增材制造技术：探索材料、工艺与性能的无限可能 - Formnext Asia Shenzhen

增材制造技术，这一传统制造技术的革命性创新，自上世纪90年代问世以来，便在建筑、产品原型、模具制造以及医学等多个领域大放异彩。借助计算机辅助设计的数据模型，该技术通过分层叠加材料的方式，精妙地实现了产品的制造。这不仅推动了传统制作工艺的革新，更彰显了其卓越的应用潜力。然而，增材制造技术的深入探索与广泛运用，仍面临着诸多难题与无限机遇。接下来，我们将深入探讨增材制造的原理与特点。

这一创新技术融合了设计与制造，赋予了产品更高的设计灵活性和更快的生产速度。增材制造技术的突出之处在于其能够轻松应对复杂形状和结构的产品制造，同时优化材料使用，提升生产效率。当前，增材制造已演变为多种成熟的工艺，如金属激光烧结、电子束熔融、激光选区熔化等，每一种技术都有其独特的应用和优势。

金属激光烧结（DMLS）适用于金属材料，如不锈钢、钴铬合金和钛合金。它通过激光束融化金属粉末并逐层叠加，从而创造出机械性能卓越的实体零件。然而，产品的表面质量可能需要后续处理。

电子束熔融（EBM）则是在真空环境中利用电子光束扫描并融化金属粉末，以制造多孔或致密的部件。这种技术材料利用率高，结构强度大，质量轻，特别适合航空航天领域的应用。

选择性激光烧结（SLS）适用于多种材料，如热塑性塑料、金属粉末和陶瓷粉末。它通过激光逐层烧结形成聚合物或金属结合体，具有高度的集成度和短的生产周期。但需要注意的是，产品可能容易变形，因此需要精细的控制。

光固化立体成型（SLA）则以光硬化树脂为材料，通过紫外光逐层扫描固化液态光敏聚合物。这种技术的成型度高，表面质量优良。然而，产品的强度和韧性可能相对较弱。

接下来，我们将深入探讨增材制造技术的更多细节和分类。

增材制造所使用的材料可大致划分为非金属材料与金属材料两类。非金属材料中，高分子聚合物占据主导地位，涵盖塑料、陶瓷及玻璃等，它们流动性出色且固化能力强。金属材料则涵盖钛合金、镍合金钢以及低熔点金属等，凭借其高强度与高硬度特性在增材制造中占有一席之地。

在非金属材料方面，高分子材料在增材制造领域发展尤为迅猛，如聚丙烯、光敏树脂等。借助熔融沉积成型（FDM）或光固化立体成型（SLA）技术，这些材料能被精心制成性能卓越的复合材料。例如，经过固化处理的光敏树脂，其拉伸强度可超越41MPa，远胜于传统注塑件。

当前，非金属材料在增材制造领域已取得了显著的工艺进步，并对产品的各项机械性能进行了深入的数据剖析。具体来说，通过熔融沉积成型技术精雕细琢的聚丙烯材料，其拉伸强度已显著超越了传统的塑料注塑件。同时，经过固化立体成型技术处理的光敏树脂材料，其拉伸强度更能突破41MPa的关口，展现出远超原材料的机械性能，同时兼具出色的柔韧性。这一系列突破不仅为新材料研发开辟了新道路，更大幅提升了产品的整体性能。

增材制造技术为多领域新型材料的研发提供了自由发挥的舞台，能够灵活融合各种材料的独特优势，从而创造出性能更出众的传统材料替代品，从而满足不断变化的应用需求。

具体来说，经过增材制造技术处理的许多材料，其成型零件的机械性能不仅达到了甚至超越了传统制造设备所能达到的水平。例如，18Ni300模具钢在激光选区熔化技术的帮助下，其抗拉伸强度、屈服强度以及硬度都取得了显著的提升，尽管其塑性略有下降。类似地，CoCrMo材料也经过激光选区熔化技术的加工，其拉伸强度、屈服强度以及洛氏硬度均超越了铸件的标准。

科研人员正在积极寻求将激光立体成型技术与传统铸造技术相结合的新途径，以期进一步提升普通铸件的性能。然而，金属材料在增材制造过程中产生的孔隙问题仍然是一个需要解决的挑战，因为它会在一定程度上降低材料的延伸率。

增材制造技术虽然具有诸多优势，但与传统制造相比，其加工产品的机械性能会发生变化，例如稳定性、延展性和韧性可能会降低。这主要是由于增材制造的复杂工艺，包括多次高温冷却过程，以及填充率、球化、冷却速率和激光功率等因素的影响。此外，材料粒径的球形度也是一个关键因素，因为粒径过小可能导致材料过热而影响流动状态，而粒径过大则可能使冶金变化不充分。在加工过程中，通常需要进行多层多道工序，而热处理时的退火和回火过程会改变材料的残余应力，从而影响其微观结构和力学性能。这些因素都可能导致产品的综合力学性能出现多变的情况。

在非金属材料的增材制造领域，科研人员致力于提升产品质量与机械性能，通过不断探索优化不同材料的加工方法。其中，复合技术被证实为一种有效的性能提升手段。例如，在ABS塑料中加入填充材料或气相生长碳纤维后，其拉伸强度和弹性模量得到了显著增强。此外，材料共融技术也备受关注，如苯乙烯类嵌段共聚物与ABS塑料的熔融共混，显著提升了材质强度；而扩列件的应用则有效改善了PLA素材的扩列性和缺口冲击强度。

针对光敏树脂成本高、性能不足的问题，研究者们通过引入引发剂等手段优化其力学性能，并成功开发出新型树脂。这些新型树脂不仅力学性能有所提升，其热性能也得到了相应改进。同时，光敏树脂与引发剂的共混应用也成为研究的热点方向，旨在进一步拓宽其应用领域。

在金属材料的增材制造领域，科研人员同样付出了巨大的努力，并取得了显著的成果。激光选区融化技术中，nHA的含量对成型件的密度和强度有着重要影响，当nHA含量达到5%时，其性能接近纯不锈钢，非常适合制作承重复合材料。而在激光熔化沉积技术中，复合材料的性能在增强相体积分数为9%时达到最优。

此外，稀土氧化物La2O3的添加也对WC-10Co铜基复合材料的性能产生了显著影响。通过控制La2O3的含量，可以制备出高密度、高硬度的成型件。同时，通过调整激光功率和扫描速率，可以有效地防止球化和翘曲现象，从而进一步提升机械性能。

值得注意的是，金属成型件内部的力学特性对其整体性能有着至关重要的影响。因此，科研人员正在探索通过添加复合材质来进一步提升金属材料的综合性能，以满足各种实际应用的需求。

展望未来，随着增材制造技术的不断发展，我们有理由相信，这一技术将在更多领域得到广泛应用。同时，优化工艺参数、提高材料利用率以及降低制造成本将成为未来研究的重要课题。我们期待在不远的将来，增材制造技术能为我们带来更多创新性的产品与解决方案。