摘要：增材制造技術(shù)的發(fā)展，促使傳統(tǒng)制造領(lǐng)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡?。文章基于金?非金屬增材制造使用材料及其加工產(chǎn)品的機(jī)械性能進(jìn)行了研究。文章首先對(duì)增材制造技術(shù)的原理進(jìn)行了綜述;其次分析了增材制造技術(shù)適用材料及加工產(chǎn)品的機(jī)械性能;再次分析了在增材制造工藝中產(chǎn)品機(jī)械性能變化的主要原因;最后針對(duì)增材制造加工產(chǎn)品性能改進(jìn)的方法進(jìn)行了總結(jié)，從金屬、非金屬兩個(gè)角度總結(jié)了性能改進(jìn)的具體方法。最終結(jié)果表明，可以通過(guò)添加填充材料、材料熔融共混、改變輪廓寬度等方式能夠有效提升非金屬材料進(jìn)行增材制造時(shí)的產(chǎn)品性能;通過(guò)調(diào)節(jié)材料配比、激光融化沉積技術(shù)、添加稀土氧化物、調(diào)節(jié)激光功率和掃描率等方式能夠有效提升金屬材料進(jìn)行增材制造時(shí)的產(chǎn)品性能。

關(guān)鍵詞：增材制造;3D打印;金屬非金屬材料;機(jī)械性能

中圖分類號(hào)：TH16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0051-04

0 引言

增材制造技術(shù)又被稱為3D打印技術(shù)，是一種集成了計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料學(xué)以及數(shù)字模型設(shè)計(jì)加工學(xué)的現(xiàn)代加工制造技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的制造加工模式相比，增材制造技術(shù)是一種自下而上通過(guò)材料累加進(jìn)行產(chǎn)品加工和生產(chǎn)的形式，與以往通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行切削再組裝的加工模式有極大差異。這種差異性能夠幫助制造業(yè)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工和制造。

得益于增材制造技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和從業(yè)人員均已經(jīng)投入了較大的力度用與對(duì)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)。對(duì)于增材制造技術(shù)而言，當(dāng)前存在的問題主要集中在：材料的獲取、材料的機(jī)械性能參數(shù)、加工產(chǎn)品與傳統(tǒng)加工產(chǎn)品之間的性能差異等[2]。因此，本文基于金屬、非金屬材料對(duì)增材制造加工領(lǐng)域的適用材料及產(chǎn)品機(jī)械性能進(jìn)行了分析，在參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)不同材料及產(chǎn)品與傳統(tǒng)加工方法之間的性能差異、產(chǎn)生原因和改進(jìn)方法進(jìn)行了總結(jié)。

1 概述

增材制造技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代。增材制造技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)對(duì)金屬、非金屬等材料進(jìn)行分層疊加方式進(jìn)行制造的產(chǎn)品、建筑生產(chǎn)工藝。增材制造技術(shù)相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品加工技術(shù)，具有仿真性更強(qiáng)、生產(chǎn)制造效率更高、加工升本更低等優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)入21世紀(jì)后逐漸被用于多種產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)和加工過(guò)程中。增材制造技術(shù)主要涉及學(xué)科有計(jì)算機(jī)三維建模、數(shù)控、材料、軟件技術(shù)、VR等，其工藝流程如圖1所示。

隨著增材制造技術(shù)以及相關(guān)輔助技術(shù)、材料工藝的不斷進(jìn)步，增材制造技術(shù)成熟度越來(lái)越高，技術(shù)類型也越來(lái)越多。目前較為常見的技術(shù)有DMLS、EBM、SLM、SLS、LSF、EBF3、FDM、SLA、LOM技術(shù)等[4]。增材制造技術(shù)相關(guān)工藝特點(diǎn)如表1所示。

2 增材制造技術(shù)適用材料及產(chǎn)品機(jī)械性能

2.1 非金屬材料

高分子聚合物是進(jìn)行增材制造過(guò)程中性能極佳的非金屬材料。尤其以塑料為代表的非金屬材料在進(jìn)行增材制造時(shí)具有熱塑性低、熱流動(dòng)性能高、冷卻黏結(jié)性較快等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各種類型的增材制造加工工藝中。此外，以塑料為代表的高分子材料由于在一定條件下具有極高的固化性能和復(fù)合型，能夠與陶瓷、玻璃、金屬粉末等進(jìn)行新材料混合，得到性能更加、更適合用于增材制造的復(fù)合材料。

