什么是增材制造？- 类型和工作

什么是增材制造？

增材制造 (AM)，也称为 3D 打印，是一种变革性的工业生产方法，可以制造更轻、更坚固的零件和系统。顾名思义，增材制造添加材料来创建对象。

增材制造 (AM) 或增材层制造 (ALM) 是 3D 打印的工业生产名称，这是一种计算机控制的过程，通过沉积材料来创建三维物体，通常是分层的。

根据 GE Additive 的说法，这是从模拟流程过渡到数字流程所带来的另一项技术进步。在过去的几年里，通信、成像、几十年、建筑和工程都经历了自己的数字革命。现在 AM 可以为制造业带来数字化灵活性和效率。

增材制造使用 CAD（计算机辅助设计）软件或 3D 对象扫描仪来控制硬件，以便材料以精确的几何形状逐层沉积。顾名思义，增材制造添加材料来创建对象。相比之下，当通过传统方式创建对象时，通常需要通过机械加工、雕刻、铣削、成型或其他方式去除材料。

尽管“3D 打印”和“快速成型”这两个词被随便用来讨论增材制造，但每个工艺实际上都是增材制造的一个子集。

虽然增材制造对许多人来说可能看起来很新鲜，但它实际上已经存在了几十年。在正确的应用中，增材制造提供了改进性能、复杂几何形状和简化制造的完美三重奏。因此，那些积极致力于增材制造的人有很多机会。

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谁发明了 AM？

最早的3D打印生产设备是名古屋市工业研究所的小玉秀夫发明了两种制作3D模型的增材方法。

增材制造的工作原理是什么？

在 CAD（计算机辅助设计）或 3D 对象扫描仪的帮助下，增材制造能够创建具有精确几何形状的对象。这些是逐层构建的，与通常需要机械加工或其他技术去除多余材料的传统制造形成对比。

3D 打印、快速原型制作和增材制造是用于描述相同过程的术语。复杂的结构和组件是通过逐步构建的分层材料创建的。

这项技术已经存在了三十多年，它最近才开始流行起来，不再仅仅是制作 3D 打印原型的一种手段，而是提供了功能齐全的组件。由于 3D 打印行业服务于从重工业到医药等想要利用所提供的精密技术的行业，因此可能性几乎是无限的。

虽然增材制造为科学领域提供了新机遇，但其概念及其工作原理却出奇地简单。

增材制造技术

1。 烧结

在烧结过程中，热量用于产生固体物质而不使其液化。烧结类似于传统的 2D 复印，其中碳粉被选择性地熔化以在纸上创建图像。

2。 直接金属激光烧结 (DMLS)

在 DMLS 中，激光烧结每一层金属粉末，使金属颗粒相互粘附。 DMLS 机器生产具有理想表面特征和所需机械性能的高分辨率物体。使用 SLS，激光烧结热塑性粉末，使颗粒相互粘附。

3。 直接金属激光熔化 (DMLM) 和电子束熔化 (EBM)

相比之下，DMLM 和 EBM 工艺中的材料完全熔化。使用 DMLM，激光完全熔化每一层金属粉末，而 EBM 使用高功率电子束熔化金属粉末。这两种技术都非常适合创建致密、无孔的物体。

4。 立体光刻 (SLA)

立体光刻 (SLA) 使用光聚合来打印陶瓷物体。该工艺使用紫外激光，该激光选择性地烧入由光敏聚合物树脂制成的容器中。紫外光固化树脂生产可承受极端温度的抗扭矩部件。

这个过程需要多长时间？

打印时间包含几个因素，包括零件的大小和用于打印的设置。在确定打印时间时，成品零件的质量也很重要，因为更高质量的物品需要更长的时间来生产。

AM 可以持续几分钟到几小时或几天——速度、分辨率和材料的体积是这里的重要因素。

增材制造材料

可以使用许多不同的材料来创建 3D 打印对象。 AM 技术使用先进的金属合金制造喷气发动机部件，还制造巧克力零食和其他食品。

• 热塑性塑料： 热塑性聚合物仍然是增材制造中最受欢迎的一类材料。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)、聚乳酸 (PLA) 和聚碳酸酯 (PC) 在不同的应用中各有不同的优势。水溶性聚乙烯醇 (PVA) 通常用于制造临时支撑结构，这些支撑结构随后会溶解掉。
• 金属： 许多不同的金属和金属合金用于增材制造，从黄金和白银等贵金属到不锈钢和钛等战略金属。
• 陶瓷： 各种陶瓷也被用于增材制造，包括氧化锆、氧化铝和磷酸三钙。此外，玻璃粉和粘合剂交替烘烤在一起，创造出全新的玻璃产品类别。
• 生化： 保健生化应用包括使用由硅、磷酸钙和锌制成的硬化材料，以在新骨生长发生时支持骨结构。研究人员还在研究使用由干细胞制成的生物墨水来形成从血管到水泡等各种器官。

