浅谈增材制造技术及其应用

浅谈增材制造技术及其应用

胡坤

空军工程大学航空机务士官学校

摘要：增材制造技术是一种基于数字模型逐层累加材料的制造技术，对制造行业的变革影响深远。本文介绍了增材制造的技术基础，深入分析了增材制造的关键技术，并例举了增材制造技术在航空航天和生物医学领域的应用案例，系统展示了其在复杂结构制造、定制化生产等方面的巨大优势。本文旨在为增材制造技术的进一步发展和应用提供理论支持和实践指导，推动制造业向更高效、更智能的方向发展。

关键词：增材制造 技术基础 关键技术

增材制造技术，作为一项革新性的制造技术，巧妙地融合了计算机辅助设计与先进的材料加工技术。该技术依托于精确的数字模型文件，通过逐层叠加材料的方式，将虚拟设计转化为实体物品。整个制造流程在软件与数控系统的精细调控下运行，确保各种专用材料包括金属材料、非金属材料乃至医用生物材料，能够精准地沿着预设轨迹逐层累积，最终构筑出结构复杂且精细的制品。

一、增材制造技术基础

1.增材制造技术类型

依据工艺原理与材料特性的不同，增材制造技术被细分为多种类别。主要有：激光固化成型（SLA）技术采用激光束精准扫描液态光敏树脂，实现材料的逐层固化成型；熔融沉积成型（FDM）则通过加热并挤出熔融状态的塑料或金属线材，逐层堆叠构建物体；而电子束熔化成型（EBM）技术则利用高能电子束直接熔化金属粉末，打造出高密度、高精度的金属部件。

此外，增材制造领域还涵盖了粉末床烧结成型（SLS）、电子束熔化焊接（EBW）及激光熔化成型（SLM）等多样化技术。每种技术均独具特色，针对不同的材料类型与制造需求展现出卓越的性能。这些技术共同构筑了增材制造技术的多元化体系，为制造业带来了前所未有的革新，极大地拓宽了复杂结构件制造的边界，使曾经难以企及的制造梦想成为现实。

2.增材制造工艺流程

增材制造的完整工艺流程细致划分为几个关键环节：首先是利用三维设计软件创建或导入目标物体的精确三维模型数据，这是整个制造流程的基石。随后，采用先进的切片技术，将复杂的三维模型精准地转化为一系列连续的二维切片层，每一层都精确映射出物体在该特定高度的横截面形态。接下来，增材制造设备依据这些切片数据，通过精密的沉积、熔融、固化或烧结工艺，逐层、逐点地构建物体的实体框架。此过程中，对温度、速度等关键工艺参数的严格监控与调节至关重要，它们直接决定了制造过程的精度与成品的质量。最终，在构建完成后，还需进行一系列精细的后处理工序，包括但不限于打磨、抛光及上色等，以进一步提升产品的外观质感与性能表现，直至其完全符合既定的设计标准与客户需求。

增材制造的每一环节均紧密相连，缺一不可，它们共同构成这项技术的核心竞争力，赋予了复杂三维结构快速成型与高精度制造的无限可能。

二、增材制造的关键技术

1.三维建模技术

三维建模技术，作为增材制造领域的核心驱动力之一，是实现从概念构想到实体创造的基石。该技术占据举足轻重的地位，既是产品设计的起点，也是后续制造工序精确执行的蓝图。借助前沿的建模软件与计算机图形学，三维建模技术能够构建出产品的三维数字镜像。这些高精度的模型，不仅精确复现了产品的几何轮廓，更蕴含了材料的特性、工艺需求的精细参数等深层次信息，为增材制造的每一个环节铺设了坚实的基础。

设计过程中，创作者需兼顾产品的实用功能、视觉美感及制造工艺的切实可行性，通过无数次的微调与优化，力求在性能与成本之间寻找最完美的平衡点。与此同时，三维扫描与逆向工程等前沿技术的融入，极大地提升了建模的精准度与工作效率，让创意得以更迅速、更准确地转化为现实。

