南極熊深度解析，等離子制造技術(shù)與增材制造裝備

等離子體是指由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。通常根據(jù)其宏觀溫度的高低將等離子體分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體[1]主要是指其宏觀溫度可達幾萬度甚至更高，其重粒子溫度與電子溫度接近的平衡態(tài)等離子體，常被應用于焊接、切割、增材制造等制造領(lǐng)域。電弧熱等離子體是最常用的熱等離子體形式，是指通過在一個用于產(chǎn)生等離子體的裝置（被稱為等離子體發(fā)生器）的陰陽極施加直流電源，在高能量的作用下將進入等離子體發(fā)生器的工作氣體電離成為電子、粒子、離子等組成的高溫混合氣體，其最高溫度可達30000K以上。

由于熱等離子體具有能量密度高（最高可接近激光）、溫度高（基本可以熔化已知的所有材料）、熱轉(zhuǎn)換效率高（可達70%以上）、熱源設(shè)備成本及維修成本低等突出優(yōu)點，通過近一百年的發(fā)展，已經(jīng)被廣泛的應用于切割、焊接等傳統(tǒng)制造加工中，并取得了相當?shù)难芯窟M展。而在近幾年的發(fā)展中，已經(jīng)有部分科研工作者利用等離子體技術(shù)開發(fā)出了等離子體增材制造設(shè)備。

接下來南極熊首先介紹了等離子體制造技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀；然后介紹了增材制造裝備的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀；接著介紹了增材制造技術(shù)存在的問題并提出了相應的解決方案；最后筆者提出了自己的見解，指出了增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

等離子體制造技術(shù)  
19世紀30年代英國的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現(xiàn)象，這實際上是等離子體實驗研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯采用“物質(zhì)第四態(tài)”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。1928年美國的I.朗繆爾首先引入等離子體這個名詞，等離子體物理學才正式問世。從此開啟了等離子體技術(shù)研究的新紀元，等離子體技術(shù)得到了快速發(fā)展。  

隨著等離子體技術(shù)的不斷發(fā)展，其被廣泛的應用于各個領(lǐng)域，如加工制造、納米材料制備、垃圾處理等眾多領(lǐng)域。等離子體制造屬于等離子體技術(shù)的諸多早期應用之一，是指利用經(jīng)機械壓縮、自磁壓縮、熱壓縮后形成的等離子體的高溫、高能量密度等特性，對零部件進行加工制造，如焊接、切割、增材制造等。1954年，美國Union Carbide公司的Robert Gage發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過壓縮的電弧能量更加集中，電弧溫度和射流速度大幅度提高，這種具有高溫長弧柱特性的拘束態(tài)電弧很快被用于切割有色金屬，隨后進一步的實驗研究證實這種壓縮電弧也可用于焊接，從此開啟了等離子體制造技術(shù)的新紀元。等離子體制造技術(shù)的出現(xiàn)極大的促進了制造業(yè)的發(fā)展，解決了許多困擾業(yè)界的難點。

等離子體焊接制造技術(shù)
等離子體焊接制造是指利用等離子體技術(shù)，通過焊接的方法加工制造成形零部件，如壓力容器的焊接成形、發(fā)動機缸體的焊接成形等，其原理如圖1所示。當前主流的等離子體焊接技術(shù)主要可以分為穿孔性等離子體焊接、等離子體-MIG復合焊接和激光-等離子體符合焊接。

1）穿孔性等離子體焊接
穿孔型等離子弧焊接又稱為穿透等離子弧焊接、小孔焊接。利用等離子弧熔透工件，并在等離子流力作用下，形成穿透工件的小孔，熔池圍繞小孔分布。隨著等離子弧的不斷移動，新的熔融金屬在小孔前端不斷形成，并沿熔池壁向后流動，而小孔也隨電弧移動，因此這些金屬便填充小孔原先的位置，冷凝后便形成焊縫，焊縫斷面呈“倒喇叭”狀。該方法可實現(xiàn)單面焊雙面成形，常用于厚板的打底焊。由于穿孔等離子弧焊接的工藝參數(shù)可調(diào)“窗口”小，因此工藝研究較少，國內(nèi)外研究者的主要精力集中在對等離子弧、熔池的熱場或流場和小孔成型過程的數(shù)值模擬與分析。  國外在數(shù)值模擬上起步較早，如加州大學伯克利分校的Y.F. Hsu等人在1988年便通過對穿孔等離子弧焊接的傳熱與流體流動進行了數(shù)值計算，并建立起二維準穩(wěn)態(tài)有限元數(shù)值模型；1993年，R．G．Keanini等人針對穿孔等離子弧焊接的熱場和流場，首次提出三維準穩(wěn)態(tài)有限元模型；1999年，H.G. Fan等人建立了等離子弧焊接的熱傳導和流體流動二維瞬態(tài)模型。

