特種加工課件：增材制造技術 -

增材制造技術（AdditiveManufacturing，

簡稱AM）

2增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技術是20世紀80年代問世并迅速發(fā)展起來的一項新的先進制造技術，是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維實體技術的總稱。增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技術是采用材料逐漸累加方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)加工的“去除-切削”，是一種“自下而上”的制造方法。

6.1概述6.1.1發(fā)展簡史3增材制造技術名稱演變過程6.1概述4增材制造技術的起源可追溯至20世紀70年代末到80年代初期，美國3M公司的AlenHebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美國UVP公司的CharlesHull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年）四人各自獨立提出了這種概念。1986年，CharlesW.Hull率先推出光固化方法（StereoLithographyApparatus，SLA），這是增材制造技術發(fā)展的一個里程碑。同年，他創(chuàng)立了世界上第一家增材制造設備的3DSystem公司。該公司于1988年生產出了世界上第一臺增材制造機SLA-250。6.1概述56.1概述1988年美國人ScottCrump發(fā)明了另外一種增材制造技術——熔融沉積成形（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM），并成立了Stratasys公司。1989年，C.R.Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結法（SelectiveLaserSintering，SLS），其原理是利用高強度激光將材料粉末直接燒結成型。1992年，美國DTM公司（現(xiàn)屬于3DSystems公司）的激光選區(qū)燒結（SelectiveLaserSintering，SLS）裝備研發(fā)成功，開啟了三維打印技術發(fā)展熱潮。1993年，美國麻省理工大學教授EmanualSachs發(fā)明了一種全新的增材制造技術，這種技術類似于噴墨打印機，通過向金屬、陶瓷等粉末噴射粘接劑的方式將材料逐片成形，然后進行燒結制成最終產品，這就是三維打印技術（LaminatedObjectManufacturing，LOM）。6

快速成形技術的原理圖6.1概述6.1.2增材制造技術原理與技術分類76.1概述增材制造的基本過程8類型累積技術基本材料擠壓熔融沉積式（FDM）熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬，可食用材料線電子束自由成形制造/電子束熔絲沉積（EBF）幾乎任何合金粒狀直接金屬激光燒結（DMLS）幾乎任何合金電子束選區(qū)熔化成形（EBSM/EBM）鈦合金金屬激光熔化沉積/激光立體成型（LMD/LSF）幾乎任何金屬選擇性激光熔化成型（SLM）鈦合金，鈷鉻合金，不銹鋼，鋁選擇性熱燒結（SHS）熱塑性粉末選擇性激光燒結（SLS）熱塑性塑料，金屬粉末，陶瓷粉末粉末層噴頭三維打印石膏三維打?。?DP）石膏，陶瓷層壓分層實體制造（LOM）紙，金屬膜，塑料薄膜光聚合立體平板印刷（SLA）光固化樹脂數(shù)字光處理（DLP）光固化樹脂增材制造技術工藝分類6.1概述9技術特點：①柔性化程度高；②產品研制周期短；③真正意義上實現(xiàn)數(shù)字化、智能化制造；④所制造的零件具有致密度高、強度高等優(yōu)異的性能，還可以實現(xiàn)結構減重；⑤因為是逐層累積成形，因此不受零件尺寸和形狀限制；⑥可實現(xiàn)多種材料任意配比復合材料零件的制造；⑦由于高能束源和逐層制造的特點使該技術非常適合金屬零件的立體修復。6.1概述6.1.3特點與影響10意義與影響：新的生產模式。新的設計理念。新的商業(yè)模式。實現(xiàn)個性化產品制造。順應綠色經濟發(fā)展模式。6.1概述11（1）基本原理樹脂槽中存儲了一定量的光敏樹脂，由液面控制系統(tǒng)使液體上表面保持在固定的高度，紫外激光束在振鏡控制下按預定路徑在樹脂表面上掃描。掃描的速度和軌跡及激光的功率、通斷等均由計算機控制。激光掃描之處的光敏樹脂由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，從而形成具有一定形狀和強度的層片；掃描固化完一層后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂，然后升降臺帶動加工平臺下降一個層厚的距離，通過涂覆機構使已固化表面重新充滿樹脂，然后進行下一層固化，新固化的一層粘結在前一層上，如此重復，直至固化完所有層片，這樣層層疊加起來即可獲得所需形狀的三維實體。6.2典型工藝與應用6.2.1光固化成形工藝12光固化成形的基本原理

