增材制造与激光制造重点专项

“增材制造与激光制造”重点专项

2016年度项目申报指南编制专家名单

序号姓名单位职称

1 杨海成中国航天科技集团公司教授

2 姜澜北京理工大学教授

3 黄卫东西北工业大学教授

4 徐国建南京中科煜宸激光技术有限公司教授

5 胡晓阳中国工程物理研究院应用电子学

研究所

研究员

6 杜宝瑞沈阳飞机工业集团有限公司研究员

7 闫大鹏武汉华工激光工程有限责任公司研究员

8 左世全中国电子信息产业发展研究院装

备工业研究所

研究员

9 李涤尘西安交通大学教授

10 周昆浙江大学教授

11 朱晓华中科技大学教授

12 樊仲维中国科学院光电研究院研究员

13 赵吉宾中国科学院沈阳自动化研究所研究员

14 王云宽中国科学院自动化研究所研究员

15 任海萍中国食品药品检定研究研究员

金属材料激光增材制造技术

金属材料激光增材制造技术 孙峰、李广生 金属材料增材制造技术是通过对CAD模型进行离散处理，以金属粉末、颗粒、金属丝材等为原材料，采用高功率激光束熔化/快速凝固逐层堆积生长，直接从零件数模完成高性能零件的近终成形制造。 金属材料增材制造技术，可分为以送粉为技术特征的激光沉积制造（Laser Deposition Melting，LDM）技术和以粉床铺粉为技术特征的选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术。 LDM技术是快速成形技术和激光熔覆技术的有机结合，是以金属粉末为原材料，以高能束的激光作为热源，根据成形零件CAD模型分层切片信息规划的扫描路径，将送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，从而实现整个金属零件的直接制造。 LDM系统主要包括：激光器及光路系统、水冷机及冷却系统、数控机床系统、送粉器及送粉系统、惰性气体保护系统、激光熔化沉积腔及工艺监控系统等。 图1LDM激光沉积制造技术 LDM技术集成了快速成形技术和激光熔覆技术的特点，具有以下优点： （1）无需大型设备与模具，零件近净成形，材料利用率高；工艺流程、制造周期短，制造成本低； （2）零件无宏观偏析，组织细小、致密，力学性能达到锻件水平； （3）成形尺寸不受限制，可实现大尺寸零件的制造； （4）激光束能量密度高，可实现难熔、难加工材料的近净成形； （5）可对失效和受损零件实现快速修复，并可实现定向组织的修复与制造。 主要缺点： （1）制造成本较高；

（2）制造效率较低； （3）制造精度较差，悬臂结构需要添加相应的支撑结构。 SLM技术是以快速原型制造技术为基本原理发展起来的先进激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，实现三维实体金属零件制造。 SLM系统主要由激光器及光路系统、气体净化系统、铺粉系统、控制系统4部分组成。 图2SLM激光选区熔化制造技术 SLM技术具有以下优点： （1）原材料范围广，包括不锈钢、高温合金、钛合金、钴-铬合金及难熔金属等； （2）成形零件精度高，表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求； （3）复杂零件制造工艺简单，周期短，材料利用率高； （4）成形零件的力学性能良好，一般力学性能优于铸件，与锻件相当； （5）适合多孔零件的制造，实现零件的轻量化的需求。 主要缺点： （1）层厚和光斑直径很小，导致成形效率很低；