而在國內(nèi)，2002年，哈爾濱工業(yè)大學的吳林、董紅剛等人針對固定穿孔等離子弧焊接率先建立了等離子弧二維穩(wěn)態(tài)熱傳導模型，對熔池的電流密度和溫度分布模擬，并通過迭代法，計算出焊縫溶深和熔寬，其結(jié)果與實驗結(jié)論一致。2006年，山東大學武傳松等人在分析了等離子弧對熔池的“挖掘”作用和厚度方向等離子弧熱流分布后，提出三維瞬態(tài)小孔等離子弧焊接熱場的有限元模型，模擬的熔池形狀和演變規(guī)律與實驗結(jié)果接近，在接近穩(wěn)態(tài)時的端面形狀和達到穩(wěn)態(tài)時間也與實測結(jié)果一致。

2）等離子體-MIG復合焊接  
等離子-MIG復合焊接是將等離子氣體保護鎢極電弧焊和氣體保護熔化極電弧焊結(jié)合起來的一種復合熱源焊接工藝。與傳統(tǒng)MIG焊接工藝相比，其最大優(yōu)勢在于：焊接速度提高兩倍；熱輸入少、HAZ窄、焊接變形與飛濺�。坏入x子的小孔效應明顯，熔深增加。  在國外，1972年，荷蘭PHILIPS公司研究中心的W.G. Essers和A.C. Liefkens等人首次提出了Plasma—MIG焊接方法，并在20世紀80年代開發(fā)出設(shè)備，且在德國工廠中得到應用。1995年由烏克蘭巴頓焊接研究所的工程人員在以色列組建了PlasmaLaser Technologies(PLT公司)，開發(fā)出商品化的Super—MIGD等離子旁軸復合熱源焊接系列產(chǎn)品。在Plasma-MIG焊接工藝方面，日本的T．Ogawa等人通過確定合理的工藝參數(shù)提高了銅-鐵異種接頭性能；1992年， 德國R．Draugelates等人成功將Plasma—MIG焊用于鋁合金水下焊接 ；還有諸如巴西等國的諸多科研工作者也在此方面做了較多的研究。

而在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學的吳林等人建立了雙電源同軸復合焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鋁合金的焊接。沈陽工業(yè)大學的李德元等人通過設(shè)計等離子-MIG同軸復合的槍體和PLC主控單元，成功地將等離子電源和MIG電源結(jié)合，并對槍體流場和溫度場模擬、熔池形狀和溫度場形態(tài)模擬、起弧過程、熔滴過渡、組織成分進行了深入研究。哈爾濱焊接研究所的周大中、孫軍等人提出了單電源Plasma—MIG焊接方法，研究了一種使用一個陡降特性的焊接電源同時為兩個電弧供電的單電源Plasma—MIG焊方法，并研究了該方法的電流分配與調(diào)節(jié)特性、電壓與電位關(guān)系、熔滴過渡與電弧形態(tài)等電弧特性，其實驗結(jié)果表明，這種法簡單易行，有利于實際生產(chǎn)應用。  

3）激光-等離子體復合焊接  
激光-等離子體復合焊接是指利用同樣具有高能量密度的激光和等離子體復合，組成一個優(yōu)勢互補的焊接系統(tǒng)，達到特殊應用場合的焊接需要。  在國外，英國Conventry大學從1992年至今一直使用400W的CO2激光器與50A的等離子體復合，焊接0.6～0.8mm厚的不銹鋼、鈦和鋁合金等材料，結(jié)果表明，與單獨激光焊相比，復合焊接速度提高了1～1.5倍，且能夠熔透高反射的鋁合金材料；烏克蘭KrivtsunIgor模擬了激光-等離子復合焊接熔滴過渡過程、焊接熔池動力學、熔池溫度分布、熔池形貌和穿孔過程，其結(jié)果與實際相符。  在國內(nèi)，北京航空制造工程研究院的陳俐研究了YAG激光-等離子復合焊接時的熱源光譜特征。清華大學的都東、李志寧等人對激光-等離子復合焊接的傳熱和流動特性進行了研究。

等離子體切割制造技術(shù)
等離子切割制造技術(shù)是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化（和蒸發(fā)），并借高速等離子的動量排除熔融金屬以形成切口，從而制造出所需工件的一種制造方法，其原理如圖2所示。通常，等離子體切割制造技術(shù)可以分為：注水空氣等離子切割制造技術(shù)，反極性空氣等離子切割制造技術(shù)，水下等離子切割制造技術(shù)等三類。

