增材制造技術的案例
鈦合金增材制造技術的分析和未來趨勢
二、鈦合金增材制造技術的研究及應用現狀
（一）鈦合金增材制造技術的研究現狀
隨著增材制造技術的發展，世界各國都在積極地對鈦合金增材制造技術進研究，以期鈦合金增材制造技術能夠在多方面得到應用。根據近幾年的研究現在應用于鈦合金零件加工中的生產工藝有激光選區熔化成形技術、電子束熔絲成形技術、激光立體成形技術和電子束選取熔化成形技術。
（二）鈦合金增材制造技術在航空航天領域的應用
增材制造技術最早于2001年開始應用于美國的艦載殲擊機中，通過鈦合金增材制造技術生產出飛機的承力結構件并應用于航空生產。2011年英國的南安普頓大學通過增材制造技術生產出包括無人機的機翼、控制面板和艙門的整體框架。2012年之后，鈦合金增材制造技術在航空領域的應用取得前所未有的發展，鈦合金零件不僅在飛機制造中得到廣泛的應用，而且新型的鈦合金材料開始在火箭、航天飛機等航天設備中得到應用，鈦合金增材制造技術生產的零件極大的減少了航天設備之間的焊縫數量，由于鈦合金的強度更高，使得航天設備的安全性大大提高。
我國相關部門和科研院校也不斷的對鈦合金增材制造技術進行研究，現在已經在航空領域得到應用。我國運用鈦合金增材制造技術生產的飛機機翼和主承力構件達到了相應的技術要求并應用于飛機制造。2013年北京航空航天大學通過鈦合金增材制造技術制造出了鈦合金飛機主承力構件，通過了技術驗證且進行裝機評審，這使我國成為世界上首個掌握鈦合金飛機主承力構件設計制造的國家，標志著我國的鈦合金增材制造技術進入世界的領先地位。
（三）鈦合金增材制造技術在在國防領域的應用
在國防武器生產的過程中，對武器的材料性能要求較高，零件的精密度也有較高的要求。
展開 中國工程院丨我國增材制造技術與產業發展研究
增材制造技術完全改變了產品的設計制造過程，被視為諸多領域科技創新的“加速器”、支撐制造業創新發展的關鍵基礎技術；進一步改變了產品的生產模式，驅動定制化、個性化、分布式制造；通過云制造并與大數據技術結合，加快傳統制造升級，實現制造的個性化、智能化、社會化；對制造業起到巨大的推動和顛覆性變革作用，助推航空、航天、能源、國防、汽車、生物醫療等領域核心制造技術的突破和跨越式發展。
增材制造的技術與產業研究是國內外熱點課題。美國麥肯錫咨詢公司認為增材制造是決定2025年經濟發展的12大顛覆技術之一，發布的《增材制造發展的主流化》探討了增材制造40年發展歷程，作出了增材制造將成為主流制造技術的判斷。中國工程院戰略性新興產業項目組近年來持續關注增材制造產業發展動態，研討了面向“十四五”時期及中長期的增材制造產業路線圖。有研究指出，增材制造技術作為面向材料的制造技術，在聚合物、金屬、陶瓷、玻璃、復合材料中仍普遍存在打印精度、打印尺度、打印速度難以兼顧的矛盾；在比較分析國內外增材制造產業的發展概況、宏觀策略、典型應用的基礎上，探討了增材制造相關的標準體系、人才培育、行業趨勢等。世界經濟論壇等機構聯合發布了《增材制造突破：可擴展化與克服關鍵挑戰的操作指南》，認為未來10年3D打印的工業部件將大規模用于生產制造，闡述了新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情防控與增材制造技術應用的關聯性。
我國制造業面臨著復雜的國際合作形勢和激烈的產業競爭態勢，高端裝備制造產業發展難以避免地受到干擾，前沿技術與工程的自主發展面臨潛在挑戰；在進行高質量發展轉型的過程中，需要堅定實施制造強國戰略。
展開 視角 | 仿真技術賦能金屬增材制造
* 本文原刊登于智能制造媒體咨詢研究機構e-works：《仿真技術賦能金屬增材制造》
將仿真應用到增材制造中，不僅能確保最終產品滿足性能標準，還可仿真整個增材制造過程，最大限度降低增材制造的失敗風險。
通俗來講，增材制造技術是采用材料堆積疊加的方法制造三維實體的技術，相對于傳統的材料去除－切削加工技術，是一種“自下而上”的新型材料成型方法。作為一種數字化三維實體快速自由成形的制造新技術，增材制造技術不僅提供了新的制造加工工藝方法，更實現了結構設計、高性能材料制備、復雜構件制造的一體化，并為宏觀上的結構設計和微觀上的材料制備帶來革命性的變化。
