作者：Jody Muelaner

　　增材制造(AM)是數(shù)字化制造更廣泛趨勢的一部分，以實(shí)現(xiàn)快速原型制作周期，并更快地將產(chǎn)品投入生產(chǎn)。

　　考慮一下 3D CAD 大規(guī)模采用之后、3D打印出現(xiàn)之前的原型流程。工程師使用 3D CAD 設(shè)計(jì)零件，然后將細(xì)節(jié)導(dǎo)出為二維圖紙。然后，機(jī)器操作員閱讀后者，對 CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)控)機(jī)器進(jìn)行編程以生產(chǎn)零件。如今，數(shù)字制造將 3D 零件模型直接發(fā)送到機(jī)器(無論是 CNC 機(jī)床還是 3D打印機(jī))進(jìn)行生產(chǎn)。全自動(dòng)算法驅(qū)動(dòng)這些部件構(gòu)建的執(zhí)行。這種功能可以大大減少零件設(shè)計(jì)和零件生產(chǎn)之間的延遲。

　　數(shù)字化制造還極大地增加了工程師可用的信息。在某些情況下，通過門戶網(wǎng)站提交給原型設(shè)計(jì)和批量制造服務(wù)的設(shè)計(jì)可以返回即時(shí)的可制造性反饋和準(zhǔn)確的定價(jià)。因此，在原型設(shè)計(jì)開始之前就可以快速計(jì)算多個(gè)設(shè)計(jì)的成本。

　　圖 1：所有類型的增材制造機(jī)械(包括此處所示的基于 FDM 的機(jī)械)均采用步進(jìn)電機(jī)來控制和協(xié)調(diào)擠出噴嘴(或其他沉積末端執(zhí)行器)在 3D 空間中的運(yùn)動(dòng)。 NEMA 17 步進(jìn)電機(jī)扭矩可達(dá) 60 盎司英寸。是常見的。 (圖片來源：夢想時(shí)光)

　　AM 是這種現(xiàn)代版本的迭代前期設(shè)計(jì)的核心。 Plus AM 可以生產(chǎn)使用傳統(tǒng)機(jī)械加工無法實(shí)現(xiàn)的零件形狀，例如具有內(nèi)部晶格的中空骨狀結(jié)構(gòu)?？焖俅蛴崴苄圆考?并且成本低廉)的能力可以對早期原型制作產(chǎn)生變革性影響。此類部件可用作實(shí)際原型零件或用作固定機(jī)加工零件或模制復(fù)合零件的工具。最近的發(fā)展允許直接打印高性能金屬零件，為原型制作、生產(chǎn)生產(chǎn)工具、甚至直接制造用于小批量生產(chǎn)的零件提供了更多可能性。

　　圖 2：先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制可以最大限度地減少 3D 打印機(jī)軸電機(jī)中電流正弦波的波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更安靜、更平穩(wěn)的操作。例如，一些用于驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)的獨(dú)立 IC使用優(yōu)化的斬波器例程來驅(qū)動(dòng)電機(jī)步進(jìn)和方向，以最大限度地提高運(yùn)動(dòng)性能、電機(jī)扭矩和效率。 (圖片來源：Trinamic Motion Control GmbH)

　　專有增材制造工藝的名稱比比皆是，但所有工藝都屬于七個(gè) ISO 標(biāo)準(zhǔn)增材制造類別之一。

　　材料擠出 3D 打?。和ㄟ^噴嘴或孔口選擇性地分配材料。最常見的是，熱塑性聚合物是被擠出的材料，該過程通常稱為絲沉積成型或FDM。幾乎所有低成本 3D 打印機(jī)甚至許多高檔機(jī)器都使用 FDM。

　　粉末床熔融或 PBF：來自激光、電子束或等離子弧的熱能被聚焦以熔化和熔合粉末床中所含粉末材料的區(qū)域。

　　事實(shí)上，20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)的第一種粉末床熔融技術(shù)被稱為選擇性激光燒結(jié)或SLS。與當(dāng)今使用的某些技術(shù)相比，SLS 無法完全熔化粉末……因此無法生產(chǎn)完全致密的零件?，F(xiàn)在，現(xiàn)代粉末床熔合設(shè)備完全熔化金屬粉末，生產(chǎn)出完全致密的零件，其晶粒結(jié)構(gòu)可與鍛造部件相媲美。 SLS 生產(chǎn)的零件的機(jī)械性能明顯優(yōu)于鑄造零件。