1）注水空氣等離子切割制造技術(shù)
注水等離子切割具有以下優(yōu)點：
1）新型注水等離子割炬使得部分蒸發(fā)的水蒸汽形成等離子體，增加了等離子弧的最高溫度，進而增加了等離子體的穿透能力；
2）減少切割金屬邊緣氮化層，可避免焊接時氣孔、裂紋等缺陷的產(chǎn)生；
3）增加切割邊緣的垂直度，減小切口表面粗糙度，提高焊接接頭的強度；
4）與氧乙炔切割相比，切割端面熱影響區(qū)減小2/3，顯微硬度降低1/2；
5）切割構(gòu)件的邊緣變形量減小可直接用于焊接。
目前僅有烏克蘭巴頓所開發(fā)了系列PLAZER—Cut等離子切割裝備。

2）反極性空氣等離子切割制造技術(shù)
反極性空氣等離子切割與普通等離子切割相比，具有以下突出優(yōu)勢：
1）小孔吸收熱量的能力增加1．5倍，焊接效率提高20％～40％；
2）切割厚度增加2～3倍，極限厚度可達200mm；
3）切口寬度降低10％～15％。目前，烏克蘭巴頓所對此作了研究，提高了電極使用壽命。  

3）水下等離子切割制造技術(shù)  
水下等離子切割具有如下優(yōu)點：
1）可以有效降低等離子弧切割時的弧光、噪聲和煙塵的污染；
2）降低工件切割溫度，從而減小變形。
從切割槍中不僅噴出等離子氣，而且在等離子弧周圍噴出高速水流，有助于等離子弧的進一步壓縮。烏克蘭巴頓所開發(fā)的水下等離子切割設(shè)備，可在海水下27mm處切割25mm厚的鋼或有色金屬，若將工件置于空氣中切割，切割厚度可達80mm。德國梅塞爾、美國L—TEC、武漢金嘉數(shù)控等公司也開發(fā)出了相應產(chǎn)品。

等離子體增材制造技術(shù)  
等離子體增材制造技術(shù)是指利用等離子體的高溫、高能量密度特性，將金屬或非金屬材料熔化，通過一層一層的疊加材料而形成零件的制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，它具有以下突出優(yōu)點：容易實現(xiàn)三維數(shù)字化制造，尤其適合難加工材料、復雜結(jié)構(gòu)零件的研制生產(chǎn)；原材料利用率高，符合綠色制造理念；增材制造后的性能及質(zhì)量優(yōu)越，有時可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重；無需借助刀具和模具就可以直接制造出產(chǎn)品，響應速度快。由于等離子體增材制造技術(shù)發(fā)展較晚，國內(nèi)外幾乎同時開始研究，因此差距不大。同時，由于等離子體增材制造技術(shù)還處于發(fā)展初期，僅有如向永華、徐濱士等少數(shù)科研工作者對此作了研究。  

增材制造裝備
增材制造技術(shù)（俗稱 3D 打印），是近年來迅速發(fā)展起來的高端數(shù)字化制造技術(shù)。它是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除－切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”的制造方法，其工作示意圖如圖3所示。

增材制造裝備就是增材制造技術(shù)發(fā)展的載體，是增材制造技術(shù)的硬件支撐，是在利用增材制造技術(shù)進行零部件的制造過程中所使用的設(shè)備的總稱。因此，增材制造裝備的產(chǎn)生必然伴隨著新的增材制造技術(shù)的發(fā)展，而新的增材制造技術(shù)又促進人們探索新的增材制造裝備，二者相互依存。下面將結(jié)合增材制造技術(shù)的發(fā)展對增材制造裝備的發(fā)展進行概略性介紹。

增材制造技術(shù)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的一項新興前沿技術(shù)，被認為是制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。增材制造技術(shù)在發(fā)展初期主要應用于模具加工，以及用于組裝和功能測試的樣件加工等。近十年來，由于不斷取得突破，增材制造技術(shù)逐漸被應用于實際產(chǎn)品的加工。金屬零部件最終產(chǎn)品的增材制造技術(shù)發(fā)展尤其迅速，在結(jié)構(gòu)復雜、材料昂貴的產(chǎn)品生產(chǎn)，以及小批量定制生產(chǎn)方面，成本、效率和質(zhì)量優(yōu)勢突出。因此，增材制造技術(shù)在國防領(lǐng)域得到了各國政府的高度重視，并通過政府資助、企業(yè) R＆D資金等方式投入了大量的研發(fā)經(jīng)費。  

