金屬增材制造是增材制造技術(shù)最重要的一個分支。是以金屬粉末/絲材為原料，以高能束（激光/電子束/電弧/等離子束等）作為刀具，以計算機三維CAD數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，運用離散－堆積的原理，在軟件與數(shù)控系統(tǒng)的控制下將材料熔化逐層堆積，來制造高性能金屬構(gòu)件的新型制造技術(shù)。
金屬增材制造技術(shù)工作原理
金屬增材制造技術(shù)類別
1、激光選區(qū)熔化技術(shù)SLM
激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）是由粉床選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）發(fā)展而來，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將鋪灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。
2、電子束選區(qū)熔化技術(shù)EBSM
電子束選區(qū)熔化技術(shù)（Electron Beam Selective Melting，EBSM）的原理與SLM類似，只不過EBSM是在真空環(huán)境中，以電子束作為輸出熱源。相比激光，電子束更容易獲得，可以相應(yīng)的降低部分加工成本，同時真空的工作環(huán)境也可以有效保證鈦合金和鋁合金在內(nèi)的很多活潑金屬在加熱過程中不易被氧化。
3、激光立體成形技術(shù)LSF
激光立體成形技術(shù)（(Laser Solid Forming，LSF）是通過快速成型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)有機結(jié)合，利用高能量激光束將與光束同軸噴射或側(cè)向噴射的金屬粉末直接熔化為液態(tài)，通過運動控制，將熔化后的液態(tài)金屬按照預(yù)定的軌跡堆積凝固成形，獲得從尺寸和形狀上非常接近于最終零件的“近形”制件。
4、電子束熔絲沉積技術(shù)EBFF
電子束熔絲沉積技術(shù)(ElectronBeamFreeformFabrication，EBFF)，是電子束焊接技術(shù)(EBM)和快速成形思想結(jié)合的產(chǎn)物。在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面，在前一沉積層或基材上形成熔池，金屬絲材受電子束加熱融化形成熔滴。隨著工作臺的移動，使熔滴沿著一定的路徑逐滴沉積進入熔池，熔滴之間緊密相連，從而形成新的沉積層，層層堆積，直至制造出金屬零件或毛坯。
5、電孤增材制造技術(shù)WAAM
電弧增材制造技術(shù)（Wire ArcAdditive Manufacture，WAAM）是以熔化極惰性氣體保護焊接（MIG）、鎢極惰性氣體保護焊接（TIG）以及等離子體焊接電源（PA）等焊機產(chǎn)生的電弧為熱源，通過金屬絲材的添加， 在程序的控制下， 按設(shè)定成形路徑在基板上堆積層片，層層堆敷直至金屬零件近凈成形。
6、鑄鍛銑復(fù)合增材制造技術(shù)
從技術(shù)的原理上來說，此類技術(shù)應(yīng)該屬于電弧增材制造技術(shù)。但由于其突破傳統(tǒng)增材制造局限，通過鑄鍛銑復(fù)合制造，制件強度及性能達到鍛件水平，使增材制造在高性能金屬部件的應(yīng)用上得到推廣，因此要歸為新增的一類技術(shù)。
該技術(shù)在增材制造過程中加入了微鍛工藝，改變了傳統(tǒng)制造鑄鍛銑分離、流程長、需大型鑄鍛銑設(shè)備、耗資源重污染、復(fù)雜件無法整體制造的模式，突破了增材制造難以得到鍛件級零件的世界難題。目前，通過該技術(shù)成功制造發(fā)動機過渡段并通過烏克蘭航空鍛件標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量檢測和實機考核，制造的GH4169高溫合金零件經(jīng)美國通用航空公司測試疲勞性能超過鍛件。中國商飛集團、美國通用航空公司、歐洲空客集團已采用該技術(shù)制造飛機關(guān)鍵零件。
2017年，鑄鍛銑復(fù)合增材制造技術(shù)已經(jīng)獲得美國發(fā)明專利保護，獲得全國創(chuàng)新大獎、日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎、中國發(fā)明協(xié)會特別獎等。
六種金屬增材制造技術(shù)優(yōu)勢對比
金屬增材制造材料
1、鈦合金
金屬增材制造技術(shù)中率先被研究和廣泛應(yīng)用的合金材料，具有密度低、比強度高、耐腐蝕性、高溫力學(xué)性能優(yōu)良及生物相容性等特點。最典型的是TC4鈦合金，適合于激光束/電子束快速成形工藝，主要用于航空框架、梁、接頭、葉片等部件上。
鎳合金
高溫合金的一種，是以鎳為基添加適宜的元素，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力環(huán)境下長期工作的一類金屬材料，具有耐高溫性、良好的的抗熱腐蝕和抗氧化性能等，主要用于高性能發(fā)動機。
2、鋼
合金材料中最大的一個分支。在增材制造技術(shù)發(fā)展史上，鋼是被廣泛應(yīng)用的重要材料，可細(xì)分為不銹鋼、高強鋼和模具鋼。不銹鋼具有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫和力學(xué)性能良好等特性，其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉。
3、鋁合金
熔點較低，快速熔凝過程中溫度梯度相對較小，容易加工成型且成形件不易變形開裂，但是易氧化、具有高反射性和導(dǎo)熱性等特性。目前對于鋁合金更多的是基于SLM的研究與應(yīng)用。
4、鎂合金
最輕的結(jié)構(gòu)合金，由于其特殊的高強度和阻尼性能，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域具有替代鋼和鋁合金的可能。另外具有原位降解性、優(yōu)異的生物相容性等特點，在生物醫(yī)療行業(yè)比傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景。