增材制造工艺的类型

有许多不同的 AM 流程有自己的标准，其中包括：

• 粘合剂喷射
• 定向能量沉积
• 材料挤压
• 粉床融合
• 片材层压
• 还原聚合
• 材料喷射

1.粘合剂喷射

粘合剂喷射工艺使用两种材料；粉末基材料和粘合剂。粘合剂充当粉末层之间的粘合剂。粘合剂通常为液体形式，建筑材料为粉末形式。

打印头沿机器的 x 轴和 y 轴水平移动，并交替沉积建筑材料层和粘合材料层。在每个级别之后，将要打印的对象降低到其构建平台上。

由于绑定方式，材料属性并不总是适合组件，尽管相对打印速度，额外的后处理可以显着延长整个过程。

与其他基于粉末的制造工艺一样，要打印的物体在粉末床中是自支撑的，完成后会从未结合的粉末中移除。

图片来源：https://www.additively.com/en/learn-about/binder-jetting

粘合剂喷射 - 一步一步

• 使用滚筒将粉末材料散布在构建平台上。
• 打印头在需要时将粘合剂粘合剂沉积在粉末顶部。
• 模型的层厚会降低构建平台。
• 另一层粉末覆盖在前一层上。物体是在粉末与液体结合的地方形成的。
• 未结合的粉末保持在物体周围的位置。
• 重复该过程，直到制作完整个对象。

2。定向能量沉积 / 电子束熔炼 (EBM)

定向能量沉积 (DED) 涵盖多个术语：“激光工程网络成形、定向光制造、直接金属沉积、3D 激光涂层”。这是一个更复杂的打印过程，通常用于修复现有组件或为现有组件添加额外材料。

典型的 DED 机器由安装在多轴臂上的喷嘴组成，该臂将熔融材料沉积在其凝固的指定表面上。该过程在原理上类似于材料挤出，但喷嘴可以向多个方向移动，并且不附在特定的轴上。

这种材料可以通过 4 轴和 5 轴机器从任何角度沉积，在沉积过程中用激光或电子束熔化。该方法可用于聚合物和陶瓷，但通常用于粉末或金属丝形式的金属。典型应用包括修理和维护结构部件。

直接能量沉积 - 一步一步

• 带喷嘴的 A4 或 5 轴臂围绕固定物体移动。
• 材料从喷嘴沉积到物体的现有表面上。
• 材料以金属丝或粉末形式提供。
• 材料在沉积时使用激光、电子束或等离子弧熔化。
• 进一步的材料逐层添加，并在现有对象上固化、创建或修复新的材料特征。

3.材料挤压

Fuse Deposition Modeling (FDM) 是一种常见的材料挤压工艺，是 Stratasys 的商标。材料通过喷嘴被拉出，在该喷嘴中被加热，然后逐层沉积。每个新层沉积后，喷嘴可以水平移动，平台垂直上下移动。这是许多低成本家庭和爱好 3D 打印机上常用的技术。

该过程有许多影响最终模型质量的因素，但当这些因素被成功控制时，它具有巨大的潜力和可行性。虽然 FDM 与所有其他 3D 打印工艺相似，因为它是逐层构建的，但它的不同之处在于材料是在恒定压力下通过喷嘴以连续流的形式添加的。

该压力必须保持恒定并保持恒定速度，才能获得准确的结果。材料层可以通过温度控制或使用化学方法进行粘合。如图所示，材料通常以线圈的形式添加到机器中。

图片来源：https://www.additively.com/en/learn-about/fused-deposition-modeling

材料挤压 - 逐步

• 第一层是作为喷嘴将材料沉积到第一个物体切片的横截面区域上而构建的。
• 以下图层添加在先前图层之上。
• 由于材料处于熔化状态，层会在沉积时融合在一起。

4.粉床融合

粉末床熔融工艺包括以下常用的印刷技术：直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化（EBM）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光熔化（SLM）和选择性激光烧结（SLS）。

