作者：Jody Muelaner

　　增材制造(AM)是数字化制造更广泛趋势的一部分，以实现快速原型制作周期，并更快地将产品投入生产。

　　考虑一下 3D CAD 大规模采用之后、3D打印出现之前的原型流程。工程师使用 3D CAD 设计零件，然后将细节导出为二维图纸。然后，机器操作员阅读后者，对 CNC(计算机数控)机器进行编程以生产零件。如今，数字制造将 3D 零件模型直接发送到机器(无论是 CNC 机床还是 3D打印机)进行生产。全自动算法驱动这些部件构建的执行。这种功能可以大大减少零件设计和零件生产之间的延迟。

　　数字化制造还极大地增加了工程师可用的信息。在某些情况下，通过门户网站提交给原型设计和批量制造服务的设计可以返回即时的可制造性反馈和准确的定价。因此，在原型设计开始之前就可以快速计算多个设计的成本。

　　图 1：所有类型的增材制造机械(包括此处所示的基于 FDM 的机械)均采用步进电机来控制和协调挤出喷嘴(或其他沉积末端执行器)在 3D 空间中的运动。 NEMA 17 步进电机扭矩可达 60 盎司英寸。是常见的。 (图片来源：梦想时光)

　　AM 是这种现代版本的迭代前期设计的核心。 Plus AM 可以生产使用传统机械加工无法实现的零件形状，例如具有内部晶格的中空骨状结构。快速打印热塑性部件(并且成本低廉)的能力可以对早期原型制作产生变革性影响。此类部件可用作实际原型零件或用作固定机加工零件或模制复合零件的工具。最近的发展允许直接打印高性能金属零件，为原型制作、生产生产工具、甚至直接制造用于小批量生产的零件提供了更多可能性。

　　图 2：先进的运动控制可以最大限度地减少 3D 打印机轴电机中电流正弦波的波动，从而实现更安静、更平稳的操作。例如，一些用于驱动两相步进电机的独立 IC使用优化的斩波器例程来驱动电机步进和方向，以最大限度地提高运动性能、电机扭矩和效率。 (图片来源：Trinamic Motion Control GmbH)

　　专有增材制造工艺的名称比比皆是，但所有工艺都属于七个 ISO 标准增材制造类别之一。

　　材料挤出 3D 打印：通过喷嘴或孔口选择性地分配材料。最常见的是，热塑性聚合物是被挤出的材料，该过程通常称为丝沉积成型或FDM。几乎所有低成本 3D 打印机甚至许多高档机器都使用 FDM。

　　粉末床熔融或 PBF：来自激光、电子束或等离子弧的热能被聚焦以熔化和熔合粉末床中所含粉末材料的区域。

　　事实上，20 世纪 80 年代开发的第一种粉末床熔融技术被称为选择性激光烧结或SLS。与当今使用的某些技术相比，SLS 无法完全熔化粉末……因此无法生产完全致密的零件。现在，现代粉末床熔合设备完全熔化金属粉末，生产出完全致密的零件，其晶粒结构可与锻造部件相媲美。 SLS 生产的零件的机械性能明显优于铸造零件。

　　缸光聚合：缸中的液体光聚合物通过光激活聚合选择性固化。这个过程通常称为立体光刻。

　　图 3：立体光刻 (SLA) 和数字光处理 (DLP) 是用于创建模型、原型、图案和生产零件的增材制造技术。 (图片来源：梦想时光)

　　定向能量沉积或 DED：来自激光、电子束或等离子弧的热能在材料沉积时被聚焦以熔化和熔合材料。可以使用送丝或吹制粉末作为原料。

　　图 4：圆轨直线导轨和外露式同步带传动装置在桌面 3D 打印机以及更复杂的设备上很常见。 (图片来源：梦想时光)

　　粘合剂喷射 (BJ) 和材料喷射 (MJ)：在 BJ 工艺中，选择性沉积液体粘合剂以连接粉末材料。相比之下，在 MJ 工艺中，使用与喷墨打印非常相似的工艺选择性地沉积构建材料的液滴。

　　图 5：这款 3D 打印机具有较重的末端执行器，因此是围绕 SCARA 机器人手臂构建的。 (图片来源：梦想时光)

　　片材层压：将材料片材粘合形成零件。这是最古老的增材工艺，早期的机器通过分层和粘合纸张型材来创建复杂的 3D 零件，类似于胶合板的制造方式。

　　不同增材制造类型设备之间的共性

　　所有的增材制造方法都只是描述了通过分层 2D 轮廓来构建 3D 零件——每一个都位于最后一个之上。在涉及具有显着悬垂或会分离特征的层的构建中，首先沉积支撑结构，然后在构建后移除。

　　虽然基于材料挤出的 FDM 是从业余爱好级 3D 打印机到塑料工业原型制作等各种领域的主要增材制造方法，但两种工艺在生产高强度航空航天级金属部件方面越来越常见。这些都是：

　　适用于小型和成品零件的粉末床熔合 (PBF)

　　适用于通常需要最终加工的大型零件的定向能量沉积 (DED)