6.2典型工藝與應用13（2）光固化成形工藝的特點①成形精度高；②成形速度較快；③掃描質量好；④成形件表面質量好；⑤成形過程中需要添加支撐；⑥成形成本高?？偟脕碚f，SLA工藝的優(yōu)點是精度較高，一般尺寸精度可控制在0.01mm；表面質量好；原材料利用率接近100%；能制造形狀特別復雜、精細的零件；設備市場占有率很高。缺點是需要設計支撐；可以選擇的材料種類有限；制件容易發(fā)生翹曲變形；材料價格較昂貴。該工藝適合比較復雜的中小型零件的制作。6.2典型工藝與應用14（3）光固化成形設備與應用光固化快速成形工藝作為最早商品化的快速成形工藝之一，其設備制造商遍布世界各地，其中具有代表性的制造商如美國的3DSystems公司、日本的CMET公司、以色列的Cubital公司、中國的北京殷華快速成形與模具有限公司、西安科技大學、華中科技大學等。美國的3DSystems公司于1987年推出了第一臺商品化的光固化成形設備SLA-1，1989年又推出了類似的設備SLA-250，1990年推出了成形空間更大、速度更快的光固化成形設備SLA-500。至今，3DSystems公司的光固化成形設備型號包括ProJet系列、iPro系列等。6.2典型工藝與應用15iPro8000iPro9000

