楊延華

(西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710077)

0 引 言

增材制造(3D打印)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，按照一定分層厚度和預(yù)定堆積軌跡，將金屬或非金屬材料逐層疊加制造出特定模型或者結(jié)構(gòu)的新興制造技術(shù)。文獻(xiàn)[1-2]介紹增材制造(Additive Ma-nufacturing，簡稱AM)技術(shù)是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。

美國增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)的Wohlers協(xié)會2013年度報(bào)告分析顯示：2012年增材制造設(shè)備與服務(wù)全球產(chǎn)值為22.04億美元，與上年同期相比增長率為28.6%，其中，設(shè)備材料為10.03億美元，服務(wù)產(chǎn)值為12億美元。在增材制造應(yīng)用方面，消費(fèi)商品和電子領(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位，占比21.8%；機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域占比8.6%；醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)域占比16.4%；工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域占比13.4%；航空航天領(lǐng)域占比10.2%。全球設(shè)備擁有量方面，美國占比38%，中國繼日本和德國之后，以約9%的數(shù)量居第四位。在設(shè)備產(chǎn)量方面，美國3D打印設(shè)備產(chǎn)量最高，占世界的71%，歐洲以12%、以色列以10%位居第二和第三，中國設(shè)備產(chǎn)量占4%。

我國自20世紀(jì)90年代初，在國家科技部等多部門持續(xù)支持下，華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等在典型的成形設(shè)備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進(jìn)展。目前，我國以及各省區(qū)域積極發(fā)展和支持增材制造，成立國家增材制造創(chuàng)新中心、西安增材制造國家研究院有限公司以及各地方3D打印中心等。國家增材制造創(chuàng)新中心位于西安，是工信部落實(shí)《中國制造2025》首批布局的國家創(chuàng)新中心之一。創(chuàng)新中心對整合全國優(yōu)勢資源，聚集增材制造領(lǐng)域的優(yōu)勢科研團(tuán)隊(duì)、優(yōu)勢技術(shù)公司、主要工業(yè)界用戶和投融資機(jī)構(gòu)，促進(jìn)增材制造共性技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定及產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)裝備制造業(yè)高端發(fā)展、工業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有十分重要的意義。西安增材制造國家研究院有限公司作為國家增材制造創(chuàng)新中心的依托公司和承載主體，由西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)和華中科技大學(xué)5所大學(xué)及增材制造裝備、材料、軟件生產(chǎn)及研發(fā)的13家重點(diǎn)企業(yè)于2016年共同組建，公司匯聚國內(nèi)外高端人才及相關(guān)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程中心和工程實(shí)驗(yàn)室等科研資源，為國內(nèi)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展提供重要支撐，服務(wù)《中國制造2025》。

近年來，伴隨增材制造快速發(fā)展，繼北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等開發(fā)大尺寸飛機(jī)金屬零件并在推廣應(yīng)用之后，3D打印逐漸向航天、石油、化工、電子、醫(yī)療以及教育等多領(lǐng)域發(fā)展，打印設(shè)備從高端型逐步向低成本普及型發(fā)展，打印材料也從金屬絲材、粉末、熱熔塑料、液體樹脂等多樣化發(fā)展，打印模型逐漸從單一模型向高精度裝配模型發(fā)展，同時(shí)打印服務(wù)逐漸同個(gè)體化定制模式、互聯(lián)網(wǎng)+、傳統(tǒng)制造業(yè)向兼容和結(jié)合模式發(fā)展，逐漸形成響應(yīng)新時(shí)代召喚下的“大眾創(chuàng)新，萬眾創(chuàng)業(yè)”的3D打印新模式。

