3分钟了解增材制造技术的起源及发展
作者
吴志玮 辉锐集团 研发工艺总监
增材制造技术在过去的30年间，经历了飞速的发展。20世纪80年代时，增材制造还只是一个非商业化的技术，到2014年，它已经拥有了超过40亿美金的市值，预计到2020年，全球增材制造的市值会超过200亿美金。从最初的原型件制造，到模具制造，再到当前最终零件的直接增材制造，这些跨越式的发展，不仅仅来自于技术本身的进步与创新，也得益于技术人员对应用市场的不断开拓，以及上下游支撑技术及产业的成熟与完善。
起源
增材制造(Additive Manufacturing, AM)的历史基础几乎可以追溯到150年前，当时人们利用二维图层叠加来成型三维的地形图。20世纪60年代和70年代的研究工作验证了第一批现代AM工艺，包括20世纪60年代末的光聚合技术，1972年的粉末熔融工艺，以及1979年的薄片叠层技术。然而，当时的AM技术尚处于起步阶段，几乎完全没有商业市场，对研发的投入也很少。
到20世纪80年代和90年代初，AM相关专利和学术出版物的数量明显增多，出现了很多创新的AM技术，例如1989年麻省理工学院的3D打印技术（3DP），与90年代的激光束熔化工艺。同一时期，一些AM技术被成功商业化，包括光固化（SL）技术、固体熔融沉积技术（FDM），以及激光烧结技术（SLS）。但是在当时，高成本、有限的材料选择，尺寸限制以及有限的精度，限制了AM技术在工业上的应用，只能用于小量快速原型件或模型的制作。
20世纪90年代和2000年代是AM的增长期。电子束熔化（EBM）等新技术实现了商业化，而现有技术得到了改进。研究者的注意力开始转向开发AM相关软件。出现了AM的专用文件格式，AM的专用软件，如Materialise的Magics开发完成。设备的改进和工艺的开发使3D增材制造产品的质量得到了很大提高，开始被用于工具甚至最终零件。
2000年代后期，金属的AM技术在众多AM技术中脱颖而出，成为了市场关注的重点。金属增材制造技术的设备，材料和工艺相互促进发展，多种不同的金属增材技术互相竞争，互相促进，不同的技术特点开始展现，应用方向也逐渐明朗。
发展
金属增材制造技术发展至今，可以根据其原料供给的方式不同，简单分为两个大类：铺粉式的3D打印技术，如选区激光熔化技术（SLM）和送粉送丝式的增材制造技术，激光金属直接沉积技术或电弧熔丝沉积技术。
SLM设备与工艺示意图
前者能够实现传统金属加工方法无法实现的复杂形状，包括内流道、悬空结构等，且成型件的性能优于传统铸造件，尺寸精密度高、表面质量好，因此特别适合用于制造复杂性高，传统加工成本高，或者定制化程度高的金属产品，目前主要的工业化应用与发展领域是航空航天、生物医疗与工业模具。
美国的通用电气（GE）在金属3D打印的航空应用方面，做了开创性的工作，2018年10月，GE在其位于阿拉巴马州的奥本工厂，顺利生产了第3万个3D打印燃油喷嘴头。这一新的设计与制造方法将传统喷嘴的20个部件变成了一个精密整体，实现了减重与耐用度的提高，同时降低了制造成本。
在铺粉式3D打印技术方向上，最具有代表性的设备与服务提供商有德国的EOS、SLM Solutions、 Siemens、英国的Ranishaw、美国的3D system、Exone、中国的铂力特与华曙高科等；在喷油嘴的成功之后，美国的通用电气公司一举收购了意大利Arcam和德国Concept laser，也从3D打印最大用户转变为最大设备供应商。
粉床式的3D打印技术，还可以细分出直接熔化金属成型的设备（代表的制造商如EOS）和喷粘结剂粘结成型后再烧结处理的技术（代表的设备制造商如Exone）。直接熔化金属的优势在于成型件的致密度高、力学性能优、成型精密度高，一般应用于航空、医疗等对产品性能要求很高的行业，而粘结喷射成型技术胜在效率高、设备成本低，在汽车、模具等一般工业领域有很广泛的应用前景。
粘结喷射成型设备与工艺过程：
1) CAD文件构建前处理，根据零件几何和材料自动生成支撑和控制参数；
2) 逐层打印由挤出蜡和聚合物粘合剂结合金属粉成形毛坯零件；
3) 将毛坯件浸入脱粘液中，溶解主粘合剂 ；
4) 加热烧结，使部件致密化达到96%-99.8％。
送粉/送丝式的增材制造技术，成型的复杂性与精度要略逊一筹，但是在生产效率上却有极大的优势，且能够处理的金属件尺寸在理论上没有限制，也更易与传统加工方式相结合，实现增减材混合制造的高效生产，DMG Mori公司推出的增减材混合制造系统，是这一技术发展方向的典型代表。
开放性的设备特点，使得这类增材制造技术不仅可以用于制造新品，也可以对各类复杂零件，甚至处于工作位置的金属零件实现修复再制造，由此带来了更广阔的应用前景，但同时也对设备提出了更多定制化的需求。
尽管市场上也有一些标准化的产品，例如美国optomec的Lens系统，国内铂力特的LSF系统等，但是更多的工程化应用需要定制化的设备与服务，具有系统设计开发能力与工艺研发能力的公司才能真正推动技术的应用落地。
Optomec的Lens系统
国内的辉锐集团在这一领域具有代表性，针对送粉式激光增材技术的工程化应用，辉锐陆续推出了应用于航空精密零件制造与修复的环境箱熔覆设备与工艺。在满足应用需求的基础上，辉锐也一直致力于设备的去进口化，目前90%以上的设备零部件都实现了国产化，关键部件如激光头、送粉器、粉末喷嘴等更是实现了100%自主产权。
困惑
尽管已经取得了令人瞩目的成果，金属的增材制造技术还远未成为一个成熟的制造技术，仍有许多问题与挑战需要解决，也还有许多的工业应用领域值得去探索。
在技术上，需要在热量输入、应力累积等方面实现更有效的过程控制，降低工艺开发的难度，提升产品性能与精度；在工程应用上，还需要考虑如何进一步降低设备与材料成本，提高成型效率，提高设备与工艺的稳定性，真正实现傻瓜式设备与交钥匙工程。所有这些，以及对创造性新技术的追求，都将是金属增材制造技术未来继续发展的方式。
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