隨著增材制造技術不斷突破，尤其是金屬增材制造技術的應用和增材制造服務的興起，有效支撐企業制造復雜的金屬零件，徹底變革著制造模式。這其中，將仿真應用到增材制造中，不僅能確保最終產品滿足性能標準，還可仿真整個增材制造過程，最大限度降低增材制造的失敗風險。
Ansys增材制造總監Brent Stucker博士在接受e-works采訪時指出，金屬增材制造正在成為一種廣泛應用的制造工藝，同時改變著企業向市場投放產品的方式。而仿真技術與金屬增材制造技術的結合，有助于應對金屬增材制造的挑戰與風險，從而打印出功能更強大、更輕量化的產品和部件。
展開 汽車零部件制造商德西福格如何在產品創新與生產中應用增材制造技術？
德西福格（ Hirschvogel）汽車零部件集團是鋼材、鋁材鍛造與精加工領域最大的全球性汽車零部件制造商之一，其客戶包括全球知名汽車制造商和供應商，產品包括底盤、變速器、發動機、柴油汽油發動機噴射系統、車身部件等。
除了傳統汽車零部件制造業務， Hirschvogel 還建立了增材制造業務，但Hirschvogel 的增材制造業務并不限于滿足內部需求，而是通過增材制造技術為工業制造用戶提供技術解決方案。Hirschvogel 具有怎樣的增材制造專業能力？ 他們通過增材制造技術為用戶提供哪些服務？
本期，3D科學谷將與谷友一起，進一步了解 Hirschvogel 這一大型汽車零部件制造商對增材制造技術的理解與應用。
聚焦零件增材制造完整工藝鏈
Hirschvogel 集團內部有一個提供技術解決方案的服務企業-德西福格技術解決方案 （Hirschvogel Tech Solutions），該公司提供零件研發和增材制造，服務領域不止是汽車行業。
Hirschvogel Tech Solutions 將零件研發，增材制造，材料/失效分析著三個業務進行了整合，通過整合的服務為客戶提供產品創新、開發高強度零部件的解決方案，以及提供金屬零件原型、量產，以及聚合物夾具開發的解決方案。
Hirschvogel 提供金屬增材制造零件的完整工藝鏈， 建立了詳細的增材制造流程，包括：增材制造零件的增材制造設計、優化分析、增材制造，熱處理、精加工等后處理工藝，以及零件質量檢測。
展開 
航空航天高性能制造，激光增材制造技術大有可為
激光增材制造技術未來的研究與發展趨勢中，下列方向值得進一步關注：
（1）以高性能/多功能為驅動的激光增材制造材料-結構-工藝一體化，主動實現構件的高性能和多功能；
（2）激光增材制造的“多相材料”和“多材料”設計、制備與成形，以實現將“合適的材料添加到合適的位置”；
（3）激光增材制造創新結構設計實現構件高性能化和多功能化，以凸顯“獨特的結構實現獨特的功能”；
（4）構建面向全尺寸構件和全工藝流程的激光增材制造工藝仿真、監測、反饋及工藝優化關鍵技術與方法，全面提升激光增材制造工藝技術水平、質量以及工業應用水平。
展開 金屬增材制造數值模擬技術發展
金屬增材制造是增材制造技術中發展最為迅速的分支，現已廣泛運用于航空航天、能源動力等領域，發展相關的數值模擬技術對深入理解其復雜物理過程與優化工藝參數具有重要的學術及工程意義。
與傳統減材制造（切削、磨削等）和等材制造（鑄造、鍛壓等）的材料加工方式不同，金屬增材制造依據三維計算機輔助設計（CAD）數據，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，有望成為實現航空發動機等高端工業裝備結構跨代提升的一條關鍵技術途徑。
金屬增材制造仿真概述
根據材料進給方式，金屬增材制造技術主要可分為粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）兩大類，前者包括激光選區熔融技術和電子束選區熔融技術等，后者包括激光送粉增材制造技術、電子束送絲增材制造技術和電弧送絲增材制造技術等（見圖1）。然而，現階段金屬增材制造技術在構件成形精度和力學性能等方面仍存在不足,成為制約其廣泛工業化應用的瓶頸。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、微觀組織形成和內應力/應變演化等，是一個十分復雜的多尺度多物理場耦合過程，冶金缺陷形成機理、微觀組織演化規律、零件翹曲變形與開裂預測、表面質量和成形尺寸精度控制等基礎問題尚未得到完全突破。單純依靠試驗測試技術開展增材制造過程中的微觀尺度觀測，存在著穩定性/可重復性差、分辨率/可觀測區域受限等不足，同時由于工藝所涉及參數量巨大，使得“試錯法”探究最優工藝參數窗口存在效率低、周期長和代價高昂等缺點。