　　缸光聚合：缸中的液體光聚合物通過光激活聚合選擇性固化。這個(gè)過程通常稱為立體光刻。

　　圖 3：立體光刻 (SLA) 和數(shù)字光處理 (DLP) 是用于創(chuàng)建模型、原型、圖案和生產(chǎn)零件的增材制造技術(shù)。 (圖片來源：夢想時(shí)光)

　　定向能量沉積或 DED：來自激光、電子束或等離子弧的熱能在材料沉積時(shí)被聚焦以熔化和熔合材料?？梢允褂盟徒z或吹制粉末作為原料。

　　圖 4：圓軌直線導(dǎo)軌和外露式同步帶傳動(dòng)裝置在桌面 3D 打印機(jī)以及更復(fù)雜的設(shè)備上很常見。 (圖片來源：夢想時(shí)光)

　　粘合劑噴射 (BJ) 和材料噴射 (MJ)：在 BJ 工藝中，選擇性沉積液體粘合劑以連接粉末材料。相比之下，在 MJ 工藝中，使用與噴墨打印非常相似的工藝選擇性地沉積構(gòu)建材料的液滴。

　　圖 5：這款 3D 打印機(jī)具有較重的末端執(zhí)行器，因此是圍繞 SCARA 機(jī)器人手臂構(gòu)建的。 (圖片來源：夢想時(shí)光)

　　片材層壓：將材料片材粘合形成零件。這是最古老的增材工藝，早期的機(jī)器通過分層和粘合紙張型材來創(chuàng)建復(fù)雜的 3D 零件，類似于膠合板的制造方式。

　　不同增材制造類型設(shè)備之間的共性

　　所有的增材制造方法都只是描述了通過分層 2D 輪廓來構(gòu)建 3D 零件——每一個(gè)都位于最后一個(gè)之上。在涉及具有顯著懸垂或會(huì)分離特征的層的構(gòu)建中，首先沉積支撐結(jié)構(gòu)，然后在構(gòu)建后移除。

　　雖然基于材料擠出的 FDM 是從業(yè)余愛好級 3D 打印機(jī)到塑料工業(yè)原型制作等各種領(lǐng)域的主要增材制造方法，但兩種工藝在生產(chǎn)高強(qiáng)度航空航天級金屬部件方面越來越常見。這些都是：

　　適用于小型和成品零件的粉末床熔合 (PBF)

　　適用于通常需要最終加工的大型零件的定向能量沉積 (DED)

　　圖 6：用于生產(chǎn)先進(jìn)金屬工件的增材制造設(shè)備是采用先進(jìn)運(yùn)動(dòng)組件甚至在某些情況下采用直驅(qū)電機(jī)的伺服系統(tǒng)。這種構(gòu)建允許操作員利用基于激光的構(gòu)建方法的精度。 (圖片來源：夢想時(shí)光)

　　隨著所有類型的增材制造工藝的進(jìn)步，他們開始采用許多相同的自動(dòng)化解決方案。例如， Festo提供的各種先進(jìn)自動(dòng)化組件(包括帶有滾珠絲杠或皮帶傳動(dòng)裝置的機(jī)電線性執(zhí)行器)可用于從業(yè)余愛好級到專業(yè)設(shè)備以及高度復(fù)雜的 SLS 設(shè)備的 FDM 機(jī)器中。

　　增材制造設(shè)計(jì)自由度和限制

　　與機(jī)械加工等減材工藝相比，增材制造零件的一個(gè)顯著優(yōu)勢是可以更自由地創(chuàng)建不同的形狀。只能在機(jī)床可以放置刀具的位置創(chuàng)建加工特征。這通常會(huì)限制內(nèi)角的最小半徑，使某些懸垂特征具有挑戰(zhàn)性，并且意味著使用單個(gè)組件根本不可能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空隙。這些限制通常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)由多個(gè)螺栓連接在一起的部件組裝而成，增加了制造成本和重量，同時(shí)降低了強(qiáng)度和可靠性。擺脫了這些限制，使用增材工藝生產(chǎn)的零件通常可以整合許多組件，從而大大降低成本，同時(shí)提高性能。

　　生成設(shè)計(jì)是一種算法通過進(jìn)行許多小的更改并在類似于進(jìn)化的過程中模擬不同組件的性能來設(shè)計(jì)組件的過程。由此產(chǎn)生的形狀通常具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類設(shè)計(jì)師所能創(chuàng)造的任何形狀的復(fù)雜性……并且與自然進(jìn)化的結(jié)構(gòu)驚人地相似。