2.切片技术与路径规划

在增材制造过程中，切片技术与路径规划犹为重要，直接塑造着最终产品的高精度、高品质和高生产效率。

切片技术，作为三维模型向二维层片转化的魔术师，每一层片都需要精准捕捉三维模型在某一高度的特定截面。其精髓在于精准掌握切片厚度与方向的微妙平衡，既追求制造精度的极致，又兼顾效率与成本的考量。细薄切片，虽能提高产品的精度和表面质量，却也伴随着时间与成本的攀升；而适度增厚，则能在保持高效生产的同时，巧妙平衡精度需求。

路径规划，则是引领材料在每一层片上精准布局的指挥官，它精心编排材料添加的序列与轨迹，确保制造流程的稳健与连贯。此过程不仅需要考虑材料的填充策略，如直线填充、螺旋填充，还需前瞻性地设计支撑结构，确保模型在制造过程稳固，避免任何坍塌或变形的风险。

随着增材制造技术的日新月异，切片与路径规划两大核心技术也在持续进化与创新，不断向更高效、更精准、更智能的制造境界迈进，以满足日益广泛且多元的应用场景需求。

3.增材制造的成型精度控制

增材制造的成型精度控制是确保产品质量和性能的关键环节。在实际应用中，成型精度受到多种因素的影响，如设备精度、材料性能、工艺参数等。因此，实现高精度的成型控制对于提升增材制造技术的竞争力具有重要意义。

在成型精度控制方面，增材制造技术需要不断优化设备结构和算法，提高设备的稳定性和可靠性。同时，选用高性能的打印材料，确保材料的均匀性和一致性，也是提高成型精度的重要手段。此外，合理设置工艺参数，如打印速度、温度、层厚等，对于保证成型精度同样至关重要。

为了进一步提高增材制造的成型精度，还需要加强对制造过程的监控和反馈。通过实时监测制造过程中的各项参数，及时发现并处理异常情况，确保制造过程的稳定性和可控性。同时，建立完善的成型精度评价体系，对制造出的产品进行全面检测和分析，为后续的工艺优化提供有力支持。

三、增材制造技术的应用

1.在航空航天领域的应用

在航空航天领域，增材制造技术为复杂零部件的快速成型提供了可能。无论是飞机发动机中的精密零件、机翼上的复杂结构，还是航天器的外壳、管道等部件，以及火箭发动机的关键零件，都可以通过增材制造技术实现快速、精确的制造，大大提高生产效率，同时降低制造成本。这不仅提高了航天器的可靠性，也降低了维修和更换部件的成本。此外，该技术还能优化材料使用，减轻航空航天器的整体重量，提升其性能。

增材制造还为航空航天领域的材料研究提供了新的可能性。通过精确控制材料的微观结构，增材制造可以制备出具有特殊性能的新型材料，为航空航天器的设计和制造提供更多选择。

2.在生物医学领域的应用

在个性化医疗器械与植入物的制造方面，增材制造技术展现出巨大的优势。通过对患者医学影像数据的精确分析，医生可以定制出完全符合患者解剖结构的医疗器械或植入物，如人工关节、牙齿等。这不仅提高了手术的准确性和成功率，还大大提升了患者的生活质量。利用生物相容性材料和细胞，科学家可以打印出具有特定功能的生物组织或器官，为器官移植和再生医学提供了新的可能性。

增材制造技术在药物研发、生物模型制作以及医学教育等方面也展现出广阔的应用前景。通过打印出三维的生物模型，研究人员可以更直观地研究生物体的结构和功能，为药物研发和疾病治疗提供有力支持。

四、结束语：

增材制造技术能够快速实现从设计到成品的无缝转化，大幅缩短产品开发周期；能够灵活应对复杂结构制造，打破传统工艺限制；能够提高材料利用率高，降低成本同时促进资源节约；能够推动个性化定制与创新设计，为各领域带来前所未有的创造力和竞争优势。增材制造技术正以其独特的优势引领制造业不断推陈出新，不断迈向更加智能、更加精准的新时代。

参考文献：

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