2006年，美國國防部下一代制造技術(shù)計劃(NGMTl)重點投資增材制造技術(shù)，波音、洛馬、通用動力、雷神等軍工企業(yè)參與研究，大力推動鈦合金等高價值材料零部件增材制造技術(shù)的發(fā)展和應用。2010年，歐盟第六個框架計劃開展了”大型航空航天組件快速生產(chǎn)”(Aapolac)項目，旨在提高金屬沉積成形工藝的可行性，重點關(guān)注鈦以及鎳和鋼的沉積技術(shù)。2012年，美國國防高級研究計劃局(DARPA)的資助成立了“創(chuàng)新金屬加工．直接數(shù)字化沉積(CIMP．3D)”研究中心，旨在研發(fā)先進的增材制造技術(shù)，支持DARPA開放制造計劃，并作為制造演示工廠，推進和部署增材制造技術(shù)在美國國防領(lǐng)域關(guān)鍵金屬系統(tǒng)研制生產(chǎn)中的應用。  

英國政府自 2011 年開始持續(xù)增大對增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費。英國工程與物理科學研究委員會中設(shè)有增材制造研究中心，參與機構(gòu)包括拉夫堡大學、伯明翰大學、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS 公司等 15家知名大學、研究機構(gòu)及企業(yè)。  除了英美外，其它一些發(fā)達國家也積極采取措施，以推動增材制造技術(shù)的發(fā)展。德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應用；法國增材制造協(xié)會致力于增材制造技術(shù)標準的研究；在政府資助下，西班牙啟動了一項發(fā)展增材制造的專項，研究內(nèi)容包括增材制造共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等四方面內(nèi)容；澳大利亞政府于 2012年2 月宣布支持一項航空航天領(lǐng)域革命性的項目“微型發(fā)動機增材制造技術(shù)”，該項目使用增材制造技術(shù)制造航空航天領(lǐng)域微型發(fā)動機零部件，有力促進該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應用。

因此，增材制造技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢得到了全球范圍內(nèi)廣泛關(guān)注，不僅得到了英美等發(fā)達國家的高度重視，投入巨資進行研究，而且歐洲的EADS、羅爾-羅伊斯等為代表的大型航空航天軍工企業(yè)，也采用“產(chǎn)、學、研”的方式進行增材制造技術(shù)的研究應用工作。正是在各國政府的高度重視和科研工作者的不懈努力下，增材制造技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的進展。當然，增材制造裝備隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展也取得了長足的發(fā)展。現(xiàn)有增材制造技術(shù)根據(jù)其使用的增材制造裝備所使用的熱源的不同，主要有激光增材制造技術(shù)，電子束增材制造技術(shù)和等離子體增材制造技術(shù)。  

激光增材制造技術(shù)
激光增材制造技術(shù)是指利用激光作為材料熔化熱源，研制增材制造裝備，利用該裝備進行零配件的增材制造加工。通�？梢苑譃榧す庵苯尤刍�沉積（LMD）增材制造技術(shù)和激光選區(qū)熔化（SLM）增材制造技術(shù)。

1）激光直接熔化沉積（LMD）增材制造技術(shù)
LMD 技術(shù)是采用同步輸送的金屬原料方法，按照CAD 分層生成的圖形文件，逐層沉積出三維金屬零件實體的工藝過程，其工作示意圖如圖4所示。

LMD 的主要特點是同軸送粉、光斑直徑大、激光功率大（數(shù)千瓦級）、粉末完全熔化、成形效率高，成形精度 1～3mm。適用一般用于形狀相對復雜的大型金屬構(gòu)件毛坯的制備，零件在使用前需進行加工，加工余量較大。     

在美國能源部研究計劃支持下，Sandia 及Los Alomos國家實驗室率先發(fā)展出稱為 LENS 及LMD的技術(shù)，研究了不銹鋼、鎳基合金、鈦合金、難熔金屬等材料的組織及性能，并采用該項技術(shù)制造標準-3（SM3 ）導彈三維導向和姿態(tài)控制系統(tǒng)中的錸零件，可降低 50% 的制造成本和制造周期，顯示出該技術(shù)在高性能金屬零件直接成形方面的優(yōu)勢。              

由于該技術(shù)在大型鈦合金結(jié)構(gòu)件直接成形方面的突出優(yōu)勢及其在飛機等裝備研究生產(chǎn)中的廣闊應用前景，高性能鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光快速成形研究一直是該領(lǐng)域的研究重點。美國加利福尼亞先進結(jié)構(gòu)研究院設(shè)計了一種MX3D 機器人用于大型結(jié)構(gòu)件制造，可實現(xiàn)大坡度結(jié)構(gòu)件的制造。AirBus 公司的 A300機型和 A350XWB 機型已經(jīng)開始使用3D打印的零件，有些支架類零件可以減重30%~55 %，節(jié)省大量地原材料。  