鑒于增材制造工藝及其材料快速發(fā)展，國內(nèi)外對增材制造工藝分類有多種意見。2015年1月15日，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定的標(biāo)準(zhǔn)ISO 17296-2[3]，規(guī)定了增材制造工藝分類及原材料概覽及其基本原則，其中對增材制造工藝進(jìn)行分類。2015年12月15日出版，ISO聯(lián)合ASTM發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)ISO/ASTM 52900[4]，給出增材制造相關(guān)術(shù)語以及主要工藝分類。由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會提出，2017年12月發(fā)布2018年10月1日實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T35351-2017增材制造術(shù)語》[5]，以及2018年5月14日發(fā)布將于2019年3月1日實(shí)施的《GB/T35021-2018 增材制造工藝分類及原材料》[6]，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)針對現(xiàn)有增材制造工藝進(jìn)行分類，根據(jù)成形原理給出了7種增材制造工藝，分別為：立體光固化、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積和薄材疊層。

目前，鑒于增材制造材料和種類繁多，對增材制造分類不盡統(tǒng)一和全面。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)給出的增材制造分類均以制造工藝為單一依據(jù)，分類不夠詳盡和全面。因此，本文參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分類，通過國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研和分析，分別以制造材料屬性、材料形態(tài)、制造熱源、工藝組合為依據(jù)，對增材制造進(jìn)行全面、系統(tǒng)分類，并給出各類增材制造工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用情況，同時(shí)給出增材制造研究現(xiàn)狀，最后研究分析增材制造存在的不足與發(fā)展趨勢。

1 增材制造分類

增材制造的分類根據(jù)制造材料種類、制造工藝以及制造方法等的不同而不同，與此同時(shí)，同種材質(zhì)零件的增材制造可以采用不同原料形狀、不同熱源等來實(shí)現(xiàn)。作者經(jīng)過大量調(diào)研和仔細(xì)分析，將增材制造按照制造材料種類、形態(tài)、熱源、工藝組合等方法來進(jìn)行劃分，如表1所示，同時(shí)各種分類可以交叉實(shí)施實(shí)現(xiàn)增材制造，從而引出較為主流的增材制造工藝。

表1 增材制造分類

1.1 按照制造材料種類劃分增材制造

首先，按照制造材料種類，增材制造可分為金屬材料增材制造、有機(jī)高分子材料增材制造、無機(jī)非金屬材料增材制造和生物材料增材制造。

(1) 金屬材料增材制造

金屬材料增材制造就是以金屬材料為原料，包括金屬粉末、絲材等形式，在高溫?zé)嵩聪峦瓿稍霾闹圃臁＿m用于金屬材料增材制造的材料包括：鈦合金、鎳合金、鋼、鋁合金和硬質(zhì)合金等材料。目前工業(yè)應(yīng)用較為廣泛的就是金屬材料增材制造，主要用于航空、航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

(2) 有機(jī)高分子材料增材制造

有機(jī)高分子增材制造是以有機(jī)高分子材料為原料，包括專用樹脂、超高分子量聚合物等材料，通過特定的熱源形式，完成的增材制造。有機(jī)高分子增材制造原料包括專用光敏樹脂、粘結(jié)劑、催化劑、蠟材以及高性能工程塑料與彈性體等。

(3) 無機(jī)非金屬材料增材制造

無機(jī)非金屬材料增材制造是以無機(jī)非金屬材料為原料來完成的增材制造。作為三大材料之一的無機(jī)非金屬材料也是增材制造的主要原料，包括：氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化鋁、氮化硅等，形態(tài)主要有粉末和片材等[7]。

(4) 生物材料增材制造

生物材料增材制造是以當(dāng)今新型可植入生物材料為原料來完成的增材制造。生物材料增材制造大大拓展了生物醫(yī)學(xué)視野，完善了個(gè)性化醫(yī)療器械的開發(fā)，不同軟硬程度的器官、組織模擬材料，促進(jìn)生物學(xué)進(jìn)步。

1.2 按照制造材料形態(tài)劃分增材制造

按照制造材料形態(tài)劃分，增材制造可劃分為粉末/顆粒材料增材制造、絲材增材制造、帶材/片材增材制造和液體材料增材制造等。

(1) 粉末/顆粒材料增材制造

粉末/顆粒材料增材制造是以粉末/顆粒材料為原料，在一定熱源條件下完成的增材制造?？捎糜诜勰?顆粒材料增材制造的材料包括金屬、有機(jī)高分子材料、無機(jī)非金屬材料等。