美國3DSystems公司的iPro系列光固化成形設備6.2典型工藝與應用16利用SLA技術制造出的零件

6.2典型工藝與應用17在當前應用較多的幾種增材制造工藝方法中，光固化成型由于具有成形過程自動化程度高、制作零件表面質量好、尺寸精度高以及能夠實現(xiàn)比較精細的尺寸成型等特點，使之得到最為廣泛的應用。在概念設計的交流、單件小批量精密鑄造、產品模型、快速工模具及直接面向產品的模具等諸多方面廣泛應用于航空、汽車、電器、消費品以及醫(yī)療等行業(yè)。6.2典型工藝與應用18（1）基本原理激光選區(qū)燒結SLS（SelectedLaserSintering）工藝，又稱為選擇性激光燒結，它是采用紅外激光作為熱源來燒結粉末材料，并以逐層堆積方式成形三維零件的一種快速成形技術。SLS工藝的基本思想是基于“離散-堆積”成形的制造方式，實現(xiàn)從三維CAD模型到實體原型零件的轉變。6.2典型工藝與應用6.2.2激光選區(qū)燒結工藝19第一步，在計算機上，實現(xiàn)零件模型的離散過程。第二步，在SLS成形機上，實現(xiàn)零件的層面制造。第三步，全部燒結完成后，要做一些后處理工作，如去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理，便獲得原型或零件。6.2典型工藝與應用20SLS工藝原理示意圖6.2典型工藝與應用21（2）激光選區(qū)燒結快速成形的特點:①可以成形幾乎任意幾何形狀結構的零件，而且成本較低；②SLS工藝無須支撐；③SLS工藝可使用的成形材料范圍廣；④可快速獲得金屬零件；⑤未燒結的粉末可重復使用，材料浪費極?。虎迲妹鎻V。總之，SLS工藝的優(yōu)點是原型件機械性能好，強度高；無須設計和構建支撐；可選材料種類多且利用率高(100%)。缺點是制件表面粗糙，疏松多孔，需要進行后處理；制造成本高。6.2典型工藝與應用22（3）激光選區(qū)燒結快速成形設備與應用SLS工藝最早由美國的DTM公司商品化。2001年，3DSystem公司并購DTM公司后，SLS設備進入到3DSystems公司的產品序列。3DSystems的SLS設備已經發(fā)展到第5代，目前的型號是SintersationHQ和SintersationHQHS，分別使用30W和100W的射頻CO2激光器，二者的差別主要體現(xiàn)在成形速度上。6.2典型工藝與應用233DSystems公司的sPro系列SLS商業(yè)化設備6.2典型工藝與應用24采用sPro系列設備制造的Cyberquad小型無人機及各類零件6.2典型工藝與應用25德國EOS公司自1989年進入RP領域，一直專注于SLS設備的研發(fā)。目前共有5種型號的產品。EOS產品最大的特點是一機一材，其EOSINTP系列產品針對熱塑性樹脂材料的成形；EOSINTS型針對鑄造樹脂砂的成形；EOSINTM型適用于金屬零件的直接成形。一機一材的好處是可以使設備結構最大限度地適應材料和工藝要求，利于工業(yè)上的連續(xù)生產。6.2典型工藝與應用26EOS公司EOSINTP8006.2典型工藝與應用27采用EOSINTP系列設備制造的成形產品6.2典型工藝與應用28國內主要的SLS設備制造商主要有北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司和武漢濱湖機電技術產業(yè)有限公司。下圖為北京隆源公司AFS-500設備北京隆源公司AFS-500設備6.2典型工藝與應用29采用隆源公司AFS-500設備制造的成形產品6.2典型工藝與應用30SLS工藝已經成功應用于汽車、造船、航天、航空、通訊、微機電系統(tǒng)、建筑、醫(yī)療、考古等諸多行業(yè)，為許多傳統(tǒng)制造業(yè)注入了新的創(chuàng)造力，也帶來了信息化的氣息。概括來說，SLS工藝可以應用于以下場合：①模型快速制造；②新型材料的制備及研發(fā)；③小批量、特殊零件的制造加工；④快速模具和工具制造；⑤在逆向工程方面的應用；⑥在醫(yī)學上的應用。6.2典型工藝與應用31（1）基本原理疊層實體制造（LaminatedObjectManufacturing,LOM）工藝是快速原型技術中具有代表性的技術之一。該系統(tǒng)由CO2激光器及掃描機構、熱壓輥、升降臺、送紙輥、收紙輥和控制計算機等組成，其制造過程如下圖所示。6.2典型工藝與應用6.2.3疊層實體制造工藝加工的概念32疊層實體制造的系統(tǒng)原理圖6.2典型工藝與應用33LOM及工藝制造過程6.2典型工藝與應用34（2）疊層實體制造快速成形的特點①用CO2激光進行切割；②零件交截面輪廓外的材料用打網格的辦法使之成為小的方塊條，便于去除；③采用成卷的帶料供材；④用行程開關控制加工平面位置；⑤熱壓輥對最上面的新層加熱加壓；⑥先進行熱壓、粘結，再切割截面輪廓，以防止定位不準和錯層問題。6.2典型工藝與應用35（3）疊層實體制造工藝設備與應用 疊層實體制造快速成形設備代表企業(yè)有美國的Helisys公司的LOM系列、日本Kira公司的PLT系列、新加坡Kinergy公司的ZIPPY系列、中國的華中科技大學HRP系列、清華大學激光快速成形中心SSM系列等。6.2典型工藝與應用36