　　图 6：用于生产先进金属工件的增材制造设备是采用先进运动组件甚至在某些情况下采用直驱电机的伺服系统。这种构建允许操作员利用基于激光的构建方法的精度。 (图片来源：梦想时光)

　　随着所有类型的增材制造工艺的进步，他们开始采用许多相同的自动化解决方案。例如， Festo提供的各种先进自动化组件(包括带有滚珠丝杠或皮带传动装置的机电线性执行器)可用于从业余爱好级到专业设备以及高度复杂的 SLS 设备的 FDM 机器中。

　　增材制造设计自由度和限制

　　与机械加工等减材工艺相比，增材制造零件的一个显着优势是可以更自由地创建不同的形状。只能在机床可以放置刀具的位置创建加工特征。这通常会限制内角的最小半径，使某些悬垂特征具有挑战性，并且意味着使用单个组件根本不可能实现内部空隙。这些限制通常导致结构由多个螺栓连接在一起的部件组装而成，增加了制造成本和重量，同时降低了强度和可靠性。摆脱了这些限制，使用增材工艺生产的零件通常可以整合许多组件，从而大大降低成本，同时提高性能。

　　生成设计是一种算法通过进行许多小的更改并在类似于进化的过程中模拟不同组件的性能来设计组件的过程。由此产生的形状通常具有远远超出人类设计师所能创造的任何形状的复杂性……并且与自然进化的结构惊人地相似。

　　图 7：通过生成设计创建的结构通常与增材制造相关，尽管它们通常是通过数字制造和五轴 CNC 加工生产的。 NASA 进化结构计划创建了此处所示的组件; NASA 团队采用 CNC 加工，因为加工零件比 AM 变体更适合高性能应用。部分原因是(尽管增材制造取得了进步)加工部件的材料特性变化较小。 (图片来源：NASA)

　　随着组件变得越来越复杂，具有有机的外部形状和内部晶格和通道，数字模型需要更多的数据。渲染、切片、支撑结构生成和机器代码生成等操作都变得更加困难。已建立的镶嵌文件格式(将表面表示为平面三角形的网格)变得越来越麻烦。一种方法是允许网格文件具有 3D 弯曲三角形，以便可以使用较少数量的三角形来近似曲面。

　　表示此类复杂几何图形的一种更有效的方法是使用隐式几何图形，尽管这与大多数 CAD 软件尚不兼容。

　　增材制造允许控制内部几何形状

　　增材制造在创建内部几何形状方面具有无与伦比的能力。这种能力可以实现原本不可能实现的轻质高强度结构，其内部晶格类似于骨骼和植物茎的内部晶格。该功能还允许设计具有内部管道、管道、歧管、冷却通道或热交换器等功能的合并零件。虽然此类部件传统上是由管道和板材加工和制造的，从而导致直径和通道宽度恒定，但通过增材制造可以改变轮廓。可以包括诸如湍流器之类的功能，以增加传热。

　　图 8：此处显示的是 GE 的 Aero LEAP 燃油喷嘴。 (图片来源：GE)

　　考虑一下增材制造航空航天部件多年来如何在飞机上使用。最著名的例子之一是通用电气 Aero LEAP 燃油喷嘴，该喷嘴自 2015 年开始生产。它用一个具有所有必需的复杂内部通道的综合组件取代了 18 个组件。

　　通用电气 Catalyst 涡轮螺旋桨发动机进一步利用了增材制造，将 800 多个传统制造的零件整合为 12 个增材制造零件。该发动机预计将于 2023 年获得认证。

　　激光束粉末床熔合或 PBF-L 是最成熟、最成熟的增材制造金属工艺。该工艺用于生产GE的发动机部件，也可以生产高质量的聚合物部件。由于需要在构建区域上保持一致的气流以及用粉末填充床的成本，构建体积的尺寸限制在 400 mm × 400 mm × 800 mm 左右。金属粉末很重，而且对于一致熔合所需的质量来说也非常昂贵。单个激光器的沉积速率高达 20 cm 3 /小时，而具有多个激光器的系统可达 150 cm 3/小时，用于铝制部件。可以获得适合成品零件的良好表面光洁度。表面质量取决于粉末原料的粒径，粒径小至 5 µm。

　　通过粉末床熔合生产的零件的材料特性在很大程度上取决于熔池的控制，在熔池中粉末材料被熔合到固体零件中。控制熔池本质上与焊接操作相同，基本理解建立在多年的焊接研究和开发的基础上。激光和电子束焊接已经使用了 50 多年，而电弧焊已经使用了 100 多年。这些知识使得生产出的零件具有高度细化的晶粒结构，通常可与最高性能的锻造零件相媲美。然而，过程可变性仍然较高。

　　结论

　　尽管不太常见，但除激光之外的其他能量束也可用于粉末床熔合。电子束粉末床熔合的优点是可以用磁铁控制电子束，而不需要机械控制镜子。这意味着可以实现更高的构建速率，但表面光洁度不如基于激光的工艺那么好。

　　在技术领域的另一端，开源 3D 打印机可以在家里建造，甚至可以打印自己的组件——本质上是自我复制。只需购买一些自动化组件，例如步进电机;构建的所有机械元件都可以制作。