近年來，數值模擬技術的發展為金屬增材制造復雜物理過程的深入理解和工藝條件優化提供了有力工具。
展開 專訪中國航天科工增材制造技術創新中心：金屬3D打印是航空航天的主流需求
南極熊導讀：最近幾年，全球航天事業蓬勃發展，增材制造技術也日益成為推動航天高端裝備發展的重要動力，受到世界主要發達國家的高度重視。航天領域對3D打印技術（特別是金屬3D打?。┏尸F出強大的應用需求，對技術和產業化的推動越發明顯。在中國，中國航天科工集團作為重要應用需求單位，對國內3D打印產業的發展有著舉足輕重的影響。
2021亞洲3D打印、增材制造展覽會 (TCT Asia)于2021年5月26日-28日在國家會展中心（上海）7.1館隆重舉辦。作為官方戰略合作媒體，南極熊全程現場報道（地址https://www.nanjixiong.com/forum-229-1.html，或者直接下載安裝【南極熊3D打印】手機APP），直播本次展會上的250多家3D打印展商，為未能到現場的觀眾開啟一雙南極熊之眼，領略行業風采。
△原國家航空航天工業部部長林宗棠（左） 參觀航天科工展位，航天科工增材制造技術中心負責人李志勇（右）正在介紹
南極熊在現場看到，此次中國航天科工集團通過集團增材制造技術中心集中參展，匯聚航天三院，航天二院、四院、湖南航天等優勢資源來統一推進增材制造技術與應用發展。本次參展的內容主要涉及到鋁合金、鈦合金、高溫合金等材料及其在航空航天、核工業等領域的應用。
南極熊對航天科工增材制造技術中心負責人李志勇進行專訪。
△南極熊專訪航天科工增材制造技術中心 負責人李志勇
發布金屬3D打印移動方艙，5G金屬3D打印機正在調試
在本次TCT展會上，航天科工增材制造技術中心發布了2020年研制的移動方艙，用于應急類的保障。
展開 冷噴涂金屬增材制造強勁增長，湖北超卓航空沖刺IPO
經過多年的研發投入和技術積累，截至目前超卓航科已擁有9項主要核心技術，取得已授權專利14項，其中發明專利5項。其中，以低壓冷噴涂增材制造技術為基礎的航空零部件損傷再制造技術，實現了冷噴涂增材制造技術在航空器上的工程化應用；高強鋁合金高壓冷噴涂增材制造技術實現了冷噴涂增材制造技術從零部件腐蝕損傷再制造向結構件疲勞裂紋修復再制造的跨越；可移動增材制造平臺設計及制造技術，為航空結構件原位維修及戰時搶修設備的技術革新打下了堅實的基礎……
受益于研發、突破、熟練運用相關噴涂技術，超卓航科依靠核心技術開展生產經營所產生收入的占比不斷提升。數據顯示，報告期內，超卓航科依靠核心技術開展生產經營所產生的主營業務收入分別為3318.63萬元、4155.10萬元以及9743.82萬元，占主營業務收入的比例分別為81.53%、82.18%和87.54%。
主營業務
公司是國內少數掌握冷噴涂增材制造技術并產業化運用在航空器維修再制造領域的企業之一，主要從事定制化增材制造和機載設備維修業務。自設立以來，公司專注于航空機載設備維修，主要從事軍用及民用航空器氣動附件、液壓附件、燃油附件和電氣附件的維修業務。與此同時，公司經過多年研發創新，通過產線定制化設計、原材料供應鏈與原材料質量檢測體系的構建、金屬粉末的配制和改性、冷噴涂工藝參數的研發以及基體材質的適配性研究，實現了多種金屬材料的高強度沉積，建立了公司冷噴涂增材制造技術體系，并將該技術成功應用于機體結構再制造領域。
基于對冷噴涂等增材制造技術的成熟運用，公司不斷開發和拓展增材制造技術的應用場景和下游市場，在報告期內研發出適用于電子器件領域的靶材和適用于航空高溫、高壓環境的航空緊固件產品。
展開 沈航：面向金屬增材制造的拓撲優化設計研究進展
文章來源： 增材制造技術前沿
中國財經報：增材制造強力賦能制造強國建設
與會者認為，隨著技術的不斷發展及成熟，更多3D打印企業的行業應用解決方案越來越高效，打印產品的效率越來越高，生產成本越來越低，技術創新能力普遍增強，這些都為3D打印走向大規模應用營造了濃厚的市場氛圍。