粉末床融合 (PBF) 工艺使用激光或电子束来熔化粉末材料并将它们融合在一起。电子束熔化 (EBM) 工艺需要真空，但可以与金属和合金一起使用以制造功能部件。在所有的 PBF 工艺中，粉末材料都分布在前面的层上。

有几种机制可以实现这一点，包括滚筒或刀片。床下的漏斗或水库确保新鲜材料的供应。直接金属激光烧结 (DMLS) 与 SLS 相同，但使用的是金属，而不是塑料。

该工艺逐层烧结粉末。选择性热烧结与其他方法的不同之处在于它使用加热的热打印头将粉末材料熔化在一起。和以前一样，在熔合层之间用滚轮添加层。平台会相应地降低模型。

粉床融合 - 一步一步

• 在构建平台上铺有一层通常为 0.1 毫米厚的材料。
• 激光融合模型的第一层或第一个横截面。
• 使用滚筒将新的一层粉末散布在前一层上。
• 融合和添加更多层或横截面。
• 此过程会一直重复，直到创建整个模型。松散、未熔合的粉末保留在原位，但在后处理过程中被移除。

5.片材层压

片材层压工艺包括超声波添加剂 (UAM) 的制造和层压物体 (LOM) 的制造。在超声波添加剂的制造中，使用的是金属片或金属条，它们通过超声波焊接相互连接。

该过程通常在焊接过程中需要额外的 CNC 加工和去除未结合的金属。层压物体制造 (LOM) 使用类似的逐层方法，但使用纸张作为材料和粘合剂而不是焊接。 LOM 流程在打印过程中使用阴影的方法，以便在创建后轻松删除。

层压物体通常用于美学和视觉模型，不适合结构用途。 UAM 使用金属，包括铝、铜、不锈钢和钛。该过程具有低温并能够创建内部几何形状。该工艺可以结合不同的材料，并且由于金属没有熔化，因此需要的能量相对较少。

片材层压 - 逐步

• 材料在切割床上就位。
• 使用粘合剂将材料粘合在前一层上。
• 然后使用激光或刀从层切割所需的形状。
• 添加下一层。
• 第二步和第三步可以颠倒过来，也可以在定位和粘合之前切割材料。

6.还原聚合

在大桶聚合中，使用由液态光敏树脂制成的大桶，模型从该桶中逐层构建。紫外线 (UV) 光用于根据需要固化或硬化树脂，而随着每个新层的固化，平台会向下移动制造的物体。

由于该过程使用液体来形成物体，因此在施工阶段没有材料的结构支撑。与基于粉末的工艺相反，其中支撑由未结合的材料提供。在这种情况下，往往需要添加支撑结构。

树脂使用光聚合工艺或紫外光固化，其中光线使用电动镜引导穿过树脂表面。当树脂与光接触时，它会变硬或变硬。

光聚合 - 一步一步

• 构建平台从树脂槽顶部向下降低层厚。
• 紫外线会逐层固化树脂。平台继续向下移动，并在之前的基础上构建了其他层。
• 有些机器使用在层之间移动的刀片，以便提供光滑的树脂基底来构建下一层。
• 完成后，将大桶中的树脂排干并移除物体。

7.材料喷射

材料喷射以类似于二维喷墨打印机的方式创建对象。使用连续或按需 (DOD) 方法将材料注入构建平台。

将材料喷涂到表面或平台上，在那里固化并逐层构建模型。材料从喷嘴沉积，喷嘴在构建平台上水平移动。机器的复杂性和控制材料沉积的方法不同。然后使用紫外 (UV) 光对材料层进行固化或硬化。

由于材料必须以液滴形式沉积，因此可供使用的材料数量有限。聚合物和蜡因其粘性和形成液滴的能力而成为合适且广泛使用的材料。

材料喷射 - 一步一步

• 打印头位于构建平台上方。
• 使用热或压电方法将材料液滴从打印头沉积到需要的表面上。
• 材料液滴凝固并构成第一层。
• 像以前一样在之前的基础上构建更多的层。
• 允许层冷却和硬化或通过紫外线固化。后处理包括去除支撑材料。

增材制造的优势

• 进入成本持续下降
• 您将节省材料浪费和能源。
• 原型制作成本要低得多。
• 事实证明，小批量生产通常速度更快、成本更低。
• 您不需要那么多现有库存。
• 更容易重新创建和优化旧零件。
• 您可以提高零件的可靠性。
• 您可以将组件合并为单个部分。
• 它独特地支持新的人工智能驱动设计方法
• 它独特地支持 Lattice 结构。