(2) 絲材增材制造

絲材增材制造是以絲材為原料，在一定熱源條件下完成的增材制造?？捎糜诮z材增材制造的材料包括金屬、有機(jī)高分子材料等。

(3) 帶材/片材增材制造

帶材/片材增材制造是以帶材/片材為原料，在一定條件下完成的增材制造。可用于帶材/片材增材制造的材料包括金屬材料、有機(jī)高分子材料、無機(jī)非金屬材料等。

(4) 液體材料增材制造

液體增材制造是以液態(tài)材料為原料，在一定固化條件下完成的增材制造?？捎糜谝簯B(tài)增材制造的材料包括有機(jī)高分子材料、無機(jī)非金屬材料等，例如光敏液體樹脂等材料。

1.3 按照制造熱源劃分

1.3.1 激光增材制造

激光增材制造是利用高密度高能量激光束為熱源，在惰性氣體保護(hù)環(huán)境中，在三維CAD模型分層的二維平面內(nèi)，按照預(yù)定的加工路徑，將同步送進(jìn)的粉末或絲材逐層熔化，從而分層成型的一種制造技術(shù)。激光增材制造分為激光選區(qū)增材制造和激光熔絲增材制造。激光增材制造主要適用于小尺寸、形狀復(fù)雜的金屬構(gòu)件的精密快速成形。具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、致密度高和材料浪費(fèi)少的優(yōu)勢, 已經(jīng)成為金屬零件3D打印成型領(lǐng)域中的重要技術(shù)之一。

(1) 激光熔絲增材制造技術(shù)

激光熔絲增材制造是利用激光為熱源將金屬絲材按照一定預(yù)設(shè)路徑分層堆積成型，從而形成實(shí)體零件。激光熔絲增材制造系統(tǒng)通常是由激光發(fā)生器、送絲系統(tǒng)、3D平臺、真空系統(tǒng)等組成。激光熔絲增材制造工作原理如圖1所示：首先將墊板置于3D工作臺上，送絲系統(tǒng)將金屬絲材送絲至指定路徑位置，激光系統(tǒng)發(fā)射激光，將金屬絲材熔化，隨即凝固成型為增材制造堆積材料，3D工作臺按照預(yù)設(shè)路徑在xy平面上移動(dòng)，形成單層金屬絲材增材制造后，3D工作臺再在z向進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)行下一層工件增材制造，直至完成整個(gè)零件增材制造。

圖1 激光熔絲增材制造工作原理

(2) 激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)

激光選區(qū)增材制造是利用激光束，按照預(yù)定路徑，將預(yù)先鋪設(shè)在二維截面上的金屬粉末熔化，由下而上逐層熔化凝固形成實(shí)體零件。激光選區(qū)增材制造系統(tǒng)通常是由激光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、3D平臺、真空系統(tǒng)等部分組成。激光選區(qū)增材制造工作原理如圖2所示：首先將墊板即擋板置于3D工作臺上，送粉系統(tǒng)將金屬粉末鋪滿于擋板內(nèi)，激光系統(tǒng)發(fā)射激光，將金屬粉末熔化，隨即凝固成型為增材制造堆積材料，3D工作臺按照預(yù)設(shè)路徑在xy平面上移動(dòng)，形成單層粉末增材制造后，3D工作臺再在z向進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)行下一層增材制造，直至完成整個(gè)零件增材制造。

利用該技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)方法無法加工的任意形狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、空間曲面多孔結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型腔流道結(jié)構(gòu)等。相較于電子束選區(qū)熔化技術(shù)，激光選區(qū)熔化由于所使用的粉末尺寸小(≤50 μm)、分層薄(≤0.05 mm)，因此具有很高的尺寸精度(±0.05 mm)和表面質(zhì)量(粗糙度Ra≤10)，能夠?qū)崿F(xiàn)無余量加工[8]。