激光直接熔化沉積（LMD）增材制造技術(shù)主要有以下特點：
（1）無需模具；
（2）適于難加工金屬材料制備；
（3）精度較高，可實現(xiàn)復雜零件近凈成形；
（4）內(nèi)部組織細小均勻，力學性能優(yōu)異；
（5）可制備梯度材料；
（6）可實現(xiàn)損傷零件的快速修復；
（7）加工柔性高，能夠?qū)崿F(xiàn)多品種、變批量零件制造的快速轉(zhuǎn)換。  

2）激光選區(qū)熔化（SLM）增材制造技術(shù)
激光選區(qū)熔化制造技術(shù)是將零部件 CAD模型分層切片，采用預鋪粉的方式，掃描振鏡帶動激光束在計算機控制下沿圖形軌跡掃描選定區(qū)域的合金粉末層，使其熔化并沉積出與切片厚度一致、形狀為零件某個橫截面的金屬薄層，直到制造出與構(gòu)件 CAD模型一致的金屬零件，工作過程示意圖如圖5所示。     

2003 年底德國推出了世界上第一臺 SLM 設(shè)備。近年來，德國 EOS 、Concept Laser 、SLM Solutions、英國Renishaw 等技術(shù)公司在激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)與設(shè)備方面取得了長足的進步。SLM設(shè)備采用的激光器幾乎都采用高光束質(zhì)量維護性好、光電轉(zhuǎn)化效率高的光纖激光器。 為了進一步提高激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)的沉積效率，2012年11 月，德國SLM-Solutions 公司采用兩臺激光器/ 兩臺掃描振鏡組成激光選區(qū)熔化增材制造成形系統(tǒng)，設(shè)備成形尺寸范圍為500mm×280mm×325mm,兩臺激光掃描裝置可以單獨工作，也可以同時工作，能滿足大型復雜構(gòu)件的應用需求。   在應用方面，美國 GE公司在各大型企業(yè)中率先成立金屬材料激光熔化增材制造研發(fā)團隊，并于2012年收購了 Morris  和RQM兩家專業(yè)從事 SLM制造技術(shù)的公司。GE 公司將在LEAP 噴氣發(fā)動機中采用SLM制造燃油噴嘴。每臺發(fā)動機預計19個燃油噴嘴。GE公司在未來三年內(nèi)預計每年生產(chǎn) 25000 個燃油噴嘴，共計約 10萬個燃油噴嘴。         

美國NASA 馬歇爾航天飛行中心的科學家和工程師們于 2012 年采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造了復雜結(jié)構(gòu)金屬零部件樣件，用于“太空發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭。NASA 認為這項技術(shù)可以極大地降低制造零件所需的時間，在一些情況下甚至將制造時間從數(shù)月降低至數(shù)周，提高了經(jīng)濟可承受性。由于不再需要把零部件焊接到一起，其結(jié)構(gòu)強度得到提高，變得更加可靠，使整體火箭更加安全。NASA 目前暫定在 2017 年第一次“太空發(fā)射系統(tǒng)”飛行試驗中使用由激光選區(qū)熔化技術(shù)制造的零部件。 2013年8 月，NASA 對SLM制造的 J-2X 發(fā)動機噴注器樣件進行了熱試車，結(jié)果表明SLM制造的零件可完全滿足發(fā)動機零件的設(shè)計使用要求。

美國加利福尼亞大學圣迭戈分校太空發(fā)展探索團隊用 3D 打印方法制造火箭發(fā)動機推力室組件。相對于傳統(tǒng)制造方法， 3D 打印技術(shù)為火箭發(fā)動機提供一種全新的制造方法。  

SLM制造激光功率一般在數(shù)百瓦級，主要由以下特點：

（1）精度高（最高可達 0.05mm）、質(zhì)量好，加工余量很小或無加工余量，除精密的配合面之外，制造的產(chǎn)品一般經(jīng)噴砂或拋光等后續(xù)簡單處理就可直接使用,；
（2）適合中、小型復雜結(jié)構(gòu)件（尤其是復雜薄壁型腔結(jié)構(gòu)件）的高精度整體快速制造。  

電子束增材制造技術(shù)  
電子束增材制造技術(shù)是指利用電子束的高溫高能量密度而開發(fā)出的增材制造設(shè)備，將材料熔化而通過增加材料的方法制造成形零部件的制造技術(shù)。通�？梢苑譃殡娮邮�熔絲（EBFF ）增材制造技術(shù)和選區(qū)電子束熔化（EBM）增材制造技術(shù)。  