非金屬材料主要適用于FDM（熔融沉積成型）、SLA（光固化立體成型）、LOM（分層實(shí)體制造）及SLS（選擇性激光燒結(jié)）等技術(shù)中。針對(duì)高分子聚合物、陶瓷、智能材料等應(yīng)用與增材制造工藝的相關(guān)研究已有很多。對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械性能進(jìn)行分析，成為增材制造未來(lái)發(fā)展過(guò)程中的研究重點(diǎn)。遲百宏等（2016）利用熔融沉積成型技術(shù)對(duì)高分子聚合物材料進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)了高分子聚合物用于增材制造工藝后的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)高分子聚合物材料在相同機(jī)械零件加工過(guò)程中能夠獲得高于普通注塑加工工藝77.64%的拉伸強(qiáng)度[6]。

本文在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)多種高分子有機(jī)聚合物材料（光敏樹脂試件、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環(huán)己烷二甲醇酯材料、PA材料、PAII材料、ABS-M30）應(yīng)用于增材制造的機(jī)械性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，所得結(jié)果如表2所示。

2.2 金屬材料

利用金屬材料進(jìn)行增材制造，主要運(yùn)用的金屬材料有不銹鋼、鎳合金、鈷鉻合金、鈦合金以及其他部分低熔點(diǎn)金屬等。與傳統(tǒng)的減材加工工藝相比，利用增材制造工藝進(jìn)行加工對(duì)合金性能的要求和需求存在很大的差異。

國(guó)內(nèi)學(xué)者利用EBF3（電子束自由制造）技術(shù)對(duì)金屬材料增材制造性能進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用增材制造技術(shù)對(duì)同一類金屬材料進(jìn)行另加加工，成型后的零件的機(jī)械性能明顯由于傳統(tǒng)加工材料。黃文普等（2016）用電子束熔融技術(shù)制備Ti-6AI-4V試件運(yùn)用于增材制造時(shí)的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，惹我內(nèi)在抗拉強(qiáng)度上可以達(dá)到同等材料進(jìn)行鍛件加工時(shí)的性能。可見，利用金屬材料進(jìn)行增材制造能夠在產(chǎn)品性能上完全滿足產(chǎn)業(yè)需求。本文認(rèn)為，利用激光立體成型技術(shù)對(duì)金屬材料進(jìn)行增材制造，能夠獲得加高的加工效率，且加工成型的零件具有一般減材加工不具備的力學(xué)性能。為改善成型零件的機(jī)械性呢個(gè)，激光立體成型技術(shù)進(jìn)行增材制造可以與傳統(tǒng)減材制造進(jìn)行進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

張瑋航等（2017）應(yīng)用直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行鈦合金牙齒增材制造，對(duì)傳統(tǒng)工藝與該工藝生產(chǎn)的牙齒機(jī)械性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示利用增材制造進(jìn)行加工成型的鈦合金牙齒拉伸強(qiáng)度達(dá)到了182.8+138.6MPa;屈服強(qiáng)度達(dá)到了1368.9+108.6MPa;延伸率達(dá)到了32.6%±1.75%;維氏硬度（HV）為386.87 - 439.38.整體性能優(yōu)異高于一般醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)。AISi10Mg Speedl.0在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行二次優(yōu)化以后，利用增材制造技術(shù)進(jìn)行加工獲得了高達(dá)375MPa的抗拉強(qiáng)度以及235MPa的屈服強(qiáng)度。周隱玉等（2016）利用電子束熔融技術(shù)對(duì)Ti60合金零件進(jìn)行增材制造并分析了其機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)利用增材制造技術(shù)加工成型的Ti60合金零件硬度比傳統(tǒng)鍛造工藝加工零件更高;在室溫和600。C高溫時(shí)，拉伸強(qiáng)度均較傳統(tǒng)鍛造工藝加工零件更高?？梢?，與傳統(tǒng)加工工藝相比，利用增材制造進(jìn)行金屬零件加工能夠獲得機(jī)械性能方面的顯著提升。

3 增材制造產(chǎn)品機(jī)械性能變化原因

不論金屬或非金屬材料，在對(duì)進(jìn)行增材制造時(shí)往往存在一些通病，機(jī)械穩(wěn)定性通常無(wú)法與傳統(tǒng)制造工藝相比。在對(duì)影響增材制造產(chǎn)品機(jī)械性能進(jìn)行研究的過(guò)程中，高士友等（2017）發(fā)現(xiàn)，材料的填充率會(huì)對(duì)增材制造成型零件的強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生正面影響[11].唐通鳴等（2015）在對(duì)增材制造球化現(xiàn)象進(jìn)行分析時(shí)，采用直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)對(duì)316L不銹鋼粉末進(jìn)行處理，最終得出結(jié)論利用金屬材料進(jìn)行增材制造中一旦出現(xiàn)球化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致加工工件表面燒結(jié)層出現(xiàn)空隙，一定程度上影響加工工件的強(qiáng)度[12]。增材制造其他影響機(jī)械加工件穩(wěn)定性的因素還有：冷卻速率、夾雜情況、工藝流程、材料表面球形度、金屬粉末顆粒直徑等。對(duì)于增材制造加工技術(shù)而言，顆粒均勻、尺寸一致的金屬或非金屬粉末是最理想的增材制造材料。