Helisys公司的設備外及加工樣件6.2典型工藝與應用liuzhidong37（1）基本原理熔融沉積成形工藝FDM（FusedDepositonModelingTechnology），是一種利用噴嘴熔融、擠出絲狀成形材料，并在控制系統(tǒng)的控制下，按一定掃描路徑逐層堆積成形的一種快速成形工藝，其工藝原理圖如下圖所示。6.2典型工藝與應用6.2.4熔融沉積成形工藝38熔融沉積成形技術原理圖6.2典型工藝與應用39（2）熔融沉積成形的特點①成形材料廣泛；②成形零件具有優(yōu)良的綜合性；③成形設備簡單、成本低廉，可靠性高；④成形過程對環(huán)境無污染；⑤容易制成桌面化和工業(yè)化快速成形系統(tǒng)。FDM的缺點：精度低；復雜構件不易制造，懸臂件需加支撐；表面質量差。該工藝適合于產品的概念建模及形狀和功能測試，中等復雜程度的中小原型成形；不適合制造大型零件。6.2典型工藝與應用40（3）熔融沉積成形設備與應用熔融沉積制造工藝成形系統(tǒng)最早由成立于1988年的美國Stratasys公司開發(fā)并商品化。該公司從1991年起，先后推出了基于熔融擠出工藝的FDM系列成形機。長期以來，該公司在FDM工藝設備方面一直處于領先地位。目前Stratasys公司推出的FDM系統(tǒng)的主要型號有ProdigyPlus、FDM3000、Dimension等。6.2典型工藝與應用41Stratasys公司Dimension設備外形圖6.2典型工藝與應用FDM設備憑借其低廉的價格，寬松的生產環(huán)境，簡單的操作，桌面級的FDM設備已經發(fā)展為最為大眾所熟知和使用的增材制造設備，其在DIY模型、教育、工藝品、裝飾、珠寶領域都有了很深入而廣泛的應用。圖為MAKERBOT公司最新款桌面級FDM設備6.2典型工藝與應用43韓國的起亞汽車使用Stratasys公司的Fortus三維成形系統(tǒng)為spectra汽車制造儀表板

6.2典型工藝與應用44羅技（Logitech）開發(fā)的藍牙移動電話

6.2典型工藝與應用45三維打印工藝（ThreeDimensionPrinting，3DP）是美國麻省理工大學E.M.Sachs教授等學者開發(fā)的一種快速成形工藝，并于1993年申請了3個專利。與選區(qū)激光燒結工藝一樣，該工藝的成形材料也需要制備成粉末狀，所不同的是，3DP是釆用噴射黏結劑粘接粉末的方法來完成成形過程。其加工過程如下圖所示。6.2典型工藝與應用6.2.5三維打印成形工藝463DP工藝流程圖

6.2典型工藝與應用liuzhidong47（2）三維打印成形工藝的特點3DP工藝采用了數(shù)字微滴噴射技術，其主要特點是：①成形效率高；②成本低，結構簡單，易于小型化；③可適用的材料非常廣泛。目前，其成形材料包括塑料、石膏粉、陶瓷和金屬材料等；④可以制作彩色原型，粉末在成形過程中起支撐作用，且成形結束后，比較容易去除。

6.2典型工藝與應用（3）三維打印成形設備與應用美國麻省理工大學（MIT）在完成3DP工藝原理性研究后，先后將其授權給了多個公司在不同的應用領域進行后續(xù)研究開發(fā)，包括Soligen公司、ZCorp.公司、ExtrudeHone（ProMetal）公司、Therics公司等。其中，ZCorp.公司的主要設備有Z系列（包括Z310、Z510等），ProMetal公司也推出了R系列（包括R2、R4、R10等）。486.2典型工藝與應用49ZCorp.公司的Z310ZCorp.公司的Z5106.2典型工藝與應用503Dsystem公司推出的全彩色3DP設備ProJet?660ProProJet?660Pro打印的汽車組件模型6.2典型工藝與應用51Z510快速制造鞋底模型

實例1：Timberland制鞋設計6.2典型工藝與應用52ProJet?660打印的全彩色別墅模型實例2：WhiteClouds公司建筑模型的快速制作6.2典型工藝與應用53（1）DLP三維打印技術DLP三維打印技術即數(shù)字化光處理（DigitalLightProcessing，DLP）成形技術，其和立體平版印刷技術比較相似，不過它是使用高分辨率的數(shù)字光處理器（DLP）投影儀來固化液態(tài)光聚合物，逐層的進行光固化。由于每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術速度更快。該技術成型精度高，在材料屬性、細節(jié)和表面光潔度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。6.2典型工藝與應用6.2.6其它增材制造工藝DLP三維打印技術原理圖桌面型DLP三維打印機“Solidator”及其打印的模型樣品6.2典型工藝與應用55（2）CLIP技術CLIP（ContinuousLiquidInterfaceProduction）技術叫做連續(xù)液態(tài)界面制造，其克服了其他增材制造技術加工時間長、制件力學性能各向異性等缺點。其工作原理是將樹脂儲存在一個特質的儲罐內，儲罐底部的窗口由可以透過氧氣和光的聚四氟乙烯材料制成，CLIP利用氧氣阻聚物的效果，氧氣通過窗口與樹脂底部液面接觸，形成了極薄的一層不能被紫外線固化的區(qū)域，叫做“死區(qū)”（DeadZone）。而紫外線仍然可以透射通過死區(qū)，在上方繼續(xù)產生聚合作用。這樣一來，避免了固化的樹脂與底部窗口粘連；紫外線可以連續(xù)照射樹脂，而打印平臺也是連續(xù)上升的，這樣也大大加快了打印速度。6.2典型工藝與應用6.2典型工藝與應用57（3）基于均勻金屬微滴噴射的3D打印技術基于均勻金屬微滴噴射的3D打印技術是由美國加州大學的Orme

