將在TCT展會現(xiàn)場重磅發(fā)布8激光金屬增材制造系統(tǒng)和雙激光Flight技術(shù)及設(shè)備，以及3款全新高分子3D打印材料。
展開 
仿真技術(shù)助力實現(xiàn)成功的增材制造
增材制造又稱為3D打印，獲得了全球各個行業(yè)的廣泛關(guān)注與期待，制造高度定制化部件的功能，不僅有望大幅降低生產(chǎn)成本和減少材料浪費，同時提高客戶滿意度和利潤率。此外，增材制造還可以促進產(chǎn)品創(chuàng)新和提高市場響應(yīng)度，因為設(shè)計方案只需短短幾分鐘就能夠從數(shù)字文件轉(zhuǎn)變成成品。
在當(dāng)今競爭日益白熱化的環(huán)境中，許多商業(yè)巨頭都致力于通過滿足客戶的獨特需求來贏得銷售額。增材制造允許工程師輕松調(diào)整基本設(shè)計，設(shè)計出針對性的功能或者使用不同的材料組合，從而能夠支持大規(guī)模定制。這樣不但能夠幫助消費類產(chǎn)品企業(yè)以低成本研發(fā)定制產(chǎn)品，而且比如在醫(yī)療行業(yè)中，這意味著醫(yī)療設(shè)備能夠輕松裝配到患者體內(nèi)，以提高療效。
雖然金屬增材制造在實現(xiàn)戰(zhàn)略與財務(wù)收益方面的潛力無限，但是目前該技術(shù)的主要用戶局限于具備成熟產(chǎn)品設(shè)計的大型企業(yè)，如：航空航天公司。這些公司需要設(shè)計的產(chǎn)品不僅具有極其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)、而且采用非常耐用的材料混合物，因此自然而然地會率先采用增材制造技術(shù)。
然而，由于進入成本降低?主要得益于金屬增材制造設(shè)備的成本較低?更多公司將希望探索3D打印技術(shù)的優(yōu)勢。在此過程中，他們必須要解決眾多實際挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括采納新的工作流程、調(diào)節(jié)不熟悉的生產(chǎn)參數(shù)以及消除生產(chǎn)錯誤和浪費。最后一個同樣很重要的挑戰(zhàn)是：增材制造粉末的成本目前遠遠高于傳統(tǒng)材料。打印任務(wù)失敗會產(chǎn)生驚人的代價。
不過也有好消息。正如仿真技術(shù)40多年來一直在優(yōu)化傳統(tǒng)工程與生產(chǎn)過程，仿真一直在不斷發(fā)展，以解決這些新的挑戰(zhàn)。利用仿真技術(shù)，工程師現(xiàn)在不但能夠確定其產(chǎn)品設(shè)計在現(xiàn)實條件下的性能，而且還能夠精確了解設(shè)計方案在具體機器上將如何打印。參與生產(chǎn)過程的每個人?從設(shè)計人員到機器操作員?都能夠借助通用平臺進行協(xié)作，并共享有關(guān)增材制造結(jié)果的全面信息。
展開 當(dāng)國際巨頭進入增材制造領(lǐng)域時，國內(nèi)航空制造企業(yè)將何去何從？
世界三大增材制造專業(yè)展覽會之一的TCT亞洲展——亞洲3D打印、增材制造展覽會將于2019年2月21日在上海新國際博覽中心拉開序幕，其中涉及金屬增材制造技術(shù)的企業(yè)創(chuàng)紀(jì)錄地達到了115家，其中包括了GE的增材制造的子公司GE Additive、GKN公司、歐瑞康、通快、DMG MORI等航空加工制造的企業(yè)。
對于國內(nèi)航空制造企業(yè)而言，TCT亞洲展能夠一站式幫助獲取增材制造技術(shù)迭代情況；了解GKN、歐瑞康等國際航空制造供應(yīng)鏈企業(yè)如何迎接增材制造的挑戰(zhàn)，以及如何應(yīng)對增材及整個數(shù)字化制造對航空制造、維修的變革。
讓我們盤點一下明年TCT亞洲展對航空行業(yè)有哪些不容錯過的部分。
2018 年TCT亞洲展現(xiàn)場
下一代金屬增材制造設(shè)備登場
目前國內(nèi)航空領(lǐng)域裝機量較多的金屬3D打印設(shè)備，以德國的EOS M280以及英國RenishawAM250為多，是兩家公司在2011年先后推出的基于激光熔融技術(shù)開發(fā)的增材制造設(shè)備。
C919大型客機應(yīng)急門導(dǎo)向槽零件
而明年亮相的最大革命性技術(shù)，非全球增材制造的最大獨角獸——Desktop Metal在亞洲的首次出展，該公司目前估值為10億美金，投資者包括Google、通用汽車。Desktop Metal采用的技術(shù)叫做結(jié)合金屬沉積（BMD），與使用激光器進行打印的SLM技術(shù)不同，其是通過擠出液滴再層層堆積的方式構(gòu)建3D實體的，這一技術(shù)更接近于傳統(tǒng)的MIM金屬注射成型技術(shù)。由于不會使用粉末進行燒結(jié)，其打印價格約為SLM技術(shù)的十分之一，而目前推出的Production系列的生產(chǎn)速度會是現(xiàn)有技術(shù)的100倍。
展開 SLM工藝仿真綜述（一）之金屬增材制造面臨的挑戰(zhàn)與解決方案
敬請關(guān)注后續(xù)谷.專欄的SLM工藝仿真綜述（二）之《金屬增材制造仿真的解決方案與思路》