5、其它合金
還包括硬質(zhì)合金、鈷鉻合金、以及Cu-Su、WNi、Ni-Al和Nb-Ti-Si等金屬間化合物材料和一些梯度材料。
金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用
1、成形傳統(tǒng)制造難度大的零件
在制造領(lǐng)域，有些零部件形狀復(fù)雜、制備周期長，應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術(shù)則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢。
通過金屬3D打印的異型水路模具設(shè)計時間減少了75%、制造端人力節(jié)省了50%、射出模具生產(chǎn)周期縮短了14％、制造費用降低了16%等。
2、制備高成本材料零件
金屬材料是制造領(lǐng)域必不可少的重要材料，但是在實際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長等。
美國最大的航空發(fā)動機制造公司之一普惠公司應(yīng)用增材制造技術(shù)用于發(fā)動機的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結(jié)果顯示：不但獲得了與當(dāng)前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造精度；而且原材料消耗降低了50%，并將發(fā)動機的BTF比（原材料質(zhì)量與部件最終質(zhì)量之比）從傳統(tǒng)工藝的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的質(zhì)量和降低了制造成本。
3、快速成形小批量非標(biāo)件
3D打印非常適合個性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。當(dāng)前，金屬增材制造的個性化制造在醫(yī)療器械的應(yīng)用極為突出，一方面用于打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
這些植入物通過3D打印技術(shù)的精確控制，有效實現(xiàn)外在輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同步重建，以滿足其與患者局部解剖結(jié)構(gòu)的高度匹配，其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料，打印出來的多孔結(jié)構(gòu)植入物，可以更好的與人體組織結(jié)合。另一方面，金屬增材制造技術(shù)還可用于為病人量身定做植入手術(shù)所需的精密部件，例如華南理工大學(xué)利用激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）已成功研制了外科手術(shù)所需的個性化輔助導(dǎo)板。
4、高性能成形修復(fù)受損零件
高成本零件的成形修復(fù)也是金屬增材制造技術(shù)的突出優(yōu)勢。過去，對于受損零部件只能做表面的涂層修復(fù)，并且維修工序步驟繁多，還涉及到一些額外的步驟如加工、拋光、測試等，同時還受維修時限條件的制約，耗時較長；而對于損傷稍嚴(yán)重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術(shù)則可以對任意缺失或損環(huán)的部分進行快速成形和修復(fù)。
例如航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬3D打印技術(shù)，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大延長了使用壽命，降低了成本，減少了停機時間。
5、異質(zhì)材料的組合制造
對于傳統(tǒng)制造方式（鑄造、鍛造等）來講，將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難，但是增材制造技術(shù)有能力使不同原材料進行組合制造。
針對部分工業(yè)零件適當(dāng)利用增材制造技術(shù)進行組合制造，不同的結(jié)構(gòu)部位采用不同類別的金屬材料，不僅大大提高結(jié)構(gòu)件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時，也把增材制造技術(shù)成型復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術(shù)高精度本的優(yōu)勢結(jié)合起來，形成了最佳的制造策略。
6、輕量化制造
增材制造技術(shù)快速自由成型的特點，給產(chǎn)品的設(shè)計帶來了無限的創(chuàng)新空間，為實現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計提供了有效的制造途徑。金屬增材制造技術(shù)則可以使這些經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實現(xiàn)制造。
例如空客A320飛機的大尺寸“仿生”機艙隔離結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)是通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，金屬3D打印制造而成，材料是采用的超強且輕質(zhì)合金材料Scalmalloy。A320全新的機艙設(shè)計與原有的隔離結(jié)構(gòu)相比，新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且將其總量減輕了45%。
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