从减法到加法的金属层压制造技术——三维智能制造

工业4.0转型中不可或缺的技术制造技术:

今天的制造业正在经历一场巨大的技术革命。工业4.0的目标是提高生产效率，降低成本，实现生产的柔性化和智能化。未来的工厂概念将包括更多地使用主要技术，如多层制造、大数据、系统集成和自动化。作为核心技术之一的多层制造技术，各企业和研发单位都投入了大量资金进行研究。原型和批量生产工具的概念正在逐渐被淘汰，取而代之的是快速打样。设计和制造正在进入高度定制化的数字化制造技术时代。

在工业4.0的九大技术中，层压制造(又称3D打印)被认为是最有可能显著改变制造业的技术。快速打样的使用正在逐渐消除工具的原型，并提供直接的产品实现。这带来了新的商业模式和产品创新能力。随着技术的成熟，一个高度定制化和数字化制造技术的时代正在到来。

金属层压制造是一种增材制造形式，可以制造具有复杂结构的物体而无需使用模具。由于设计自由度高，更容易开发出传统减法工艺或塑性成形工艺无法实现的应用。增材制造可以用来制造复杂的结构对象，特殊的内部特征变化，以及高度定制的产品，这些都是轻量级和节省材料的。

近年来，随着使用层压板制造生产组件和产品的公司和个人数量的增加，创新理念的引入进一步刺激了该行业的增长。层压制造是目前应用最多的技术。然而，由于材料性能的限制，它只适用于打样模型和成型结构，不面临安全考虑。无论是汽车、医疗、食品、航空航天，甚至工业，金属层压制造行业的创新需求已经汇成洪流，正在带动高速、高精度制造的发展。

金属层压制造技术已成为新兴产业发展的重要内容，需求逐年增长。它的应用领域包括上游设计产品、中游设备和材料应用、下游加工制造和后处理。

• 上游-产品设计:在产品设计中，计算机3D程序将对产品进行扫描、逆向工程和构建3D图纸。
• 中游-设备和材料应用:主流的金属层压板制造包括粘合剂喷射(BJ)，粉末床熔融(PBF)和定向能沉积(DED);金属层压板制造中使用的材料包括粘合剂和金属粉末(不锈钢合金粉末、钛合金粉末等)。
• 下游-制造、后处理:金属层合后的零件进行后处理(切割、抛光、表面处理等)，后处理后的表面进行加工，使其达到最终产品所要求的外观和尺寸标准。

目前，传统的制造技术方法包括切割、铸造和塑性成型。由于传统制造工艺的技术限制，涡轮叶片零件等相对复杂的产品难以成形。这些特殊的轻质结构可以使用金属层压生产更快，更方便地制造。

金属堆焊制造技术演变:

自1990年以来，金属层压制造蓬勃发展，各种工艺得到了发展。选择性激光熔化(SLM)是目前市场上应用最广泛的方法。在航空航天或医疗行业，主流工厂已经成功生产出高度专业化的工艺设备。

SLM的特点是能够使用广泛的材料生产具有结构灵活性的成品。多个不规则结构可以使用SLM加工，集成成型，或两者的组合。单件式、大型复合结构可以用SLM制造，这是其他工艺无法制造的。如果得到大力推广，SLM将使行业取得突破，消除传统工艺的瓶颈，并进一步提高该技术的完整性。

金属层压制造主要包括三种成型技术:激光粉末床熔融(LPBF)、粘结剂喷射打印(BJ)和定向能量沉积(DED)。

• 激光粉末床融合技术(LPBF):
  激光粉末床熔化技术是目前金属层压制造中最常用的成形方法。利用激光作为能量源对平面粉末进行扫描和加热。扫描完成后，平台的z轴下降到一定厚度。然后，粉末扩散装置将新粉末扩散到平台上，能量源扫描新层。通过重复上述过程，利用层压制造原理逐渐形成三维物体。加工结束后，除去未被激光扫描的松散粉末，即可获得成品。
• 粘合剂喷射技术(BJ):
  胶粘剂喷射印刷工艺采用两种或两种以上的材料，以粉末为基材，胶粘剂作为粉末与粉末之间的粘合剂。在施工任务中涂抹粉末状材料，然后用喷墨头将粘合剂喷在选定的打印位置上，然后再涂抹一层新的粉末。打印完成。这种技术的印刷品需要经过后处理。去胶的作用是去除初始胚中的黏合剂;烧结是将脱脂棕胚合为一体，冷却后取出，即可得到金属印刷品。
• 定向能沉积技术(DED):
  DED技术主要是利用粉末包层将惰性气体和金属粉末同轴输送，通过激光或其他能量源将粉末沉积在高温熔化区。其特点是不受粉床尺寸的限制，可以制作大尺寸的金属物体或在弯曲的工件上制作细长的结构。它特别适合制造和修理航空航天部件。

金属层压制造的特点:

由于其高度的灵活性和可靠性，金属层压制造已扩展到许多领域。三种主流金属层压板技术各具特色，在许多方面具有不可替代性。

• 形成效率:
  在三种主流金属层压制造技术中，BJ最适合量产。该矩阵式喷嘴可进行大面积图形印刷，并可高速生产多个模塑对象。SLM采用激光共成型技术，大大缩短了成型时间。DED技术制造在缩短加工时间方面尚未显示出显著改善的迹象。
• 机械特性:
  层合件的性能与成品的密度密切相关。BJ需要用粘合剂形成，而不是在过程中直接熔化金属。成品受孔隙影响，难以达到较高的理论密度;而LPBF和DED成品则使用高密度能量熔化金属粉末。沉积成型可达到理论密度的99%以上，强度高。
• 形成大小:
  BJ成形的物品含有粘合剂，需要脱脂和烧结才能获得金属制品。需要完全脱脂和较高的时间成本，使其难以制作较厚的物体。LPBF需要在惰性气体气氛或真空中进行加工，因此成品的尺寸受到成型室尺寸的限制。相比之下，DED打印头可以同时输出粉末和保护气体，没有粉末床机构的限制，因此可以生产大型物体。

金属层压制造应用:

• 缩短制造时间:
  传统的金属加工方法分为切削法、成型法和铸造法。金属切削法是最常用的金属加工方法。主要加工方法有车削、铣削、刨削、磨削、钻削等。通常需要配合特定的专用夹具，在特定的位置进行精密加工。这种方法要求生产的夹具加工流畅。常见的成型方法包括冲压、粉末压制、金属粉末注射成型和压铸。这种方法需要制作复杂的模具才能成型。一般模具生产时间在5 ~ 60天左右，复杂的产品结构甚至需要更长的制造时间才能完成模具制造。
  常见的传统铸造方法有砂型铸造和失蜡铸造。这些铸造方法的特性不足以提供许多物体所需的外观特性。金属层压制造可以消除夹具和模具制造所需的时间，节省大量的生产时间。
• 数量很少的:
  当只需要一个样本对象时，不需要制造模型和模具。由于模型和模具的成本仍然很高，并且需要大量的时间来生产，金属层压板制造可以大大降低这种成本并节省时间。
• 复杂的形状:
  复杂的形状和结构是目前无法用传统的、点阵结构、倒模加工方法制造的。金属层压板制造可以完全克服这些挑战。
• 一体式加工:
  面对日益增长的环境要求，金属层压制造使一体式成型工艺成为可能，可以大大减少传统加工造成的材料缺陷。