圖2 激光選區(qū)增材制造工作原理圖

1.3.2 電子束增材制造

電子束增材制造是以高能電子束為熱源，對金屬材料連續(xù)掃描熔融，逐層熔化生成致密零件。其工藝原理同激光增材制造類似，分為電子束選區(qū)熔化增材制造和電子束熔絲增材制造。

(1) 電子束熔絲增材制造

電子束熔絲增材制造是指在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時(shí)按照預(yù)先規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)，金屬材料逐層凝固堆積，形成金屬零件或毛坯。電子束熔絲增材制造工作原理如圖3所示，其工作原理與激光熔絲增材制造類似，只是熱源不同，因此這里不再詳述。電子束熔絲沉積技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)包括：①沉積效率高。電子束可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十千瓦大功率輸出，可以達(dá)到很高的沉積速率，每小時(shí)10～20 kg，適于大型金屬結(jié)構(gòu)的成形。 ②真空環(huán)境有效避免空氣中有害雜質(zhì)在高溫狀態(tài)下影響金屬冶金質(zhì)量，適于鈦、鋁等活性金屬的制造。

圖3 電子束熔絲沉積成形原理圖

(2) 電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)

電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)是指電子束按預(yù)先設(shè)定的路徑掃描和移動(dòng)，將預(yù)先鋪放的金屬粉末逐層熔化凝固成型堆積，制造出金屬零件。整個(gè)加工過程均處于真空環(huán)境中，能有效避免空氣中有害雜質(zhì)的影響。電子束選區(qū)熔化技術(shù)原理圖如圖4所示，其工作原理與激光選區(qū)增材制造類似，只是熱源不同，因此這里也不再詳述。與激光增材制造相比，電子束增材制造主要優(yōu)勢為制造效率高，主要劣勢為伴隨電子束過程產(chǎn)生的X射線影響。

圖4 電子束選區(qū)熔化技術(shù)原理圖

早在20世紀(jì)90 年代，美國麻省理工學(xué)院的V.R.Dave等提出利用電子束將金屬材料熔化后進(jìn)行三維制造的想法[9]。隨后瑞典的Arcam公司申請了該項(xiàng)專利并制造出電子束增材制造設(shè)備[10]。2017年2月，空客公司從美國Sciaky公司采購的EBAM 110電子束增材制造系統(tǒng)開始用于3D打印飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件[11]。隨著沉積速度的提高，EBAM能在幾小時(shí)或幾天內(nèi)生產(chǎn)出大型尺寸零件[12]。

西北有色金屬研究院等牽頭起草了國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 34508-2017粉床電子束增材制造TC4合金材料 》[13]，于2017年10月14日發(fā)布， 2018年5月1日實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了粉床電子束選區(qū)熔化增材制造TC4合金材料的要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則和標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存、質(zhì)量證明書及合同(或訂貨單)內(nèi)容等。適用于以粉床電子束選區(qū)熔化增材制造工藝制造的TC4合金致密材料。

(3) 電弧增材制造

電弧增材制造以電弧為熱源，采用逐層堆焊的方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件，該技術(shù)主要基于TIG，MIG，SAW等焊接技術(shù)發(fā)展而來，成形零件由全焊縫構(gòu)成，化學(xué)成分均勻、致密度高，相對開放成形環(huán)境對成形件尺寸無限制，成形速率可達(dá)每小時(shí)數(shù)公斤，但電弧增材制造的零件表面波動(dòng)較大，成形件表面質(zhì)量較低，一般需要二次表面機(jī)加工，相比激光、電子束增材制造，電弧增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用目標(biāo)是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速近凈成形。由于其基于堆焊技術(shù)發(fā)展起來，具有低成本、高效率的優(yōu)點(diǎn)。

電弧送絲增材制造技術(shù)在過去20年一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。常用的電弧增材制造方法包括：熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)、非熔化極氣體保護(hù)焊(GTAW)和等離子弧焊(PAW)，其原理如圖5所示。