M教授在1993年提出并發(fā)展起來的一種增材制造技術。它是基于“離散-疊加”的成形原理,通過液滴噴射器產生均勻金屬微滴，同時控制三維基板運動,使金屬微滴精確沉積在特定位置并相互融合、凝固，逐點逐層“堆積”，而實現(xiàn)復雜三維結構的快速打印。根據均勻金屬液滴產生原理和控制方式的不同，金屬液滴噴射技術可以分為連續(xù)式噴射（Continuous-ink-jet，CIJ）和按需式噴射（Drop-on-demand，DOD）兩大類。6.2典型工藝與應用58微滴產生和噴射技術原理6.2典型工藝與應用59（1）基本原理激光熔化沉積（LaserMeltingDeposition，LMD）是從激光熔覆技術發(fā)展而來的金屬增材制造工藝。該技術是將三維打印的“疊層-累加”原理和激光熔覆（lasercladding）技術有機結合，以金屬粉末為加工原料，通過“激光熔化-快速凝固”逐層沉積，從而形成金屬零件的制造技術。

LMD成形結構件與機加工修整前后對比6.3金屬增材制造技術6.3.1激光熔化沉積技術60LMD工作原理和實際加工效果6.3金屬增材制造技術（2）激光熔化沉積技術的特點①無需零件毛坯制備，無需鍛壓模具加工，無需大型或超大型鍛鑄工業(yè)基礎設施及相關配套設施；②材料利用率高，機加工量小，數(shù)控機加工時間短；③生產制造周期短；④工序少，工藝簡單，具有高度的柔性與快速反應能力；⑤可實現(xiàn)梯度材料高性能金屬零件的直接制造。liuzhidong616.3金屬增材制造技術62（3）激光熔化沉積制造技術的應用激光熔化沉積制造技術在新型汽車制造、航天、航空、新型武器裝備中的高性能特種零件和民用工業(yè)中的高精尖零件的制造領域具有極好的應用前景。激光熔化沉積制造技術的應用領域主要包括：①難加工特種材料金屬零件的直接制造；②含內流道和高熱導率部位的模具；③模具快速制造、修復與翻新，表面強化與高性能涂層；④敏捷金屬零件和梯度功能金屬零件制造；⑤航空航天重要零件的局部制造與修復；⑥特種復雜金屬零件制造；⑦醫(yī)療器械等。6.3金屬增材制造技術（1）SLM和DMLS激光選區(qū)熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）是由德國Frauhofer研究所于1995年最早提出，和直接金屬激光燒結（DirectMetalLaserSintering，DMLS）一樣都是在選擇性燒結基礎上發(fā)展起來的。SLM/DMLS與激光熔化沉積成形（LMD）主要不同點在于激光功率和加工原料供給方式。LMD技術的原料進給方式一般為同軸送粉或者側向送粉，而SLM/DMLS技術是粉床鋪粉方式。636.3金屬增材制造技術6.3.2SLM/DMLS/EBSMliuzhidong64SLM/DMLS工藝原理DMLS技術和SLM技術的不同點在于DMLS技術使用材料多為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結過程中相互補償，有利于保證制作精度。6.3金屬增材制造技術目前激光選區(qū)熔化快速制造技術的主要應用領域如下：（1）超輕航空航天零部件的快速制造。在滿足各種性能要求的前提下，與傳統(tǒng)方法制造的零件相比，用SLM方法制造的零件的重量可以減輕90％左右。（2）刀具的快速制造。用SLM方法可以快速制造具有隨形冷卻流道的刀具和模具使其冷卻效果更好，從而減少冷卻時間，提高生產效率和產品質量。65超輕航空航天零部件的快速制造用SLM方法制造的具有隨形冷卻流道的刀具6.3金屬增材制造技術（3）微散熱器的快速制造。用SLM方法可以快速制造具有交叉流道的散熱器，流道結構尺寸目前可以做到0.5mm，表面粗糙度可以達到Ra8.5m。