基于绿色设计理念的增材制造技术研究（二）

3 国内外增材制造技术发展现状

    增材制造技术诞生于20世纪80年代中期。1986查尔斯·胡尔(Charales W.Hul1)将立体光刻(srereo lithgraphy，SL)技术申请了专利，并创办了3D Systems公司。1988年，3D Systems公司推出了世界上第一台SLA设备，开启了增材制造技术的新纪元。经过近30年的发展，现已开发出几十种不同的成型方法。目前，增材制造已成为制造业的研究热点，国外学者在基本工艺、分层算法、钛合金、镍基高温合金等方面进行了大量研究，使其市场占有率逐年增长。据《Wohlers Report2015》分析，2014年全球增材制造产品及服务的市场收入为41.03亿美元，超过2013年市场规模近10亿美元，年均复合增长率(CAGR)为35.2％ ，达到了18年来增材制造行业增长的最高峰。

    欧美等发达国家非常重视增材制造技术的发展与应用。2006年，美国国防部重点投资了增材制造技术的开发；2009年，美国制定了增材制造技术发展路线图；2010年，欧盟的第六个框架计划开展了大型航空航天组件增材制造的研究，主要集中于钛以及镍和钢的沉积技术；2011年3月英国在诺丁汉大学成立了增材制造技术创新中心；2012年8月，美国组建了“国家增材制造创新研究院”，专门研发增材制造技术；2013年1月欧空局(ESA)启动一项增材制造技术研究计划；2014年11月美国制造技术协会(AMT)和德国机床制造商协会(VDW)联合设立了国际增材制造奖(International Additive Manufacturing Award，IAMA)，并于2015年奥兰多的制造业增长(MFG)会议上，将第一个IAMA颁给了HMT公司研发的AMBIT多任务系统。此外，法国、日本、澳大利亚等国家也加大了增材制造技术研发经费的投入，制定了一系列的发展路线图，并相继成立了基于企业、科研机构及高等院校合作的研究中心和技术联盟，有力地促进了该技术在各领域的应用。

    我国于上世纪90年代初期就展开了增材制造的技术研究与设备研发，建立了清华大学激光快速成型中心、西安交通大学先进制造技术研究所、华中科技大学快速制造中心等科研机构，并在增材制造技术的成型设备、工艺原理、数据处理软件、分层算法、扫描路径以及加工材料等方面取得了显著成果。其中，清华大学研制出了多功能快速造型系统(M-RPMS-II)、基于FDM 的熔融挤出成型系统(MEM-250)和基于LOM法的分层实体制造系统(SSM-500)等，并将该技术引人生命科学领域，提出“生物制造工程”学科概念和框架体系，2001年研制出生物材料快速成型机。西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，开发了光固化成型系统及相应成型材料，并对金属熔敷制造、陶瓷光固化成形、生物组织制造进行了研究，同时用光固化快速成形的方法制作飞机风洞模型，促进了飞机创新设计与开发。华中科技大学研制出以纸为成型材料的HRP系列薄材叠层激光快速成形系统(LOM)和以粉末为成型材料的HRPS系列选择性激光烧结快速成形系统(SLS)，并于2010年研制出了成型空间为1.2 m×1.2 m快速制造装备，这是世界上此类装备的最大工作面。另外，西北工业大学黄卫东团队致力于激光立体成型技术的研究，2001年申请了中国第一批关于激光立体成型的源头创新专利，2012年制造了长度达3 m的C919飞机中央翼缘条，并成功通过了中国商飞公司的测试。北京航空航天大学王华明团队突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用等关键技术，研制了多种飞机钛合金主承力关键结构件、超高强度钢飞机起落架、C919接头窗框等金属零部件。其主持的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”项目获得了2012年度国家技术发明一等奖，使我国成为世界上唯一掌握飞机钛合金大型整体主承力结构件激光增材制造技术并实现装机应用的国家。目前，湖南华曙高、武汉滨湖机电、南京紫金立德、陕西恒通、北京殷华、北京隆源公司、西安铂力特等企业已研制了几十种增材制造设备及相应的成型材料，并成功出口美国、俄罗斯等国家，实现了产业化应用。