熔化極氣體保護(hù)焊GMAW是電弧在電極和基板之間燃燒，焊絲通常垂直于基板，主要有四種過渡方式，分別為：大滴過渡、短路過渡、射流過渡以及射滴過渡。除此之外，冷金屬過渡的焊接方法也經(jīng)常用在增材制造過程中，該方法具有焊接速度高、成型效率高、熱輸入低等優(yōu)點(diǎn)，適于鈦、不銹鋼等制造。

圖5 電弧增材制造工作原理

(4) 光固化增材制造

光固化增材制造是針對特種專業(yè)樹脂，液體或者膏體材料，例如環(huán)氧丙烯酸樹脂，在紫外光作用下引起樹脂高速聚合、交聯(lián)反應(yīng)形成，從而完成光固化增材制造。

光固化技術(shù)在增材制造方面應(yīng)用也日益增加。光固化打印機(jī)原理是聚合物單體與預(yù)聚體組成光引發(fā)劑 (光敏劑)，經(jīng)過紫外光(波長范圍：250～405 nm)照射后，引起聚合反應(yīng)，形成固化實(shí)現(xiàn)液體樹脂增材制造。光固化增材制造主要劣勢為：樹脂成型過程中由于發(fā)生收縮，導(dǎo)致固化速度慢、光敏材料強(qiáng)度不高等缺點(diǎn)，突破這些難點(diǎn)是光固化增材制造今后發(fā)展方向。

目前，光固化增材制造技術(shù)較為成熟， 2013年6月1日編著的《增材制造技術(shù)系列叢書:液態(tài)樹脂光固化增材制造技術(shù)》[14]，系統(tǒng)介紹了光液態(tài)樹脂的分層光固化技術(shù)，包括數(shù)字化建模、數(shù)據(jù)處理、液態(tài)樹脂光固化成形、光固化樹脂材料、液態(tài)樹脂光固化成形系統(tǒng)應(yīng)用操作和快速制模技術(shù)等方面內(nèi)容。香港的SparkMaker公司自2015年就研發(fā)開發(fā)出桌面光固化3D打印機(jī)，如圖6所示。該打印機(jī)可打印工件尺寸范圍為98 mm×55 mm×125 mm，打印精度xy方向可以達(dá)到100 μm，z向?qū)雍窬瓤蛇_(dá)10 μm，可以用于制作工件或者工件原型[15]。

圖6 SparkMaker光固化3D打印機(jī)

(5) 熱熔增材制造

熱熔增材制造又稱熔融沉積成型(Fused De-position Modeling，簡稱FDM)，該工藝是將絲狀材料，例如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲加熱為熔融流體后從噴嘴擠出，按照預(yù)定軌跡和速率將熔融流體堆積成型，從而凝固成型為工件。其工作原理如圖7所示。熔融沉積成型優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高，浪費(fèi)少；同時(shí)，可選材料種類多，包括熱塑性塑料、蠟或低熔點(diǎn)金屬等；工藝簡潔簡單，適合辦公室環(huán)境。缺點(diǎn)是表面粗糙度低，不適宜制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件。該工藝適合于精度要求不高的小型概念模型或原型模型制造。

圖7 熱熔增材制造工作原理示意圖

1.4 按照工藝組合劃分增材制造

按照工藝組合劃分，增材制造可劃分為單步增材制造、多步增材制造和復(fù)合增材制造。

(1) 單步增材制造

單步增材制造是指采用單步操作(打印)完成零件或?qū)嵨镏圃斓脑霾闹圃旃に?，可以得到預(yù)期基本幾何尺寸和基本性能[6]。這里的“步”應(yīng)該理解為道或次。單步，即為單道或單次，例如采用單一打印工藝將單一材料一步打印獲得預(yù)期零件或?qū)嵨铩?/p>

