增材制造工作原理、技术路线及工艺优缺点有哪些？

金属增材制造处于技术成熟度曲线第四阶段。

增材制造工作原理：又称3D打，是一种快速成型技术，以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分离离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品。因此，3d打印可以简单的理解为多层二维打印，3D打印一般使用特制的材料，基于坐标系，按照三维的图纸，将其一层层喷涂或熔结到三维空间，从而制造出传统工艺难以制造的高复杂度产品。

传统打印的区别：与传统打印机类似，增材制造都是由数据驱动完成打印，且集合了软件、机械和电子等多个学科，但两者在打印材料和原理上有较多区别，例如传统打印主要是二维打印，数据输入主要以图片、文字等为主，而3D打印机输入源主要是以特定的三维模型等为主，因此较传统打印相比需要切片等步骤。目前3D打印技术主要包括金属和非金属两大类，金属类近年来发展较快，因此后面将着重针对金属增材制造进行介绍。

增材制造技术路线：技术路线的不同直接影响到加工的方式和最终成型零部件的尺寸、精度和强度等。目前增材制造的主要技术路线大致可以按照材料及形态、热源、送料方式等进行分类:

材料：目前主流的材料包括金属材料和非金属材料，两者产值比约为4：6。截至2021年，可用于3D打印的材料种类达到了2486种，其中包含988种金属、1222种聚合物以及219种复合材料。材料是根据需求选择的，同时，热源的选择也这制了材料的熔点。由于增材制造率先在航空航天等领域得到应用，近年来金属材料增速较快，2009-2020年全球金属原材料营收年复合增速达37.0%。金属材料中应用较多的包括钢材、铝合金、高温合金和钛合金等，同时有部分材料存在活性较强的问题，比如镁合金，在粉末状态下容易引起粉尘爆炸等风险，虽然可以通过全程气氛保护的方式实现加工，但由于成本过高和风险太大的原因，一直以来都停留在实验室阶段。非金属材料包括聚醚醚酮、陶瓷材料等，还包括细胞组织等；

材料形态：粉末材料是目前最常用的金属材料形态，此外，还有丝材、片材和液体等多种材料形态。增材制造对材料的要求与传统的加工工艺有所不同。以粉末为例，一般用于粉末冶金行业，粉末冶金工艺是将粉末预成型后使用高温高压的条件进行最终定型的工艺，整个过程中粉末发生的物理冶金变化较为缓慢，材料有充分的时间融合反应。而增材制造工艺在热源的作用下的冶金变化是极快的，

热源和粉体材料直接接触，粉体材料没有模具和外部压力的作用。因此对于粉体材料的球形度、空心度以及粉径要求较传统的粉末冶金有所不同；热源：综合考虑气氛、成本、材料熔点以及技术难度等因素，目前大部分企业采用激光作为增材制造的热源，此外，高能电子束、等离子和电弧等也由于各自不同的特点在不同场景下得到应用。电子束和激光的工作原理不同，电子束是高能电子穿过靶材的表面进入一定深度后，通过振动靶材的分子实现将电子的动能转化为热能，而激光的加热方式则是直接使用光子加热靶材表面，激光并未穿透靶材，由于烧结材料的熔点和最终成型零部件的区别，不同的热源会形成不同的结构，在气氛保护上，高能电子束往往要求真空环境，而激光需要惰性气体保护；相比之下，等离子和电弧等热源主要依靠焊接热源将原材料融化，按照成形路径层层堆叠形成金属件，因此无需气氛保护。此外，还有部分热源是使用基板/基材加热的，目前国内使用的较少；

由于增材制造的加工过程具有由二维到三维的堆叠特征，因此具有较为鲜明的优缺点：优点：(1)可快速加工成型结构复杂的零部件。3D打印是将三维切片以得到二维的轮廓信息，通过叠层的方式实现零部件成型。因此这种方式不受零部件形状和内部复杂度的影响，尤其是制造一些结构复杂、使用传统工艺较难或者成本较高的产品时，具有突出优势。同时，定制化的特点使得3D打印可以根据消费者需求自由定制形状，真正实现按需生产；

(2）缩短产品研发周期。使用增材制造技术制造零部件直接由模型驱动，无需模具、夹具等辅助工具，凭借增材制造快速成型快速迭代的特点，可以有效的加快新产品的研发周期，节约昂贵的模具费用，提高产品迭代速度；

(3）材料利用率高。传统加工工艺会产生大量废料，存在相当的余料价值损耗，增材制造技术根据二维轮廓添加材料，按需制造，加工材料可回收二次利用，因此材料利用率显著高于传统加工模式。尤其是对于较为昂贵的金属材料如钛合金、高温合金等，可节约大量成本；

（4）实现一体化、轻量化设计。3D打印的应用可以在保证零部件性能的前提下，通过拓扑优化、结构设计等方法将复杂结构经过变换重新设计成简单结构，从而减轻重量，同时3D打印一体成型的加工方式也较大的节省了铆接和焊接的部位，从而进一步提升产品的可靠性；

(5）提高供应链柔性。3D打印省去了雇佣较多产业工人、使用大型产线的建设点火试车环节，根据需求及时调整产能，具有“去模具、减废料、降库存”等优点，缩短产业链、提高供应链可靠性以及减少库存风险方面具有较大优势，在供应链安全受到挑战以及需求不确定的当下具有现实意义。

缺点：金属增材制造技术在加工材料、加工精度、表面粗糙度、加工效率上较精密加工仍有较大差距，而小批量的情况下实现了力学性能上，金属增材制造技术已经满足铸造的水平，部分零部件经过热处理后接近锻造水平，因此目前增材制造技术主要的竞争技术是小批量的精密铸造，在部分领域对锻造构成挑战。