這種微散熱器主要應用于航空電子領域。（4）生物制造。將SLM方法用于生物制造，具有下列優(yōu)點：能夠制造多孔生物構件；生物構件的密度可以任意變化；構件體積孔隙度可以達到75％-95％。66金屬微熱交換器用SLM方法制造的多孔生物構件6.3金屬增材制造技術（2）電子束選區(qū)熔化成形電子束選區(qū)熔化成形（ElectronBeamSelectiveMelting，EBSM）的成形原理和激光選區(qū)熔化技術本質是一樣的，只是加工熱源換成了電子束，利用高速電子的沖擊動能來加工工件，在真空條件下，將具有高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動能絕大部分轉變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時熔融，從而實現(xiàn)材料的層層堆積，最終成形出完整的零件。67EBSM成形多孔件6.3金屬增材制造技術電子束熔絲沉積快速制造（ElectronBeamFreeFormFabrication，EBF）技術是近年來發(fā)展起來的一種新型增材制造技術與其它快速成形技術一樣，需要對零件的三維CAD模型進行分層處理，并生成加工路徑。利用電子束作為熱源，熔化送進的金屬絲材，按照預定路徑逐層堆積，并與前一層面形成冶金結合，直至形成致密的金屬零件。68電子束熔絲沉積成形原理6.3金屬增材制造技術6.3.3電子束熔絲沉積成形美國麻省理工學院的V.R.Dave等人最早提出該技術并試制了Inconel718合金渦輪盤。2002年，在美國航空航天局（NASA）支持下，美國Sciaky公司聯(lián)合LockheedMartin、Boeing公司等也在同時期合作展開了EBF的相關研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造。成形鈦合金時，最大成形速度可達18kg/h，力學性能滿足AMS4999標準要求。美國Sciaky公司生產的鈦合金飛機零件6.3金屬增材制造技術超聲波增材制造（UltrasonicAdditiveManufacturing，UAM）技術是目前一種相當冷門的三維打印技術，該技術主要用于為機器設備上的傳感器打造金屬保護殼。該方法能夠實現(xiàn)真正冶金學意義上的粘合，并可以使用各種金屬材料如鋁、銅、不銹鋼和鈦等。Fabrisonic的方法可以同時“打印”多金屬材料，而且不會產生不必要的冶金變化。該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質金屬箔片制造出帶有高度復雜內部通道的金屬部件。70超聲波增材制造技術原理6.3金屬增材制造技術6.3.4UAM超聲增材制造UAM技術具有以下幾個優(yōu)點：①高速金屬增材制造；②固態(tài)焊接可以實現(xiàn)：異種金屬的接合、包層、金屬基復合材料、“智能”或反應式結構；③低溫工藝可以實現(xiàn)：電子嵌入防篡改結構、非破壞性、完全封裝的光纖嵌入；④成形復雜的幾何形狀。716.3金屬增材制造技術（1）大型整體結構件、承力件的加工，縮短加工周期，降低加工成本。72鈦合金主承力構件加強框C919大飛機中央翼緣條6.4增材制造技術的應用6.4.1增材制造技術在航空航天領域的應用（2）優(yōu)化結構設計，顯著減輕結構重量，節(jié)約昂貴的航空材料，降低加工成本。激光三維打?。ㄇ埃┘拌T造的（后）空客機翼支架6.4增材制造技術的應用（3）加工復雜形狀、具有薄壁特征的功能性部件，突破傳統(tǒng)加工技術帶來的設計約束。74