(2) 多步增材制造

多步增材制造是指采用兩步或者兩步以上操作(打印)完成零件或?qū)嵨镏圃斓脑霾闹圃旃に?，可以得到預(yù)期基本幾何尺寸和基本性能[6]。例如打印異質(zhì)材料或者功能梯度材料需要的多步打印才能得到預(yù)期零件或?qū)嵨铩?/p>

(3) 復(fù)合增材制造

復(fù)合增材制造是在增材制造單步工藝過程中，同時(shí)或者分步結(jié)合一種或者多種增材制造、等材制造或減材制造，完成零件或?qū)嵨镏圃斓墓に嘯6]。增材制造同傳統(tǒng)制造工藝，例如焊接、鑄造、機(jī)械加工等組合形成新的復(fù)合增材制造工藝。

2 增材制造研究進(jìn)展

自20世紀(jì)90年代起，增材制造技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛研究和關(guān)注，增材制造設(shè)備的開發(fā)日趨完善和多樣化，增材制造成果的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍逐漸擴(kuò)大。金屬高性能增材制造技術(shù)主要包含以激光立體成形技術(shù)為代表的同步送粉(送絲)高能束(激光、電子束、電弧等)熔覆技術(shù)和以選區(qū)激光熔化技術(shù)為代表的粉末成形技術(shù)兩個(gè)技術(shù)方向[16]。應(yīng)用較為廣泛的增材制造技術(shù)包括：電子束熔絲沉積技術(shù)、電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)、激光熔化沉積制造技術(shù)、激光選區(qū)熔化增材成形技術(shù)等[17]。

激光立體成形技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜高性能構(gòu)件的高效率制造(可達(dá)3 kg/h)，力學(xué)性能可以達(dá)到鍛件水平，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)同一構(gòu)件上多材料的復(fù)合和梯度結(jié)構(gòu)制造。選區(qū)激光熔化技術(shù)力學(xué)性能能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)鑄件水平，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性構(gòu)件制造，沉積效率要比激光立體成形技術(shù)低1～2個(gè)數(shù)量級。更重要的是，激光立體成形技術(shù)可同傳統(tǒng)的加工技術(shù)，例如機(jī)械加工或電化學(xué)加工等等材或減材加工技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各種增材與等材及減材加工技術(shù)的優(yōu)勢，形成金屬結(jié)構(gòu)件的整體高性能、高效率、低成本成形和修復(fù)的新加工技術(shù)。

美國是開展增材制造研究和應(yīng)用較早的國家之一，2000年率先實(shí)現(xiàn)飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)件，例如鈦合金支架、吊耳、框、梁等，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件，例如鎳基高溫合金單晶葉片等的增材制造并投入應(yīng)用。2001年，美國Sciaky公司聯(lián)合Lockheed Martin和Boeing公司開展了大型航空鈦合金零件的電子束熔絲沉積技術(shù)研究[18]。2013年，裝有鈦合金垂尾等電子束熔絲沉積技術(shù)制造零件的F35試飛成功。美國Boeing公司在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用增材制造走在世界前列，已在X-45，X-50無人機(jī)，F(xiàn)-18，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用了聚合物增材制造和金屬增材制造技術(shù)。

法國空客公司也于2006年啟動(dòng)了起落架金屬增材制造研發(fā)工作。2014年3月，該公司與西北工業(yè)大學(xué)簽訂了基于大型鈦合金構(gòu)件激光立體成形合作框架協(xié)議，開始系統(tǒng)論證采用LSF技術(shù)制造個(gè)別飛機(jī)零部件。

在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)與沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司、西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司等單位“產(chǎn)學(xué)研”合作，在2005年實(shí)現(xiàn)了激光增材制造鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件在某型號飛機(jī)上裝機(jī)工程應(yīng)用，并在2007年實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)鈦合金大型、主承力構(gòu)件的激光增材制造，并且掌握了裝備、工藝等成套技術(shù)[19]。