　　圖 7：通過生成設(shè)計(jì)創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)通常與增材制造相關(guān)，盡管它們通常是通過數(shù)字制造和五軸 CNC 加工生產(chǎn)的。 NASA 進(jìn)化結(jié)構(gòu)計(jì)劃創(chuàng)建了此處所示的組件; NASA 團(tuán)隊(duì)采用 CNC 加工，因?yàn)榧庸ち慵?AM 變體更適合高性能應(yīng)用。部分原因是(盡管增材制造取得了進(jìn)步)加工部件的材料特性變化較小。 (圖片來源：NASA)

　　隨著組件變得越來越復(fù)雜，具有有機(jī)的外部形狀和內(nèi)部晶格和通道，數(shù)字模型需要更多的數(shù)據(jù)。渲染、切片、支撐結(jié)構(gòu)生成和機(jī)器代碼生成等操作都變得更加困難。已建立的鑲嵌文件格式(將表面表示為平面三角形的網(wǎng)格)變得越來越麻煩。一種方法是允許網(wǎng)格文件具有 3D 彎曲三角形，以便可以使用較少數(shù)量的三角形來近似曲面。

　　表示此類復(fù)雜幾何圖形的一種更有效的方法是使用隱式幾何圖形，盡管這與大多數(shù) CAD 軟件尚不兼容。

　　增材制造允許控制內(nèi)部幾何形狀

　　增材制造在創(chuàng)建內(nèi)部幾何形狀方面具有無與倫比的能力。這種能力可以實(shí)現(xiàn)原本不可能實(shí)現(xiàn)的輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部晶格類似于骨骼和植物莖的內(nèi)部晶格。該功能還允許設(shè)計(jì)具有內(nèi)部管道、管道、歧管、冷卻通道或熱交換器等功能的合并零件。雖然此類部件傳統(tǒng)上是由管道和板材加工和制造的，從而導(dǎo)致直徑和通道寬度恒定，但通過增材制造可以改變輪廓?？梢园ㄖT如湍流器之類的功能，以增加傳熱。

　　圖 8：此處顯示的是 GE 的 Aero LEAP 燃油噴嘴。 (圖片來源：GE)

　　考慮一下增材制造航空航天部件多年來如何在飛機(jī)上使用。最著名的例子之一是通用電氣 Aero LEAP 燃油噴嘴，該噴嘴自 2015 年開始生產(chǎn)。它用一個(gè)具有所有必需的復(fù)雜內(nèi)部通道的綜合組件取代了 18 個(gè)組件。

　　通用電氣 Catalyst 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步利用了增材制造，將 800 多個(gè)傳統(tǒng)制造的零件整合為 12 個(gè)增材制造零件。該發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)將于 2023 年獲得認(rèn)證。

　　激光束粉末床熔合或 PBF-L 是最成熟、最成熟的增材制造金屬工藝。該工藝用于生產(chǎn)GE的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，也可以生產(chǎn)高質(zhì)量的聚合物部件。由于需要在構(gòu)建區(qū)域上保持一致的氣流以及用粉末填充床的成本，構(gòu)建體積的尺寸限制在 400 mm × 400 mm × 800 mm 左右。金屬粉末很重，而且對于一致熔合所需的質(zhì)量來說也非常昂貴。單個(gè)激光器的沉積速率高達(dá) 20 cm 3 /小時(shí)，而具有多個(gè)激光器的系統(tǒng)可達(dá) 150 cm 3/小時(shí)，用于鋁制部件?？梢垣@得適合成品零件的良好表面光潔度。表面質(zhì)量取決于粉末原料的粒徑，粒徑小至 5 μm。

　　通過粉末床熔合生產(chǎn)的零件的材料特性在很大程度上取決于熔池的控制，在熔池中粉末材料被熔合到固體零件中。控制熔池本質(zhì)上與焊接操作相同，基本理解建立在多年的焊接研究和開發(fā)的基礎(chǔ)上。激光和電子束焊接已經(jīng)使用了 50 多年，而電弧焊已經(jīng)使用了 100 多年。這些知識(shí)使得生產(chǎn)出的零件具有高度細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)，通常可與最高性能的鍛造零件相媲美。然而，過程可變性仍然較高。

　　結(jié)論

　　盡管不太常見，但除激光之外的其他能量束也可用于粉末床熔合。電子束粉末床熔合的優(yōu)點(diǎn)是可以用磁鐵控制電子束，而不需要機(jī)械控制鏡子。這意味著可以實(shí)現(xiàn)更高的構(gòu)建速率，但表面光潔度不如基于激光的工藝那么好。

　　在技術(shù)領(lǐng)域的另一端，開源 3D 打印機(jī)可以在家里建造，甚至可以打印自己的組件——本質(zhì)上是自我復(fù)制。只需購買一些自動(dòng)化組件，例如步進(jìn)電機(jī);構(gòu)建的所有機(jī)械元件都可以制作。