包剛強
德國Esocaet計算力學(xué)專業(yè)碩士，近20年CAE行業(yè)技術(shù)經(jīng)驗和仿真咨詢經(jīng)驗，完成日、德、中國數(shù)百項仿真咨詢項目和多款CAE軟件內(nèi)核算法開發(fā)，現(xiàn)任安世中德咨詢有限公司技術(shù)總經(jīng)理，專業(yè)從事基于CAE技術(shù)為驅(qū)動的工程仿真咨詢和增材先進設(shè)計與工藝仿真咨詢。
賀進
男，上海大學(xué)材料加工專業(yè)碩士。畢業(yè)后一直從事于金屬增材制造的設(shè)備開發(fā)、工藝開發(fā)和材料研究等工作，現(xiàn)為安世中德咨詢有限公司增材制造與先進設(shè)計應(yīng)用工程師。
來源：3D科學(xué)谷
展開 面向金屬增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計研究進展
增材制造技術(shù)使用高能束熱源，采用“自下而上”材料逐層熔化沉積的疊加方式，無需模具，可實現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)錁?gòu)型的快速“自由制造”，解決了結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在的“制造決定設(shè)計”的問題，極大地拓寬了設(shè)計空間。但金屬增材制造技術(shù)并不是完全“自由制造”技術(shù)，仍存在特有的制造約束，如拓?fù)錁?gòu)型最小尺寸小于設(shè)備精度，則會出現(xiàn)打印失敗現(xiàn)象；受制于設(shè)備成型腔與結(jié)構(gòu)熱變形限制，增材制造大型構(gòu)件，需進行分塊與連接處理；增材制造零件有時會沿構(gòu)建方向存在
20%-40%
的強度損；對于粉末床增材制造技術(shù)，在制造含有封閉孔洞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時存在內(nèi)部粉末與支撐難以去除等。因此在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計中考慮增材制造約束，發(fā)展面向金屬增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計與研究具有較為廣闊的應(yīng)用前景。
本文首先介紹了連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的常用方法與特點，對比了不同方法的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，從算法優(yōu)化的角度，總結(jié)了改善拓?fù)錁?gòu)型連續(xù)性的有效措施。隨后，闡述了金屬增材制造技術(shù)的原理、加工特點與適用范圍，歸納了考慮金屬增材制造幾何尺寸約束、結(jié)構(gòu)成形約束、材料性能約束的拓?fù)鋬?yōu)化方法。最后，討論了現(xiàn)有拓?fù)鋬?yōu)化與金屬增材制造領(lǐng)域的發(fā)展方向，為學(xué)者們深入研究面向金屬增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)提供參考。
2.連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化常用方法與特點
根據(jù)優(yōu)化算法迭代與更新的不同形式，連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可分為：基于單元網(wǎng)格的拓?fù)鋬?yōu)化方法，如均勻化法、變密度法、漸進結(jié)構(gòu)法等；基于邊界演化的拓?fù)鋬?yōu)化方法，如水平集法、移動可變形組件法、特征驅(qū)動結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化法等。
2.1 基于單元網(wǎng)格的拓?fù)鋬?yōu)化方法
均勻化方法
通過調(diào)整單胞結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與空間方位函數(shù)，尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)湫问?，但是所采用的較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型限制其普遍應(yīng)用。
展開 Add Up&ESI Group加強增材制造領(lǐng)域合作，致力金屬增材制造仿真新模塊
AddUp和ESI集團推出了“Distortion Simulation AddOn”，這是一款符合人體工程學(xué)且易于使用的仿真模塊，專用于金屬增材制造。
AddUp&ESIGroup亮相Formnext18，展示“DistortionSimulation AddOn”在增材制造加強合作