2011年，西安交通大學(xué)對鎳基合金激光熔化沉積凝固組織演化規(guī)律進(jìn)行了長期研究并制造出了高表面質(zhì)量和幾何尺寸精度的復(fù)雜空心葉片樣件[20]。2016年，裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用脈沖等離子工藝增材再制造了Inconel718鎳基高溫合金，但是晶粒粗大而不均，晶粒尺寸自底部向頂部逐漸增大，分別為19.2 μm、29.3 μm和34.1 μm，并有MC碳化物彌散分布于晶界。可見采用脈沖等離子工藝增材再制造Inconel718工藝還需進(jìn)一步研究和試驗(yàn)[21]。絲材電弧增材制造技術(shù)適于大尺寸且形狀較復(fù)雜構(gòu)件的低成本、髙效快速成形，是與目前發(fā)展較成熟的激光增材制造方法優(yōu)勢互補(bǔ)的3D增材成形技術(shù)。絲材電弧增材制造技術(shù)處于試驗(yàn)研究階段，還需更深入，系統(tǒng)地從成形物理過程、熔池系統(tǒng)穩(wěn)定性、組織演變規(guī)律和性能優(yōu)化等角度開展研究工作[22-23]。

增材制造同傳統(tǒng)制造工藝，例如焊接、鑄造、機(jī)械加工等組合，發(fā)展成為新的特種加工系統(tǒng)或裝備。2016年，文獻(xiàn)[24]開發(fā)一種電弧增材制造與銑削復(fù)合加工的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)先增材制造再銑削，為提高零件增材制造效率和成形質(zhì)量提供了一種新的途徑。

近年來，增材制造在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究和應(yīng)用成功案例較多。西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院從2012年開始開展3D打印技術(shù)重建脊柱脊髓功能的臨床應(yīng)用研究，目前成功完成臨床試驗(yàn)。2016年，金屬3D打印椎體假體通過醫(yī)療器械注冊認(rèn)證。2017年，廣東省首例3D打印人工椎體植入手術(shù)中使用的3D打印人工椎體。2018年2月，南方醫(yī)院使用3D打印人工椎體/椎間盤一體化植入物成功實(shí)施了植入手術(shù)。2018年8月，陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院成功實(shí)施3D打印人工頸椎椎體植入手術(shù)。與此同時(shí)，醫(yī)療行業(yè)內(nèi)3D打印軟組織研究及應(yīng)用也開始啟動(dòng)，2018年9月，首個(gè)軟組織增材制造實(shí)驗(yàn)室——廣東省軟組織生物制造工程實(shí)驗(yàn)室建成投用[25]。

此外，4D打印也迅速開展。2013年2月，美國麻省理工學(xué)院斯凱拉·蒂比茨(Skylark Tibbits)在TED2013會議上首次公開展示了他與美 國全球 3D 打印技術(shù)引領(lǐng)者 Stratasys 公司合作突破的4D打印技術(shù)成果，用3D打印機(jī)“特殊墨水”打出的“智能材料”與水接觸時(shí)自動(dòng)折疊成字母“MIT”[26]。4D打印技術(shù)是指打印智能材料，智能材料結(jié)構(gòu)在3D打印基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化，即由3D打印技術(shù)制造的智能材料結(jié)構(gòu)，在外界環(huán)境激勵(lì)下可以隨時(shí)間產(chǎn)生形狀結(jié)構(gòu)的變化[2]。4D打印智能材料包括形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、壓電材料、電致活性聚合物、 光驅(qū)動(dòng)型聚合物、水驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等智能材料，結(jié)構(gòu)激勵(lì)方式包括溫度、光、電、壓力、水等條件或方式。2014年，文獻(xiàn)[2]研究了形狀記憶聚合物(SMP) 的3D打印技術(shù)，利用熔融沉積成型(FDM)技術(shù)將SMP材料加熱、熔化、擠出，形成SMP三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，再通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度完成形狀變化，實(shí)現(xiàn)SMP材料4D打印技術(shù)。文獻(xiàn)[27]討論了4D打印未來的軍事應(yīng)用，包括其在制造隱身、自修復(fù)、自毀等材料以及武器、作戰(zhàn)平臺及其零部件，在制作防護(hù)服、偽裝工事、天線和太陽能陣列板等方面的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[28]探討了4D打印或?qū)?dǎo)彈武器裝備制造流程、研制成本、研發(fā)周期以及導(dǎo)彈武器性能優(yōu)化方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。文獻(xiàn)[29]結(jié)合衛(wèi)星有效載荷技術(shù)發(fā)展的需求，對4D打印技術(shù)在衛(wèi)星有效載荷中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，包括空間機(jī)構(gòu)的展開控制、天線幅面的在軌形變控制、空間環(huán)境下的溫度自反饋控制以及在軌自修復(fù)等。文獻(xiàn)[30]探討了4D打印在航空飛行器智能變體結(jié)構(gòu)，新一代熱防護(hù)及新型隱身技術(shù)方面的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)[31]介紹了4D打印形狀記憶聚合物材料研究進(jìn)展，成形方式及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用?？梢?，4D打印技術(shù)研究處于起步階段，還需要在智能材料種類、智能材料結(jié)構(gòu)打印工藝以及結(jié)構(gòu)激勵(lì)方式等方面展開深入研究，方可在材料科學(xué)、制造產(chǎn)業(yè)、航空航天、生物工程及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的突出成果以及創(chuàng)新性技術(shù)，才能夠在醫(yī)療、軍事、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[32-33]。