    与此同时，2012年10月，中国3D打印技术(增材制造技术)产业联盟成立，这是世界上首个3D打印技术产业联盟，有利于推动我国增材制造技术的产业化、市场化进程，强化与国际间的交流与合作，以促进制造业的呵持续创新发展。同年12月，中国工业与信息化部联合中国工程院制定了我国增材制造技术的技术路线图与中长期发展战略。2013年4月，我国将增材制造产业首次纳入“国家高技术研究发展计划(863计划)”。2014年6月，全球首个增材制造创新中心总部在青岛高新区成立，构建了企业与用户问的交流平台，优化了服务质量及水平，促进了增材制造的技术进步及功能完善。2015年2月，工业和信息化部、发展改革委、财政部联合制定了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》，将该技术提升到国家发展战略层面，为实现增材制造产业跨越式发展打下了坚实的基础。

    现如今，我国的增材制造技术在航空航天、汽车、建筑、生物医疗等领域取得了一定的成果，获得了国际市场的认可。但与发达国家相比，我国的企业规模较小，研发实力较弱；研究机构分散，缺乏标准规范、统一规划；核心器件(激光器、喷头、扫描振镜、精密光学器件等)、部分特种材料和软件等依赖进口；制作精度、速度较低，生产成本较高，难以满足产品制造的需求等。因此，我国应加快增材制造技术研究，不断拓展应用领域，同时提高产品和服务质量，避免国外的绿色壁垒。

4 增材制造技术研究的主要内容

4.1 软件技术

    软件是增材制造技术发展的基础，主要包括三维建模软件、数据处理软件及控制软件等。三维建模软件主要完成产品的数字化设计和仿真，并输出STL文件。其建模的途径主要有两种：一是按已知的产品数据利用CAD软件直接建模；另一种是对现有的实体模型或实物进行扫描和测量，获得产品的离散数据点云，再重构产品的三维模型。目前主流的三维CAD建模软件有美国PTC公司的Creo，德国Siemens PLM Software公司的Solid Edge、NX，法国Dassault System公司的CATIA等。这些软件均采用了参数化设计技术和特征造型技术，支持尺寸驱动设计修改，给设计者带来了方便与灵活，但是比较繁琐。最近Autodesk公司发布了一款新设计软件——Autodesk Within软件，用户只要输入产品重量、最大承压力、模型密度及表面粗糙度等数据，就可直接完成模型的设计，其制造产品的硬度和柔度等性能更优。数据处理软件负责进行STL文件的接口输入、可视化、编辑、诊断检验及修复、插补、分层切片，完成轮廓数据和填充线的优化，生成扫描路径、支撑及加工参数等。控制软件将数控信息输出到步进电动机，控制喷射频率、扫描速度等参数，从而实现产品的快速制造。

4.2 新材料技术

    成型材料是增材制造技术发展的核心之一，它实现了产品“点一线一面一体”的快速制作。目前常使用的材料有金属粉末、光敏树脂、热塑性塑料、高分子聚合物、石膏、纸、生物活性高分子等材料，并实现了工程应用。如2013年7月，NASA选用镍铬合金粉末制造了火箭发动机的喷嘴(仅有2个部件组成)，并顺利通过点火试验，喷嘴推力达到创纪录的88905N；2015年7月8日，北京大学人民医院郭卫教授完成骶骨肿瘤切除手术后，在患者骨缺损部位安放了增材制造的金属骶骨假体，使患者躯干与骨盆重获联系。然而，我国基础性(材料的物理、化学及力学性能等)研究不足，缺乏材料特性数据库；高端成型材料(高性能光敏树脂、金属合金、喷墨粘结剂等)大多依赖进口，缺少规模化材料研发公司且没有相应的标准规范，致使现阶段制造的零件主要用于概念设计、实验测试与模具制造，只有少数功能件实现了产业化。

    科学技术日新月异，增材制造单一材料零件的性能已满足不了实际要求，复合材料、功能梯度材料、智能材料、纳米材料等新型材料产品成为了目前研究热点。特别是4D打印技术的出现，实现了智能材料产品的自我组装或调整，彻底颠覆了传统装备制造业的发展理念，开辟了增材制造技术发展的新篇章。