不斷拓寬增材制造應用場景
增材制造在制造業的普及程度，關鍵還是取決于新興材料的發展，專用材料也是增材制造技術創新的核心要素。
“增材制造材料是支撐增材制造產業進步的關鍵基礎，也是增材制造進行創新的核心要素。由此可見，材料的性能很大程度上決定了產品的綜合性能?！眹?em>增材制造創新中心副總工程師張麗娟告訴記者，目前我國增材制造材料向更強、更韌、缺陷更少、應力更低的方向發展，其應用領域也在不斷地擴展。
以光敏樹脂為例，其在醫療模具、珠寶首飾領域廣泛應用。它的金屬粉末應用到航空航天、汽車特殊工裝和醫療植入，制成的線材可用于文物復原、雕塑和文藝創作。很長一段時間3D打印材料全部依賴進口，是增材制造領域發展的“卡脖子”技術難題，如今我國自主生產的增材制造材料正在取代甚至超越進口產品。
“目前增材制造技術與智能化以及新材料、新工藝不斷融合、交互發展，給傳統制造技術帶來了顛覆性的創新。增材制造技術無論是在基礎研究、關鍵技術還是產業發展方面都取得了飛速發展。在基礎研究方面，新工藝、新原理、新材料和新應用不斷涌現。
展開 Monash車隊利用OptiStruct和增材制造技術再度問鼎冠軍寶座
隨著 3D 打印技 術的不斷發展，學生們發現了一項可以幫助他們制造更輕汽車的新技術。增材 制造技術突破了常規制造方法的局限，使得制造有機形狀和結構成為可能，這 為 Monash 的部件設計提供了更多靈感。但由于 3D 打印組件的質量和性能只 能忠實于設計方案，因此這為開發人員帶來了新的困難。 鈦合金立柱在設計上可與現有立柱相替換，這是繼前一款賽車 M13 調整后 的一次很小改動。立柱的設計流程包括有限元分析驗證，其中采用了大量的載 荷工況。輪轂在設計上同樣可進行替換。在這些條件的制約下，Monash 團隊 在考慮增材制造技術局限性的同時，必須為實現組件的理想材料分布進行優化。
“結構部件優化歸根結底就是有效利用材料。而 OptiStruct 足以解決設計過程中的材料分布問題，它可以明 確指出您需要采取的操作方式和材料放置位置。使用 OptiStruct 時，您可以避免因選擇過多而難以抉擇，因 為 OptiStruct 直接為您呈現了最佳解決方案?！? Mark Stroud，Monash 車隊成員
解決方案
通過 Altair HyperWorks 可啟用仿真驅動設計流程，并對采用增材制造技術生產的組件進行結構上的優化設計。 在當前幾何圖形的限制范圍內，學生們在 Altair 的優化工具 OptiStruct 中創建了一個設計空間。他們通過應用邊界條 件（例如負載和制造約束）進行拓撲優化，并在 OptiStruct 的幫助下創建了一個剛度更高、質量更輕的組件結構。
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X射線探查不到缺陷，鈦合金Ti-6Al-4V電子束熔絲增材制造技術獲突破性進展
2021年5月11日，南極熊獲悉，近日，西安智熔金屬打印系統有限公司(西安智熔)宣布在鈦合金電子束熔絲增材制造技術方面取得了突破性進展，掌握了實現優良力學性能、尤其是高疲勞性能的打印工藝參數組合，為電子束熔絲金屬增材制造技術在大型航空鈦合金承力結構件的應用打下了堅實的基礎。
2020年底，西安智熔利用其自行研發生產的ZcompleX3型電子束熔絲金屬增材制造系統成形的Ti-6Al-4V合金材料，委托中國科學院沈陽金屬研究所進行了X射線探傷以及不同方向和應力比條件下的高周疲勞極限測試，測試結果顯示，試塊內部無X射線可探查的缺陷，試樣采用HIP處理及兩相區固溶+低溫時效的雙重熱處理工藝后，X和Z兩個方向的拉-拉和拉-壓高周疲勞極限均高于Ti-6Al-4V棒材技術標準要求，且數據一致性極好。
△ZcompleX3 熔絲式電子束金屬打印機
△中國科學院沈陽金屬研究所出具的檢測報告
電子束熔絲增材制造（EBAM）技術
電子束熔絲增材制造（EBAM）是3D打印領域以電子束作為熱源的一項尖端技術，在全球范圍內只有美國西亞基公司（Sciaky）、中國西安智熔等少數公司可提供商用產品。
其技術原理如下：在真空環境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至制造出金屬零件或毛坯。