1）電子束熔絲（EBFF ）增材制造技術(shù)
電子束熔絲增材制造技術(shù)又稱為電子束自由成形制造技術(shù)（Electron Beam Freeform Fabrication，EBFF），是在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規(guī)劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結(jié)合，直至制造出金屬零件或毛坯，其原理見圖6。

由于歐美等發(fā)達國家科研實力相對較好，美國Sciaky 公司已經(jīng)成功開發(fā)了電子束熔絲增材制造設(shè)備。電子束熔絲增材制造的功率可達幾十千瓦級，制造精度約 2～4mm，對提高復雜結(jié)構(gòu)大型工件的生產(chǎn)效率具有重要意義。  

電子束熔絲增材制造具有以下優(yōu)點：
（1）沉積效率高。電子束可以很容易實現(xiàn)數(shù)十kW 大功率輸出，可以在較高功率下達到很高的沉積速率（15kg/h），對于大型金屬結(jié)構(gòu)的成形，電子束熔絲增材制造速度優(yōu)勢十分明顯。  
（2）真空環(huán)境有利于零件的保護。
電子束熔絲增材制造在10-3Pa真空壞境中進行，能有效避免空氣中有害雜質(zhì)（氧、氮、氫等）在高溫狀態(tài)下下混入金屬零件，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工。  
（3）內(nèi)部質(zhì)量好。電子束是“體”熱源，熔池相對較深，能夠消除層間未熔合現(xiàn)象；同時，利用電子束掃描對熔池進行旋轉(zhuǎn)攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。電子束熔絲沉積成形的鈦合金零件，其超聲波探傷內(nèi)部質(zhì)量可以達到AA 級。  
（4）可實現(xiàn)多功能加工。

2）選區(qū)電子束熔化（EBM）增材制造技術(shù)
選區(qū)電子束熔化（EBM）增材制造技術(shù)是指電子束在偏轉(zhuǎn)線圈驅(qū)動下按預先規(guī)劃的路徑掃描，熔化預先鋪放的金屬粉末；完成一個層面的掃描后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反復進行，層層堆積，直到制造出需要的金屬零件，整個加工過程均處于10-2Pa 以上的真空環(huán)境中，能有效避免空氣中有害雜質(zhì)的影響，其原理圖如圖7 所示。   

選區(qū)電子束熔化（EBM）增材制造技術(shù)源于20世紀90 年代初期的瑞典，瑞典Chalmers 工業(yè)大學與Arcam 公司合作開發(fā)了選區(qū)電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）增材制造技術(shù)，并以CAD-to-Metal 申請了專利。2003 年，Arcam公司獨立開發(fā)了EBM 設(shè)備，目前以制造EBM 設(shè)備為主，產(chǎn)品已成系列，兼顧成形技術(shù)開發(fā)。美國、日本、英國、德國、意大利等許多研究機構(gòu)、工廠、大學從該公司購置了EBM 設(shè)備，在航空、航天、醫(yī)療、汽車、藝術(shù)造型等不同領(lǐng)域開展研究，其中，生物醫(yī)學植入物方面的研究較為成熟。

近年來，在航空航天領(lǐng)域的應用也迅速興起，美國波音公司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公司等針對火箭發(fā)動機噴管、承力支座、起落架零件、發(fā)動機葉片等開展了大量研究，有的已批量應用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由于材料對電子束能量的吸收率高且穩(wěn)定，因此，電子束選區(qū)熔化技術(shù)可以加工一些特殊合金材料。選區(qū)電子束熔化增材制造精度在 0.3mm 左右，電子束最大掃描速度可達 7km/s，還可以實現(xiàn)多電子束同時掃描成形制造。  

選區(qū)電子束熔化增材制造技術(shù)主要有以下特點：
（1）真空工作環(huán)境，能避免空氣中雜質(zhì)混入材料。  
（2）電子束掃描控制依靠電磁場，無機械運動，可靠性高，控制靈活，反應速度快。  
（3）成形速度快，可達60cm3/h，是激光選區(qū)熔化的數(shù)倍。  
（4）可利用電子束掃描、束流參數(shù)實時調(diào)節(jié)控制零件表面溫度，減少缺陷與變形。  
（5）良好的控溫性能使其能夠加工TiAl 等金屬間化合物材料。  
（6）尺寸精度可達±0.1mm，表面粗糙度約在R a15~50 之間，基本近凈成形。  
（7）真空環(huán)境下成形，無需消耗保護氣體，僅消耗電能及不多的陰極材料，且未熔化的金屬粉末可循環(huán)使用，因此可降低生產(chǎn)成本。  
（8）可加工鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基合金、鋼等材料。