AddUp是增材制造工業(yè)解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者，ESI集團是基于材料物理的虛擬原型制作解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者和先驅(qū)，他們宣布推出DistortionSimulation AddOn。 該模塊將增強AddUp ManagerTM軟件的功能范圍，用于增材制造中零件的定義和生產(chǎn)跟蹤。
SOFIA項目（解決方案生產(chǎn)工業(yè)添加劑- 工業(yè)金屬添加劑制造解決方案）創(chuàng)始于2016年，由Bpifrance、AddUp和ESI集團贊助，自第一次會議以來，他們擁有金屬添加劑制造的共同愿景。在增材制造工業(yè)化成為現(xiàn)實的時候，基于材料物理的模擬確保了對材料工藝和性能的深入理解，是提高增材制造工藝競爭力的關(guān)鍵組成部分之一。
控制制造工藝
工藝參數(shù)的優(yōu)化是增材制造過程中的關(guān)鍵，也是競爭差異化的驅(qū)動力。制造商根據(jù)其特定應(yīng)用，必須能夠?qū)⒖捎玫臋C器時間集中在生產(chǎn)或工藝優(yōu)化上。
傳統(tǒng)地講，生產(chǎn)驗證主要是指生產(chǎn)零件，繼而評估其適配性。引入模擬工具（通常是有限的專家用戶）需要在不同功能之間進行多次反饋循環(huán)，從而在數(shù)字鏈上產(chǎn)生不連續(xù)性。
通過將模擬直接集成到增材制造的準(zhǔn)備階段，Distortion SimulationAddOn為生產(chǎn)工藝帶來了連續(xù)性。AddUp Manager用戶界面直觀、穩(wěn)定，為定義模擬參數(shù)提供了理想的工作環(huán)境，特別是對于非該領(lǐng)域?qū)＜业膯T工。
展開 【科普系列】金屬增材制造
圖6 增材制造在生物醫(yī)療植入體方面應(yīng)用[5]
3 電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用
在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)及電磁應(yīng)用領(lǐng)域中，增材制造技術(shù)為器件的小型化、輕質(zhì)化、高精度、低成本制造提供了新方法，可有效降低傳統(tǒng)制造中存在的材料冗余、裝配誤差等缺點。在未來微波及太赫茲器件的增材制造技術(shù)發(fā)展方面，提升制造質(zhì)量和速度，研發(fā)新材料以適應(yīng)多功能需求以及實現(xiàn)更高頻器件制造將具有廣闊空間（圖7）。隨著 5G 時代的到來和無線充電技術(shù)的發(fā)展，陶瓷材料的 AM 有望在新型手機背板的開發(fā)上發(fā)揮重要作用。
圖7 增材制造在電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用[5]
4 汽車生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用
隨著汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，對汽車輕量化要求日益提高，千篇一律的汽車外形不再能滿足客戶的消費要求，個性化定制的需求越來越強烈等急迫需求，3D打印因其無需開模，可節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)的成本和時間，不受模具限制，可隨意打印復(fù)雜型面及異形結(jié)構(gòu)，在推動產(chǎn)品快速化、輕量化、定制化方面的優(yōu)勢給汽車帶來了新的機遇，目前已被大量運用于汽車生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)（圖8）。早期，3D打印技術(shù)主要被用來進行原型制造、造型評審、尺寸驗證等，隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，目前應(yīng)用于生產(chǎn)的3D打印逐漸占據(jù)主要地位，3D打印零部件不再只作為模型，而是可以作為最終產(chǎn)品直接在汽車上使用。
展開 金屬增材制造數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展
金屬增材制造是增材制造技術(shù)中發(fā)展最為迅速的分支，現(xiàn)已廣泛運用于航空航天、能源動力等領(lǐng)域，發(fā)展相關(guān)的數(shù)值模擬技術(shù)對深入理解其復(fù)雜物理過程與優(yōu)化工藝參數(shù)具有重要的學(xué)術(shù)及工程意義。
與傳統(tǒng)減材制造（切削、磨削等）和等材制造（鑄造、鍛壓等）的材料加工方式不同，金屬增材制造依據(jù)三維計算機輔助設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)，通過光源或高能熱源等將離散材料（粉材、絲材等）逐層累積制造實體構(gòu)件，是一種自下而上疊加材料成形的“自由制造”過程，有望成為實現(xiàn)航空發(fā)動機等高端工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)跨代提升的一條關(guān)鍵技術(shù)途徑。