展開 MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結構的增材制造
然而，增材制造技術也不是萬能的，在制備金屬晶格結構方面仍然存在一些限制和挑戰。例如增材制造制備金屬的晶格結構具有較高的表面粗糙度，需要先減小表面粗糙度才能投入使用；粉床熔融技術通常需要在特定的氣氛腔中加工，所以加工的工件一般體積不大；而直接能量沉積和熔融沉積成型精度稍低，加工精細結構稍顯不足；金屬晶格結構往往需要經過表面處理后才具備更好的表面功能性，但由于金屬晶格結構復雜，目前尚未有針對性的表面處理技術。
近十年來，金屬晶格結構與增材制造技術的結合受到越來越多的關注。為了確保增材制造技術制備的金屬晶格結構在各個行業的可靠性，對其建模、優化、材料、工藝參數、結構以及性能之間的關系仍需要進一步的理解。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
展開 創成式設計與增材制造，顛覆傳統設計制造模式
與傳統制造技術相比，增材制造技術優勢盡顯，如：制造復雜物品不增加成本；設計空間無限；減少廢棄副產品；材料無限組合等等，堪稱為制造工藝的顛覆性創新。
圖：增材制造之激光選區熔化技術SLM原理
增材制造技術可以幫助企業打印復雜的產品結構，使用多孔結構、異質材料功能梯度結構、合金/復合材料/納米材料等高性能材料，讓企業不再受傳統工藝和制造資源的約束，讓工程師在“設計即生產”、“設計即產品”的理念下，按照最理想的結構形式來設計產品，使得產品結構輕量化和高性能得以實現，“功能性優先”變為可能。
增材制造技術的進步和大范圍應用，則意外地將各種美而復雜的設計方案從可制造性約束的束縛中解放出來，使創成式設計的價值得以完全的發揮。
圖：增材制造流程
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GD+AM，改變設計制造模式
創成式設計突破了設計極限，而號稱“沒有造不出的原型”的增材制造技術為這類產品的加工提供了有利保證。反過來，增材制造技術的價值也需要創成式設計來體現，因為只有產品結構足夠復雜才值得通過增材制造技術來實現。創成式設計與增材制造的融合是企業創造出突破性創新產品的重要途徑，且這兩項技術的融合，正在顛覆傳統，改變著設計制造的模式。
展開 3D打印技術在船舶制造中都用到了，太先進有沒有！
源于美國材料與試驗協會的定義， 增材制造是依據三維CAD數據將材料連接制作物體的過程，是一種逐層累加的加工過程；3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術沉積材料來制造物體的技術，3D打印也常用來表示增材制造技術。增材制造技術有別于傳統的切削加工方式，是利用三維設計數據在一臺設備上快速成型的加工方法，解決了許多結構復雜的零件成型問題，并有效縮短了加工周期。到目前為止，增材制造技術已成功應用于食品、藝術品、時裝、航空航天、汽車、醫療、建筑及教育等行業，被美國《時代》周刊列為“美國十大增長最快的工業”，英國《經濟學人》則將其推崇為“第三次工業革命”。由此可見增材制造技術的優勢與發展前景。
英軍艦試飛3D打印無人機
3D打印鈦合金零件
1. 增材制造技術的發展
增材制造技術如果從1986年美國科學家開發的第一臺商業3D印刷機開始算起的話，到2016年為止整整30年了，在此期間，市場上首個高清晰彩色3D打印機于2005年問世，到2014年，世界上已有3D打印建筑投入使用、3D打印汽車橫穿美國、3D打印火箭發動機通過測試……，增材制造技術（3D打印）的發展速度令人驚嘆。
在政策方面， 許多國家將增材制造技術列為國家戰略技術發展的重要方向，例如美國早在2012年就將增材制造技術列為國家制造業的首要戰略任務，我國也在2015年8月由李克強總理組織召開國務院座談會，專門討論3D打印技術的發展與振興中國制造業的關系，將發展增材制造技術推向了前所未有的高度。
科學家們相信，在許許多多科研機構的努力下和相關政策的支持下，增材制造技術將會有廣闊的發展空間。
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