4 增材制造產(chǎn)品機(jī)械性能改進(jìn)方法

4.1 非金屬材料

為進(jìn)一步改進(jìn)非金屬材料增材制造零件的性能，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)相關(guān)材料、制造工藝等進(jìn)行了深入研究，希望獲得更多改進(jìn)增材制造產(chǎn)品機(jī)械性能的方法。有學(xué)者根據(jù)自己研究領(lǐng)域，在ABS塑料添加了填充材料，從而使該材料的力學(xué)性能在共混改性的基礎(chǔ)上的到了提升。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，對(duì)非金屬材料增材制造的機(jī)械性能改進(jìn)方法進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為可以從4個(gè)方面人手進(jìn)行優(yōu)化：①將利用優(yōu)化連續(xù)本體法對(duì)ABS塑料的性能進(jìn)行優(yōu)化，從而從主體材料方面獲得成本更低、熱穩(wěn)定性更好、強(qiáng)度更高的非金屬增材制造材料;②將含有10%氣相生長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)材料與ABS塑料進(jìn)行混合，獲得填充后的增材制造耗材，增強(qiáng)材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量;③通過(guò)與其他材料如部分金屬粉末等進(jìn)行熔融共混，獲得改性后的復(fù)合材料;④通過(guò)對(duì)加工零件的尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使之與非金屬材料增材制造更加匹配的輪廓寬度等數(shù)據(jù)，從而提升零件的機(jī)械性能。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，不同同苯乙烯類嵌段共聚物與ABS塑料進(jìn)行熔融共混，能夠獲得最佳成本、熱穩(wěn)定性以及材料強(qiáng)度;在ABS塑料中加入苯乙烯共聚物，能夠獲得最佳的韌性;增材制造成型件的機(jī)械強(qiáng)度和剛度會(huì)隨非金屬材料填充率的增大而增大;當(dāng)成型件的輪廓寬度設(shè)置為0.4 - 1.2mm范圍內(nèi)時(shí)，成型件的抗拉強(qiáng)度與成型件的輪廓寬度變化趨勢(shì)相同。

4.2 金屬材料

利用金屬材料進(jìn)行增材制造可以主要通過(guò)2個(gè)方面進(jìn)行性能優(yōu)化：①利用非金屬?gòu)?fù)合材料等來(lái)對(duì)金屬增材制造方式進(jìn)行優(yōu)化，如利用nHA材料在激光選區(qū)熔化技術(shù)中含量變化對(duì)材料性能的影響，來(lái)對(duì)增材制造的最終成型件性能進(jìn)行影響，當(dāng)nHA含量為5%時(shí)，采用金屬?gòu)?fù)合材料增材制造加工而成的成型件與純不銹鋼成型件之間并沒有過(guò)多的性能差異，隨著nHA含量的提升，成型件與純不銹鋼在抗拉強(qiáng)度與致密度方面的差距越來(lái)越大，需要在進(jìn)行金屬材料增材制造時(shí)需要設(shè)計(jì)合理的材料配比，以期獲得能夠達(dá)到最佳抗拉強(qiáng)度和致密度的成型件;②通過(guò)對(duì)增材制造加工過(guò)程中激光功率和掃描速率進(jìn)行調(diào)整，能夠有效避免增材制造過(guò)程中出現(xiàn)材料的球化以及翹曲，從而整體提升金屬或金屬?gòu)?fù)合材料成型件的機(jī)械性能。

整體而言，想要在增材制造工藝中迅速提升金屬或金屬?gòu)?fù)合材料的整體機(jī)械性能難度極大，普通的成型技術(shù)從力學(xué)角度分析主要會(huì)收到內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)的影響，從而無(wú)法從成型件剛度和強(qiáng)度角度進(jìn)行性能優(yōu)化。因此，想要從根本上對(duì)成型件的機(jī)械性能進(jìn)行優(yōu)化，單純依靠改變材料的內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，必須從增材制造技術(shù)根本工藝人手進(jìn)行改良。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章基于金屬、非金屬增材制造材料及產(chǎn)品機(jī)械性能進(jìn)行了研究，增材制造技術(shù)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)，將專用的加工材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，最終制造出預(yù)期實(shí)體產(chǎn)品。本文所得結(jié)論能夠?yàn)槲覈?guó)增材制造領(lǐng)域的發(fā)展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

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作者簡(jiǎn)介：張宏達(dá)（1981-），男，陜西鳳翔人，工程碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、電加工。