等離子體增材制造技術(shù)  
等離子體增材制造技術(shù)是指利用等離子體作為加熱熱源而開發(fā)的增材制造裝備而通過增加材料的方法而成形零部件的制造方法。由于等離子體增材制造技術(shù)相比于激光增材制造技術(shù)和電子束增材制造技術(shù)發(fā)展較晚，國內(nèi)外研究工作相對較少，但由于等離子體熱源的突出優(yōu)勢，已經(jīng)得到了廣大科研工作者的關(guān)注，并已經(jīng)取得了一定的科研成果。等離子體增材制造技術(shù)通�？煞譃榈入x子體熔積成形增材制造技術(shù)和等離子體選區(qū)熔化增材制造技術(shù)。  

1）等離子體熔積成形增材制造技術(shù)

等離子熔積成形增材制造技術(shù)是基于快速成形層積原理，采用焊接方法中高度壓縮、集束性好的等離子束熔化同步供給的金屬粉末，在基板上逐層堆積形成金屬原型或零件的技術(shù)，其實質(zhì)是計算機控制下的三維等離子粉末堆焊成形，其原理示意圖如圖8所示。

華中科技大學張海鷗等人早在2002年就開始了對等離子體熔積成形增材制造技術(shù)的研究。該課題組自主研發(fā)了等離子體熔積成形增材制造設(shè)備，并基于該設(shè)備進行了等離子體熔積成形增材制造工藝研究，確定了轉(zhuǎn)弧電流、熔積速度和送粉量之間的相互關(guān)系。大連理工大學徐文驥等人也在同年研究了等離子體熔積成形增材制造在模具中的應用。  

等離子體熔積成形增材制造技術(shù)主要有以下特點：
（1）設(shè)備成本低，運行維護簡單；
（2）對工作環(huán)境要求較低，可適應于一般的工廠環(huán)境；
（3）易于實現(xiàn)自動化。  

2）等離子體選區(qū)熔化增材制造技術(shù)
等離子體選區(qū)熔化增材制造技術(shù)加工原理與激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)和電子束選區(qū)熔化增材制造技術(shù)加工原理基本相似：首先由三維實體造型軟件(CAD)設(shè)計出零件的三維數(shù)字化模型；然后將零件的CAD三維模型沿z向離散成系列二維層面，即對數(shù)字模型進行切片分層(Slicing)，獲得分層文件，得到各層截面的切片二維輪廓，并對二維輪廓進行填充，進行路徑規(guī)劃；接著將分層數(shù)據(jù)傳輸給成形機，利用等離子弧熔化合金粉末，焊槍和送粉系統(tǒng)根據(jù)單層的成形數(shù)據(jù)和材料需要，在計算機系統(tǒng)控制、步進電機驅(qū)動x、y、z軸三維運動下，對成形路徑精確定位，按當前層層面幾何形狀進行掃描熔覆。每完成一層熔覆后，焊槍上升一個位距，如此逐層熔覆最終實現(xiàn)金屬零件的直接精密成形。  

裝甲兵工程學院裝備再制造技術(shù)重點實驗室向永華、徐濱士等人在2010年提出了基于微束等離子熔覆工藝的直接金屬成形方法，設(shè)計并開發(fā)基于等離子熔覆的金屬零件直接制造軟、硬件系統(tǒng)，并采用該系統(tǒng)進行中空零件成形實驗。實驗結(jié)果表明，并采用微束等離子熔覆直接制造系統(tǒng)可以得到成形良好、組織細密的金屬零件。南京航空航天大學張禹等人在2013年基于機器人堆焊增材制造進行研究，探索解決弧坑塌陷的工藝措施，并提出一整套制備表面光潔零件的堆焊成形工藝，最終制得了低碳鋼與鋁合金堆焊成形制品。結(jié)果表明：通過降低熱輸入量，在機器人指令中加入填弧坑動作以及使焊接路徑適當重疊可以很好的解決弧坑塌陷問題；堆焊成形的零件可以用電解加工的方法作為后處理工藝，得到表面光潔的零件。  等離子體選區(qū)熔化增材制造技術(shù)具有和等離子體熔積成形增材制造技術(shù)相同的優(yōu)點，在此不再贅述。  