綜上，增材制造在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)建筑等行業(yè)廣泛深入研究，并且取得一定成果和基礎(chǔ)，伴隨工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來，給增材制造發(fā)展將帶來無比生機(jī)，增材制造逐漸向多元化、高效化、穩(wěn)定化和包容化等方向發(fā)展。

3 結(jié)束語

過去近20多年來，增材制造技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛研究和關(guān)注，并在航空航天、醫(yī)療、教育等行業(yè)工業(yè)化應(yīng)用取得重大突破，但是增材制造技術(shù)在制造材料、制造效率、制造質(zhì)量等方面受到制約，因而今后在這些方面需要突破，是重要研究和發(fā)展趨勢。一是制造材料從單一材料向多元化發(fā)展，增材制造目前僅適應(yīng)于單一材料的增材制造，現(xiàn)在不能滿足多元材料功能特性的工業(yè)需求，因此增材制造多元材料、多功能材料、梯度功能材料、智能材料等是今后增材制造的必然趨勢。二是制造效率從低效率向高效化發(fā)展，同傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，制造效率一直是增材制造致命劣勢，尤其是金屬材料增材制造制造，從每小時(shí)幾十克至數(shù)千克，光固化增材制造效率不足2×106mm3/h。因此，為滿足新工業(yè)時(shí)代發(fā)展需要，不論是金屬材料增材制造還是非金屬增材制造，提高制造效率是重要攻關(guān)內(nèi)容。三是制造產(chǎn)品質(zhì)量從隨機(jī)性向穩(wěn)定化發(fā)展，目前增材制造的材料和工藝尚不穩(wěn)定，制造工件單件化，其內(nèi)在組織和性能呈現(xiàn)隨機(jī)性和偶發(fā)性，增材制造產(chǎn)品質(zhì)量受增材制造工藝、熱力學(xué)、增材制造材料熱物理性能等多因素交互影響，制造缺陷和熱應(yīng)力難于避免和控制。因此，今后增材制造產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量、成型精度逐漸從隨機(jī)性向穩(wěn)定化發(fā)展，并且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從簡單化向復(fù)雜化發(fā)展、從非承載向承載方向發(fā)展。四是制造工藝從單一性向包容化發(fā)展，伴隨工業(yè)時(shí)代4.0以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，單一增材制造不再滿足發(fā)展需求，增材制造向同互聯(lián)網(wǎng)+、定制式的包容方向發(fā)展，以及同傳統(tǒng)加工技術(shù)組合與包容化方向發(fā)展。