增材制造的应用

航天

AM 擅长制造具有减轻重量、复杂几何设计的零件。因此，它通常是制造轻质、坚固的航空零件的完美解决方案。

2013 年 8 月，NASA 在一次产生 20,000 磅推力的热火测试中成功测试了 SLM 压印火箭喷射器。 2015 年，FAA 批准了第一个用于商用发动机的 3D 打印部件。 CFM 的 LEAP 发动机有 19 个 3D 打印燃料喷嘴。据《航空周刊》报道，2017 年巴黎航展上展出了 FAA 认证的钛丝波音 787 结构件。

汽车

CNN 报道称，迈凯轮车队正在其一级方程式赛车中使用 3D 打印部件。更换尾翼需要大约 10 天而不是 5 周。该团队已经使用增材制造生产了 50 多种不同的零件。

在汽车行业，随着生产零件的出现，AM 的快速原型制作潜力引起了人们的极大兴趣。例如，铝合金用于生产排气管和泵零件，聚合物用于生产保险杠。

医疗保健

在纽约大学医学院，一项针对 300 名患者的临床研究正在评估使用增材制造的患者特异性、多色肾癌模型的有效性。该研究调查了此类模型是否有效地支持外科医生进行术前评估和术中指导。

全球医疗器械制造商 Stryker 正在资助澳大利亚的一个研究项目，利用增材制造技术为骨癌患者制造定制的按需 3D 打印手术植入物。

总的来说，增材制造的医疗保健应用正在增长，尤其是当增材制造医疗设备的安全性和有效性得到证明时。独特的合成器官的生产也很有前景。

产品开发

随着增材制造设计灵活性的潜力得以实现，曾经不可能的设计概念现在正在被成功地重新构想。增材制造释放了设计师的创造潜力，他们现在可以摆脱他们曾经工作的限制。

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常见问题解答。

什么是增材制造？

增材制造 (AM)，也称为 3D 打印，是一种变革性的工业生产方法，可以制造更轻、更坚固的零件和系统。顾名思义，增材制造添加材料来创建对象。

什么是增材制造工艺？

增材制造是一种特定的 3D 打印工艺。该过程通过根据数字 3D 设计数据沉积材料来逐层构建零件。例如，增材制造不是从实心块中铣削工件，而是使用以细粉形式提供的材料逐层构建零件。

增材制造有哪些类型？

增材制造的类型：

1. 粘合剂喷射。
2. 定向能量沉积。
3. 粉床融合。
4. 片材层压。
5. 材料挤压。
6. 材料喷射。
7. 还原光聚合。

增材制造是什么意思？

增材制造是通过一次构建一层来创建对象的过程。它与减材制造相反，减材制造是通过切掉一块固体材料直到最终产品完成来创建一个对象。

哪些产品是由增材制造制成的？

常见应用包括环境控制系统 (ECS) 管道、定制化妆品飞机内部部件、火箭发动机部件、燃烧室衬里、复合材料工具、油箱和燃料箱以及无人机部件。 3D 打印可提供具有高强度的复杂、坚固的零件。

为什么叫增材制造？

这与其他创建或锻造产品的传统形式不同，在这些形式中，材料被从较大的主体上切除或去除以实现最终产品。简单回答“为什么叫增材制造？”这个问题，是因为构建过程增加而不是减少原材料。

增材制造与 3D 打印一样吗？

在 3D 打印和增材制造这两个术语之间，没有区别。 3D 打印和增材制造是同一过程的同义词。这两个术语都引用了通过从 CAD 文件中逐层连接材料来构建零件的过程。

立体光刻是什么意思？

立体光固化成型 (SLA) 是一种增材制造工艺，可根据 CAD 图纸构建实体原型、图案和产品。 SLA 可以构建由 CAD 驱动的激光束枪编织而成的固体塑料原型。

增材制造有什么好处？

增材制造的优势：

• 进入成本继续下降。
• 您将节省材料浪费和能源。
• 原型制作成本要低得多。
• 事实证明，小批量生产通常速度更快、成本更低。
• 您不需要那么多现有库存。
• 更容易重新创建和优化旧零件。