綜上所述，增材制造技術(shù)是有別于傳統(tǒng)減材制造技術(shù)的一種新型制造技術(shù)，它的出現(xiàn)解決了許多傳統(tǒng)制造技術(shù)難點，尤其是在復雜零件的加工制造方面。而增材制造裝備是增材制造技術(shù)發(fā)展的載體，是支撐其發(fā)展的硬件措施。  

增材制造存在的問題及解決措施  增材制造技術(shù)雖然得到了全球的高度重視，并取得了一定的科研唱過，但仍然是處于成長過程的技術(shù)，還不夠成熟，目前主要用于個性化的單件生產(chǎn)。

增材制造技術(shù)仍然存在以下問題：  
1）增材制造技術(shù)與塑料注射機等成熟的大批量成形技術(shù)相比，生產(chǎn)成本過高。與傳統(tǒng)切削加工技術(shù)相比，產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量相距較大。增材制造技術(shù)目前只能算一絲曙光，真正達到大規(guī)模應用產(chǎn)生效益，還需要很長的時間發(fā)展和積累。  

2）目前的金屬增材制造技術(shù)都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必須經(jīng)過表面的機械加工，去除表面多余的、不連續(xù)的和不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件。  

3）材料的可選擇范圍可能是最大的障礙，目前可以用于增材制造技術(shù)的材料不超過100種，而在工業(yè)中應用的材料可能已經(jīng)超過10000種，且增材制造技術(shù)材料的物理性能尚有待于提高。  

4）增材制造技術(shù)直接成形的金屬零件在制作過程中因為反復經(jīng)受局部接近熔點溫度受熱，內(nèi)部熱應力狀態(tài)復雜，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末和胚體缺陷等，應力處理和控制還不能滿足要求，嚴重影響了成形件的強度。  

5）三維設(shè)計技術(shù)的普及關(guān)系到增材制造技術(shù)能否進入家庭。市場正在呼喚孩子們能夠操作和喜愛的軟件，打印物品要成為新一代計算機游戲，引起孩子的興趣，發(fā)揮兒童的創(chuàng)造性，才能有無限光明的未來。  

為了解決上述問題，現(xiàn)有增材制造技術(shù)必須從以下幾方面加以改善：
1）研究新型增材制造裝備。重點開發(fā)低成本的增材制造裝備，降低增材制造成本。同時，提高新型增材制造裝備的加工精度，使得采用增材制造技術(shù)制造的零部件在不經(jīng)其它加工工序的情況下能達到使用要求。

2）加快增材制造用材料的研究。由于當前適用于增材制造用的材料種類有限，極大的限制了增材制造技術(shù)的發(fā)展，因此必須加快增材制造用材料的研究，尋找新的適合增材制造的材料。  

3）加工增材制造過程的工藝及仿真研究。重點研究增材制造工藝過程，并利用計算機仿真技術(shù)模擬增材制造過程，分析零部件制造過程中的熱、力等影響零部件成形質(zhì)量的因素，提高增材制造零部件性能。  

增材制造發(fā)展趨勢  在各國政府的高度重視和科研工作者的不懈努力下，增材制造技術(shù)主要朝著以下方向發(fā)展：  

1. 向近無缺陷、高精度、新材料成形方向發(fā)展。由于現(xiàn)有增材制造技術(shù)還存在著各種缺陷，如制造精度較低、材料種類受限等，這必將促使科研工作者加大該方面的研究，制造出向近無缺陷、高精度的多材料零部件。

2.向多領(lǐng)域應用發(fā)展。增材制造技術(shù)當前主要集中于航空領(lǐng)域，應用領(lǐng)域較小。而增材制造技術(shù)優(yōu)勢突出，比較向其他領(lǐng)域延伸。如今，增材制造技術(shù)已經(jīng)延伸到了生物醫(yī)藥領(lǐng)域，用于打印人造骨骼等。  

3.向多種熱源復合增材制造方向發(fā)展。當前主要的增材制造設(shè)備基本都是基于某一單一熱源研制而成，而每一種單一熱源都存在其局限性。利用多種熱源復合，可形成優(yōu)勢互補，形成更為完善的增材制造裝備，促進增材制造技術(shù)的進一步發(fā)展。

4.增材制造裝備將會進一步商業(yè)化。從國外的發(fā)展情況來看，對于每一項增材制造技術(shù)，都有一家或數(shù)家成熟的商業(yè)裝備制造商，形成了系列化的增材制造裝備。同時，國外的裝備制造商除了硬件裝備制造外，還進行了大量典型材料成形工藝與材料性能的研究，掌握典型材料成形工藝核心技術(shù)，形成較為完備的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。面對應用需求的日益擴大，增材制造裝備研制將會進一步商業(yè)化。

整理編輯：南極熊
作者：曹修全