金屬增材制造仿真概述
根據(jù)材料進給方式，金屬增材制造技術(shù)主要可分為粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）兩大類，前者包括激光選區(qū)熔融技術(shù)和電子束選區(qū)熔融技術(shù)等，后者包括激光送粉增材制造技術(shù)、電子束送絲增材制造技術(shù)和電弧送絲增材制造技術(shù)等（見圖1）。然而，現(xiàn)階段金屬增材制造技術(shù)在構(gòu)件成形精度和力學(xué)性能等方面仍存在不足,成為制約其廣泛工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。主要原因在于金屬增材制造涉及到材料受熱熔化、熔池流動凝固、微觀組織形成和內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變演化等，是一個十分復(fù)雜的多尺度多物理場耦合過程，冶金缺陷形成機理、微觀組織演化規(guī)律、零件翹曲變形與開裂預(yù)測、表面質(zhì)量和成形尺寸精度控制等基礎(chǔ)問題尚未得到完全突破。單純依靠試驗測試技術(shù)開展增材制造過程中的微觀尺度觀測，存在著穩(wěn)定性/可重復(fù)性差、分辨率/可觀測區(qū)域受限等不足，同時由于工藝所涉及參數(shù)量巨大，使得“試錯法”探究最優(yōu)工藝參數(shù)窗口存在效率低、周期長和代價高昂等缺點。
近年來，數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為金屬增材制造復(fù)雜物理過程的深入理解和工藝條件優(yōu)化提供了有力工具。
展開 
金屬增材制造工藝的發(fā)展與技術(shù)綜述
摘要
如今，客戶的需求是動態(tài)變化的，行業(yè)正朝著定制化的終端用戶產(chǎn)品的制造方向發(fā)展，市場的波動非常難以預(yù)測。這要求生產(chǎn)行業(yè)轉(zhuǎn)向瞬時產(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略，即在最短的交貨時間內(nèi)交付產(chǎn)品，而不損害質(zhì)量和準(zhǔn)確性。直接金屬沉積就是這樣一種不斷發(fā)展的增材制造技術(shù)，它的應(yīng)用范圍從快速成型到實時工業(yè)部件的生產(chǎn)。
此外，該工藝非常適合即時制造，即按需生產(chǎn)零件，同時提供降低成本、能源消耗和碳足跡的潛力。這種先進制造技術(shù)的發(fā)展大大減少了制造約束，大大提高了產(chǎn)品的多功能性。本文從粉末床融合和金屬直接沉積兩方面對金屬增材制造(MAM)技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)進行了綜述。此外，本文還對金屬增材制造的各種變體及其工藝機理、優(yōu)缺點和應(yīng)用進行了探討。最后采用時間成本三角法分析了工藝的效率，并對其機械性能進行了綜合比較。該檢討將增進對MAM的基本認(rèn)識，從而擴大研究和發(fā)展的范圍。
1.介紹
在20世紀(jì)80年代早期，第一種以逐層制造技術(shù)創(chuàng)建三維物體的形式被開發(fā)出來，這被稱為快速原型(RP)。固體、液體和粉末是主要用于快速成型的三種原材料的變體。隨著材料用途的擴大，AM工藝的多樣化應(yīng)用導(dǎo)致了金屬零件的直接制造，同時滿足了客戶在幾何精度和物理機械性能方面的要求。高精度、高精度的復(fù)雜零件幾何形狀的加工是定制零件生產(chǎn)的關(guān)鍵。為了解決這一問題，一種名為金屬增材制造(MAM)的新興技術(shù)被廣泛應(yīng)用，為制造領(lǐng)域帶來了廣泛的新可能性。此外，最近在建模科學(xué)，制造和材料加工導(dǎo)致AM的重點從快速成型轉(zhuǎn)向直接生產(chǎn)金屬零件。
20世紀(jì)80年代初，CarlDeckard開發(fā)并申請專利的選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)，可以打印出使用多種材料的物體，如塑料、玻璃、陶瓷，甚至金屬，被稱為直接金屬激光燒結(jié)。這使得它成為原型和最終產(chǎn)品生產(chǎn)的流行過程。在20世紀(jì)90年代后期，激光燒結(jié)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于直接制造金屬零件。
展開 金屬增材制造最前沿
金屬增材制造是先進制造的重要方向之一
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)特點等的對比