激光增材制造中的过程监控

2015-03-19 00:21:03 在过去的近两年时间里，增材制造（AM）金属零件的技术在工业领域引发了巨大的风暴。根据业内专家Terry Wohlers（Wohlers Associates公司）的介绍，增材制造行业在2013年整体增长了34.9%，其中金属增材制造子行业增长超过75%。Wohlers评论说：“过去十年，金属增材制造行业的发展超过了塑料25年内走过的路。包括汽车、医疗以及航空航天在内的需求推动着金属增材制造工艺的突飞猛进。GE航空发动机（GE Aviation）公司打算用增材制造技术来生产他们的LEAP引擎的燃油喷嘴，同时欧洲航空防务及航天公司（EADS）也对用于空客飞机的增材制造结构零件做出了评估，综上表明，粉末床金属增材制造技术已经开始被行业接受。 尽管如此，问题仍然存在，例如工艺的可靠性和成品零件的材料性能的重复性。Florian Bechmann博士（德国OEM设备制造商Concept Laser公司的研发总监）在最近一次接受采访时指出：“在金属增材制造设备领域，越来越多的客户对过程监控和连续生产的能力提出期许，例如工业级的复现性。”激光选区熔化（SLM）增材制造工艺的在线实时监控承诺可以满足上述需求，但是这一监控技术目前还处于发展的初期阶段。在这篇文章里，我们将回顾增材制造研究与设备开发中这一热门技术的现状。 技术基础 激光增材制造（LAM）设备有两种类型：粉末床和送粉式。近期业内较多的关注集中在后者身上，本文讨论的也主要是后者。 图1显示了通用的粉末床系统的原理示意图，在该系统的整个工作区中使用刮板来进行平整粉末的步骤，以在构建平台上建立粉末床，整个过程是在可以控制内部环境的成形保护室内进行。激光能量传递到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和融合，使得该区域的金属粉末固化。

增材制造与激光制造重点专项

附件9 “增材制造与激光制造”重点专项 2017年度项目申报指南建议 为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》和《中国制造2025》等提出的任务，国家重点研发计划启动实施“增材制造与激光制造”重点专项。根据本专项实施方案的部署，现提出2017年度项目申报指南建议。 本重点专项总体目标是：突破增材制造与激光制造的基础理论，取得原创性技术成果，超前部署研发下一代技术；攻克增材制造的核心元器件和关键工艺技术，研制相关重点工艺装备；突破激光制造中的关键技术，研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器，研制高端激光制造工艺装备；到2020年，基本形成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面，促进传统制造业转型升级，支撑我国高端制造业发展。 本重点专项按照“围绕产业链，部署创新链”的要求，围绕增材制造与激光制造的基础理论与前沿技术、关键工艺与装备、创新应用与示范部署任务。专项实施周期为5年（2016－2020）。 1．增材制造 1.1面向增材制造的产品创新设计技术（基础前沿类）

研究内容：研究面向金属增材制造的工艺约束建模方法，结合结构功能与承载性能约束，发展复杂整体结构的高性能轻量化拓扑优化方法，实现结构构型、功能组件布局、多材料梯度布局的整体匹配优化设计；制定面向增材制造的整体结构、多材料梯度结构优化设计的标准规范、软件，形成可供工程化应用的增材制造结构优化设计技术体系。 考核指标：建立增材制造工艺约束模型和实现方法、典型零部件结构优化设计方法及其性能评估模型，可处理100万以上变量及2种以上不同类型设计变量的混合优化；整体结构优化设计实现结构件数量减少50%以上、功能和效能提升15%以上；形成相关设计软件平台、设计标准和规范；实现在航空、航天、能源、动力等领域的应用验证。 1.2高效宽幅微滴喷射阵列打印头的研发（重大共性关键技术类） 研究内容：微滴喷射阵列打印头的流体输送特性、微小液滴形成与喷射过程、打印头寿命影响因素，液滴喷射品质的评价方法；微滴喷射阵列打印头流道结构设计、芯片封装过滤系统设计、MEMS制造工艺和CMOS工艺设计优化及集成方法；智能芯片设计及开发，芯片模块集成方法和校准方式；打印头微滴喷射控制技术。 考核指标：模块化设计，微滴喷射阵列打印头喷嘴密度大于1200个/英寸；单位打印头模块≥100mm , 集成打印宽