焊接增材制造吗？

焊接在用于制造金属部件的增材制造 (AM) 中的应用是增长最快的研究和开发兴趣之一。采用激光、电子束、弧焊等能源，将原材料熔化并沉积成粉末或线材。

增材制造有什么缺点？

缺点——生产成本高——使用增材制造以外的技术，可以更快地制造零件，因此额外的时间会导致更高的成本。此外，高质量的增材制造机器可能成本很高。

增材制造是谁发明的？

查克赫尔 是 3D Systems 的联合创始人、执行副总裁兼首席技术官。他是 SLA 3D 打印机的发明者之一，这是第一个商业化的快速成型技术和广泛使用的 STL 文件格式。

增材技术用于哪些任务？

• 航空航天。 航空航天业是增材制造的先驱行业，正在为批量生产铺平道路。
• 军事与国防。
• 医疗。
• 工业制造。
• 汽车
• 空格。

增材制造和快速原型制造有什么区别？

快速原型制作意味着快速制作原型。增材制造是指通过逐步添加材料来制造产品的任何制造过程。

创成制造和增材制造有什么区别？

虽然衍生式设计足够复杂，可以与传统方法一起使用，但增材制造为该技术提供了最大的自由度。不难理解为什么。通过衍生式设计创建的零件示例。系统优化了左侧的三轴铣削和铸铝两种设计。

增材制造的历史是什么？

1987 年，3D Systems 的立体光刻 (SL) 首次出现了增材制造，这是一种使用激光固化紫外 (UV) 光敏液体聚合物薄层的工艺。 SLA-1是世界上第一个商用AM系统，是曾经流行的SLA 250机器的前身。

为什么发明了 3D 打印？

1988 年，克伦普萌生了这个想法，当时他正试图通过胶枪分配蜡烛蜡，为女儿制作一只玩具青蛙。 1989 年，Crump 为这项技术申请了专利，并与妻子共同创立了 Stratasys Ltd.，制造和销售用于快速原型制作或商业制造的 3D 打印机。

立体光刻使用哪种液体？

立体光刻（或 SLA）是有史以来最古老的 3D 打印技术之一。这种增材制造工艺用于 3D 打印树脂材料，采用光化学工艺。这种 SLA 3D 打印工艺使用一大桶可固化的液态光敏树脂。

谁发明了 3D 打印机？

Charles Hull 是立体光刻技术的发明者，这是第一个商业快速成型技术，通常称为 3D 打印。最早的应用是在研发实验室和工具室，但如今 3D 打印的应用似乎无穷无尽。

增材制造是未来吗？

2021 年将继续取得进展，大大小小的软件公司都将重点放在软件解决方案上，以满足增材技术的要求。这种演变将推动下一代软件工具的发展，从而推动 AM 走向工业化。

增材制造成本高吗？

根据工艺和部件设计，增材生产的可变成本可能比传统生产高 5 到 50 倍，例如在聚合物和金属的加工中。

什么是增材制造 GE？

GE Additive 现在提供机器、材料和工程设计专业知识，与客户合作，帮助他们将添加剂引入他们的业务。 Concept Laser 和 Arcam 机器已经为航空航天、医疗、牙科和珠宝行业的客户提供支持。

什么是增材焊接？

电弧增材制造是将自动化金属惰性气体 (MIG) 焊接或激光热丝焊接与直接沉积 3D 打印相结合的工艺。

增材制造和减材制造有什么区别？

增材制造工艺通过逐层添加材料来构建对象，而减材制造则通过去除材料来制造零件。

增材制造正在增长吗？

增材制造预计 2020-2026 年全球市场增长。从 2020 年到 2023 年，全球增材制造市场预计将以每年约 17% 的速度增长。尽管目前 3D 打印材料市场以塑料为主，但预计金属材料将刺激市场增长。

增材制造的可持续性如何？

作为一个过程本身，增材制造已经代表了一种更可持续的生产方式。这一点尤其明显，因为 3D 打印实际上从一开始就消除了多余材料的使用，从而消除了不必要的浪费。

增材制造面临的主要挑战是什么？

挑战在于确定由当前制造技术决定的零件和装配设计，并考虑 AM 是否可以提高性能。由于 AM 可以创建传统制造方法无法实现的几何形状，因此设计自由度增加了。

什么是增材制造简单？

增材制造 (AM) 或增材层制造 (ALM) 是 3D 打印的工业生产名称，这是一种计算机控制的过程，通过沉积材料（通常是分层）来创建 3D 对象。

为什么要引入增材制造？

金属增材制造或 3D 打印提供了生产复杂零件的可能性，而不受传统制造路线的设计限制。