同步絲材送進技術(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，具有成形效率高，制造成本低等優(yōu)點，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)境中進行，需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴，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)將會得到快速的發(fā)展。
展開 國內(nèi)金屬3D打印設(shè)備迎來爆發(fā)！
近十年來，金屬3D打印持續(xù)大幅增長。據(jù)統(tǒng)計，核心技術(shù)3D打印領(lǐng)域在2020年產(chǎn)生了16億美元的收入，到2030年將增長到317.8億美元。目前，全球190多家OEM廠商提供了18種不同工作原理的金屬增材制造技術(shù)，金屬增材制造設(shè)備市場前景廣闊，正在經(jīng)歷著一個充滿活力的增長期。今天，我們?yōu)榇蠹沂崂砹?家2021年參展IAME的金屬設(shè)備廠商，一起了解一下這些行業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)的產(chǎn)品特色與技術(shù)優(yōu)勢。
廣州雷佳增材科技有限公司
廣州雷佳增材科技有限公司（以下簡稱“雷佳”）是一家專業(yè)從事金屬3D打印設(shè)備研發(fā)、制造、銷售以及提供金屬3D打印服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。公司以“多元創(chuàng)新、科技引領(lǐng)增材制造”為企業(yè)宗旨，堅持“求精，務(wù)實，創(chuàng)新，共贏”的理念，致力于打造成為國際領(lǐng)先的金屬3D打印解決方案提供商。
雷佳還是國內(nèi)最早從事金屬3D打印研發(fā)的團隊之一，自2002年起，自主研發(fā)了SLM 成型設(shè)備DiMetal-650、DiMetal-280、DiMetal-300等，并相應(yīng)研發(fā)了SLM 設(shè)備系統(tǒng)總控軟件、路徑規(guī)劃軟件和計算機輔助工藝優(yōu)化軟件，將面向航天航空，汽車制造，生命科學(xué)，口腔醫(yī)療，工業(yè)手板，模具生產(chǎn)等多個領(lǐng)域提供設(shè)備、加工服務(wù)與綜合解決方案。
展位號：A20
①iMetal-650多激光同幅面大尺寸高精度SLM設(shè)備
DiMetal- 650是雷佳最新推出的多激光同幅面的大尺寸金屬激光選區(qū)熔化設(shè)備,成形尺寸625x 625x 1100mm。它是雷佳多年技術(shù)積累的代表作,也是目前國內(nèi)市場上少有的可成形大尺寸的激光選區(qū)熔化設(shè)備。DiMetal-650可覆蓋航空航天、模具工業(yè)、汽車工業(yè)等對大尺寸零件有廣泛應(yīng)用的行業(yè)。
②DiMetal-280雙激光金屬3D打印機
多激光打印技術(shù)是提升成型效率、降低時間成本的有效方法。
展開 視角 | 仿真技術(shù)賦能金屬增材制造
在產(chǎn)品的設(shè)計階段，研發(fā)人員可以借助增材制造技術(shù)制作出相應(yīng)的產(chǎn)品模型，在縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的同時，大幅降低了產(chǎn)品研發(fā)成本；在產(chǎn)品的制造過程中，增材制造還可將傳統(tǒng)制造流程中不必要的環(huán)節(jié)進行剔除，材料的利用率也得到了進一步提高；由于增材制造具有一次性成型的優(yōu)勢，打印出來的產(chǎn)品無需再次組裝，從而縮短了產(chǎn)品供應(yīng)鏈，節(jié)省了勞動力。
但同時，Brent Stucker博士認(rèn)為金屬增材制造在發(fā)展進程中存在幾大關(guān)鍵挑戰(zhàn)，諸如：為打印件構(gòu)建最佳方向、創(chuàng)建最佳支撐、避免打印件失敗、創(chuàng)建精確的打印件、最小化孔隙度、實現(xiàn)打印件的預(yù)期性能、優(yōu)化機器工藝參數(shù)以獲得最大的生產(chǎn)率，并確保機器在制造零件時按預(yù)期操作等等。
其他制約金屬增材制造發(fā)展的因素還包括材料種類和價格、高尺寸精度、增材制造設(shè)備等。首先，打印材料還有待拓展。因為金屬打印材料要求比較高，既要利于原型加工，又需具有較好的后續(xù)加工性能，還需滿足強度、剛度等不同要求；
其次，打印件的尺寸精度和質(zhì)量要求較高。打印件的大尺寸和高精度是增材制造技術(shù)的重要方向。只有打印件的尺寸精度和表面質(zhì)量達到傳統(tǒng)機加工水平，才能大規(guī)模普及發(fā)展；
第三，制造精度與制造速度的平衡。由于增材制造是分層疊加制造而成，當(dāng)分層厚度小時，打印件精度較高，但成形時間較長，如果縮短成形時間，則容易加大打印件的階梯誤差；
另外，制造成本和耗材成本仍較高。由于增材制造工藝專用材料有限，且需經(jīng)過特定的制備過程，因此材料價格均較為昂貴，提高了制造的整體成本。
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