机械工程领域中增材制造的创新方法与前景分析.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 21 日 作者简介:钟策翰(1998),男,汉族,黑龙江牡丹江人,本科,助理工程师,研究方向为现代制造技术和装备。-27-机械工程领域中增材制造的创新方法与前景分析 钟策翰 华北电力大学,北京 102208 摘要:摘要:本文探讨了增材制造在机械工程领域的应用及其创新方法,包括 3D 打印、激光熔覆、电子束熔化和立体光固化技术。这些技术不仅革新了传统生产方式,还提供了更高的设计自由度和材料利用率。市场预测显示,增材制造正成为推动多个行业革命的核心力量。未来技术发展将集中在多材料打印、智能制造、生物打印等领域。政策环境,特别是经济激励
2、、标准化和知识产权保护,也将对这一领域产生深远影响。本研究表明,通过不断创新和政策支持,增材制造有望实现更广泛的工业应用和市场扩张。关键词:关键词:增材制造;3D 打印;激光熔覆 中图分类号:中图分类号:TG394 0 引言 增材制造技术正逐渐成为全球制造业的变革力量,它通过逐层建造的方式制造三维物体,打破了传统制造的局限,实现了复杂结构的快速原型制造。当前,随着 3D 打印、激光熔覆、电子束熔化和立体光固化等技术的发展和成熟,增材制造在机械工程等领域的应用日益广泛,它不仅改变了产品设计和制造流程,还大幅提高了材料的利用率和生产效率。同时,市场对这些技术的需求持续增长,预示着一个技术革新和产业
3、升级的新时代。1 增材制造在机械工程中的应用 增材制造作为一种现代制造技术,在机械工程领域中得到了广泛应用,它通过逐层建造的方式,将材料叠加起来,形成所需的三维产品。这一方法颠覆了传统的、基于材料去除或变形的制造工艺,为机械设计与生产提供了全新的思路和方法。在机械工程中,增材制造的应用具有多方面的表现。首先,在原型设计阶段,工程师们能够迅速地从设计图纸转变到实物模型,大大缩短了产品开发周期,同时也便于快速验证和改进设计。这不仅加快了产品上市的速度,还能在早期阶段发现潜在的设计问题,节省了大量的时间和成本。其次,对于那些复杂、难以通过传统方法制造的零件,增材制造展现出了它独有的优势。它能制造出结
4、构复杂、几乎不受限制的设计形状,这些可能包括具有复杂内部结构的零件,或是传统工艺难以制造的轻量化结构。这使得在航空航天、汽车制造甚至生物医学工程等领域中,设计师和工程师能够设计出更加高效、性能更好的零件1。增材制造技术对于小批量生产也具有显著的经济效益。对于传统制造方法来说,定制零件往往需要昂贵的模具和长时间的准备,但是使用增材制造技术,可以直接根据数字模型生产零件,无需额外的工具和模具成本。这对于定制化的高端市场,如汽车赛车队、特殊设备制造等,具有非常大的吸引力。最后,增材制造还促进了材料利用的最大化和环境影响的减少。与传统的切削等去料过程相比,增材制造几乎没有材料浪费,因为只有需要的部分才
5、被逐层构建。同时,这种方法还支持使用可持续性材料,如在生产过程中使用可回收材料或生物基材料。2 增材制造的创新方法 2.1 3D 打印技术 3D 打印技术是增材制造中的一种关键技术,通过逐层打印的方式构建三维物体。这种方法根据数字模型直接创建物体,涉及将材料分层并逐层叠加,直至最终形成完整的产品。3D 打印技术已成为多个行业进行快速原型制作、复杂零件生产和模型构建的首选方法。在 3D 打印过程中,首先需要一个完整的数字化三维模型,这通常通过计算机辅助设计(CAD)软件完成。打印前,三维模型被切分为数百甚至数千个横截面,以指导打印机逐层堆叠。根据所选材料和机器,3D 打印过程中使用的技术和方法也
6、会有所不同。3D 打印技术的一大优势是能够生产出结构复杂、形状多样的零中国科技期刊数据库 工业 A-28-件,这些零件用传统的制造技术是难以或无法生产的。这为设计师和工程师提供了更大的设计自由度,使他们能够探索更为复杂、高效的构造,以及更为优化的几何形状。此外,3D 打印技术还使得定制化生产变得更为容易和成本效益更高。从定制医疗植入物到汽车定制零件,这种技术能够在不增加额外成本的情况下,为个体需求提供专门定制的解决方案。这种快速、灵活的生产方式减少了存储成本,因为零件可以按需打印,而不是大量生产后存储。同时,3D 打印技术对教育和研究领域也有重要意义。它允许学生和研究人员快速创建模型和原型,以
7、验证理论和实验,这大大促进了创新和学习过程2。2.2 激光熔覆技术 激光熔覆技术是增材制造的一种方法,主要利用高能激光束将粉末状材料熔化并覆盖到特定的基体表面,通过逐层堆叠的方式构建复杂的零件或对现有零件进行表面修复。这种技术结合了材料科学、激光技术以及计算机辅助设计和制造(CAD/CAM),在机械工程、航空航天、医疗和能源等多个行业有着广泛的应用。激光熔覆过程中,粉末状材料(可以是金属、合金、陶瓷或其他特种材料)通过专门的输送系统被送至激光束的焦点。在此处,粉末被激光迅速加热至熔点以上,形成熔融的液态材料,随后这些液态材料被准确地沉积在预定位置。通过对激光扫描路径和堆叠序列的控制,复杂的三维
8、形状可以逐层被构建起来。该技术的一大优势是对材料性质的改善和优化。通过激光熔覆,可以在零件表面制备出性能优于基体的覆层,实现硬度、耐磨性、耐腐蚀性或耐高温性的显著提升。这对于延长部件的使用寿命、减少维护成本或提高零件性能表现具有重要意义。此外,激光熔覆技术在零件修复方面也表现出色。对于因磨损、腐蚀或疲劳而损坏的零件,可以通过这种方法进行表面重建或性能恢复,大大延长了零件的使用周期,同时也节约了替换新零件所需的成本和时间。与传统制造技术相比,激光熔覆技术在材料利用率上也具有优势,因为它仅在需要的区域添加材料,减少了材料浪费。同时,通过调整过程参数和使用不同的粉末材料,可以实现对最终零件性能的精确
9、控制。2.3 电子束熔化技术 电子束熔化技术是一种高级增材制造过程,利用高强度的电子束将金属粉末或丝状材料加热至熔化状态,通过逐层堆叠的方式形成固态的三维物体。由于电子束具有极高的能量密度,这项技术特别适合用于那些需要超高温才能熔化的难加工材料,例如钛合金或镍基超合金等。在电子束熔化过程中,首先需要准备精确的三维 CAD 模型,然后这些数据被用来指导电子束熔化机器,确保按照设计要求精确地堆叠每一层材料。在真空或低压环境中,电子枪发射出高速电子束,照射到材料表面,粉末或丝状材料随即被加热熔化,形成单层薄膜。通过重复这个过程,最终零件逐层建立,直到完成整个三维结构。电子束熔化技术具有多种显著的优点
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