增材制造的现状与应用分析

增材制造的现状与应用分析

肖攀

湖南华曙高科技股份有限公司  湖南长沙 410000

摘要：增材制造技术出现后广泛应用在各个领域和学科，该技术实现了多学科融合，是一种连接材料和产品的关键性技术，这一技术转变了传统的加工设计和制造理念，是智能制造的重要手段，智能材料对环境的感知力、响应能力、修复能力和自适应能力较强，智能材料与增材制造技术的结合能够实现外部刺激、环境激活的智能器件的一体化制造。智能材料制造技术主要应用在医疗行业、软体机器人领域，本文针对智能材料进行分析，分析增材制造技术在金属、陶瓷材料中应用呈现出现的问题和特点，对其进行完善和合理的应用。增材制造技术是一种能够完成设计、材料、结构结合的技术手段，有利于推动智能材料的发展。

关键词：增材制造；材料类型；应用效果

智能材料是二十一世纪新材料，最开始由日本的Takagi提出来的，对环境有极高感知力、可响应力特点，同时还具有执行、诊断的能力。智能材料不仅是一种单一的材料，是一种多材料组合而成的且通过智能制造方法构成的智能器件。智能材料根据材料机制的差异主要包括金属智能材料、高分子类智能材料、陶瓷类智能材料。增材制造技术历经了30多年的发展，在实际应用、工艺技术上得到了巨大的发展。增材制造技术以数字模型驱动为基础，突破了传统的工艺中的约束，改变了加工制造设计的理念。

一、增材制造金属类的材料

增材制造金属类的材料主要包括形状记忆合金、磁致伸缩材料。常用金属智能材料制造技术包括有激光选区熔化、激光近净成形技术以及电弧增材制造技术。

（一）形态记忆合金

形态记忆合金作为典型的金属间化合物，能在热刺激、机械刺激的影响下实现转换。SMA包括NiTi基、Cu基、Fe基记忆合金。在1960年的初期开发了记忆合金，研究人员致力于探索记忆合金的特殊性，被广泛应用在微机电系统、生物医疗、航空航天等领域。SMA              具有特殊的记忆效应、超弹性特点，在外界温度、应变环境下促进SMA马氏体相变[1]。

NiTi形态记忆合金具有相变情况、特殊的形状极易和超弹性行为，受到了材料科学和工程学的极大的影响。按照Chalker的研究，利用SLM技术成形NiTi合金工程形成的NiTi合金样件表现出来60%～80%变形率，从而研究人员开发了一种全新的SMA加工方式，样件质量、变形回复率相比传统工艺制备的合金有很大的差异，为成形复杂结构提供了有效的解决对策。研究人员通过LENS、WAAM技术形成了NiTi合金，在其增材制造过程中，无论通过任何一种技术，在成型中大梯度、高瞬态的热历史对杨建内部的变化有明显的影响，如何通过调控成型技术、设计合金优化等手段对增材制造NiTi合金析出晶粒形貌、相变温度、相变区间控制也是重要领域[2]。根据Zhang的研究，分析SLM成形NiTi中孪晶、位错等演变机制，相比传统的方法，SLM成形中的瞬态热历史较为复杂，从而导致SLM成型的NiTi合金有独特的微观结构特点。

Cu基形状记忆合金包括Cu-Zn以及Cu-Al两大类，最有价值的为Cu-Zn-Al系、Cu-Al-Ni系。根据Donoso的研究，报道了激光直接制造技术形成了记忆合金，通过控制成形参数、Al元素含量，从而对相变温度滞后量进行调节。增材制造技术由于加工区域小、材料成形的特点，材料微观组织、力学性能与传统加工方法很大差异，通过增材制造技术解决了Cu基SMA加工困难，实现了高致密度、相变温度可调整的Cu基SMA制造。

（二）磁致伸缩材料

传统磁致伸缩材料远不如压电材料，随着稀土类磁致伸缩材料、新型磁致伸缩材料，磁致伸缩材料具有大载荷、高频响应、换能频率较高的特点，根据Yang的研究，利用激光熔覆增材制造技术形成了Fe-Co-V基合金，添加了Al元素、Sm元素会对合金的相组成、纤维组织、磁致伸缩饱和场带来影响。超声增材制造技术是一种低温成形金属材料特点，超声振动将不同材料逐层结合起来。该技术通过材料表面固态扩散焊接机制实现了材料的连接，但是结构还需要进一步加工。虽然UAM技术避免了对热历史、微观组织演变带来的影响，从而也失去了增材制造技术的优势。见表1。

表1  典型增材料制造金属类智能材料[3]

二、增材制造技术在航天领域的应用

美国在2017年点火测试的发动机Bantam采用增材制造技术加工的，推动力、喷嘴等零部件利用3D打印进行加工制造，见图1。将增材制造技术制造发动机，有利于缩短成本以及周期，因此适合用于小型运载性火箭。轨道ATK公司采用激光选区熔化成型技术制造的发动机的燃料泵。

图1  增材制造技术加工火箭发动机点火试验

三、小结

    随着智能材料、增材制造技术的发展，第一次提出了4D打印概念，同时也促进了增材制造技术成型手段、智能材料响应外界刺激的融合。增材制造技术在成形智能材料的基础上，在材料中加入驱动、逻辑、感知能力，克服了物体生产制造的空间限制，因此该技术在工业、医疗等方面发挥巨大的潜力。增材制造技术具有其优势，在航天等领域得到广泛的应用，并且在运载火箭、卫星自驾、空间站的航天制造领域占据重要的地位，增材制造技术发展越来越成熟，在促进我国航天制造行业的发展占据重要的地位。

参考文献：

[1]刘洋,周建平,张晓天.增材制造技术在载人航天工程中的应用与展望[J/OL].北京航空航天大学学报:1-11[2022-08-03].

[2]白亚洲,张建龙,王胜利,令狐荣奎,靳向涛.浅谈增材制造技术在航天领域的应用[J].南方农机,2022,53(13):158-161.

[3]程序,何蓓,李卓,朱言言,冉先喆,王佳玮,袁经纬.基于3D打印技术的“增材制造实验”课程改革初探[J].工业和信息化教育,2022(06):56-59.