金属零件激光增材制造技术及其应用

内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 传统零件制备工艺主要是减材制造。从一块原材料开始，通过切割、钻、铣削等机械工艺方式去除部分材料，从而获得一个三维物体形态，这个过程中材料的利用率较低。而增材制造通过极小单位的原材料的叠加产生三维物体形态，虽然后期也可能通过再加工产生废料，但总体来说对材料的浪费是很少的。这在原型制作以及小批量生产上明显优于传统减材技术。 激光增材制造技术是一种基于离散/ 堆积成形思想的新型制造技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等新技术而发展起来的先进产品研究与开发技术。其基本过程是将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片；根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；成形机制造一系列层片并自动通过激光熔敷、烧结、沉积等将它们联接起来，得到三维物理实体。这样将一个物理实体的复杂三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。该技术的主要特点有：高柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；成形过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或只需较少干预，是一种自动化的成形过程；成形全过程的快速响应，适合现代激烈的产品市场。 尤其是金属零件，其主要采用激光增材制造技术，以高功率或高亮度激光为热源，逐层熔化金属粉末，直接制造出任意复杂形状的零件。其主要方法有： 1、激光直接沉积增材制造技 该技术可追溯到20 世纪70 年代末期的激光多层熔覆研究，但直到20世纪90年代，国内外众多研究机构才开始对同轴送粉激光快速成形技术的原理、成形工艺、熔凝组织、零件的几何形状和力学性能等基础性问题开展大量的研究工作。

激光增材制造技术及研究现状

在上个世纪，增材制造( Ad di ti ve M a nu fa ct ur in g，A M) 的 概念得到了显著的发展。依据美国试验材料学会(A me ric a n S o ci et y f or Te sti n g a nd Ma te ri als，A ST M) 的定义: 增材制造技术不同于传统的减法加工过程，是基于材料的增量制造，利用3D数据模型，将材料一层一层连接起来制造物体的过程。由于增材制造技术具有设计和制造一体化、加工精度高、制造周期短，产品物理化学性能优异等特点，美国《时代周刊》将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。 金属材料增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿和难 度的技术，是先进制造技术的重要发展方向。对于金属材料增材制造技术，按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。其中激光增材制造(L ase r A d di ti ve M an uf act u ri ng，LA M) 技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术，也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法。国内外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技术，本文在总结增材制造的发展历史基础上，重点介绍了激光增材制造的原理、激光选区熔化成形技术和直接沉积技术的发展现状，为激光增材制造在国内各个领域的应用提供支持。一、增材制造的发展历史 1983 年，美国科学家查尔斯·胡尔(Ch ar le s Hu ll) 发明光固化成形技术( st ere o l it ho gr ah y App e ar an ce，SL A) 并制造出全球首个增材制造部件。1986 年，查尔斯·胡尔获得了全球第一项增材制造专利，同年成立3D S ys t em s公司。1987 年，3D S y st em s 发布第一台商业化增材制造设备-快速成型机立体光刻机SL A-1，全球进入增材制造时代。1986年，美国的M i ch ae l F e yg in，首次提出了分层实体制造( L a mi na te d Ob je ct M a nu fa ct ur in g，LO M) 技术。1988年，美国S tr at asy s 公司首次提出熔融沉积成型技术( F us ed D epo s it io n M od el in g，F DM) 。1989 年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的De ck ar d 提出激光 选区烧结( Se le ct i ve L as er S in te r i ng，SL S) 。1995年， 德国Fr au-ho fe r 应用研究促进协会IL T 激光技术研究所的 D r.W il-he lm M ein e rs 等在金属粉末选择性烧结基础上提出激光选区熔化成形技术( S el ec ti ve L as e r M el ti ng，S LM) 。1998 年，美国Sa nd ia 国立实验室将选择性激光烧结工艺SL S 和激光溶覆工艺( La ser Cl ad di ng) 相结合提出激光工程化净成型(L a s e r E n g i n e e r e d N e t S h a p i n g，L E N S)。1990年至现在，增材制造技术实现了金属材料的成型，进入了直接增材制造阶段，相距出现了电子束选区熔化(E BSM)、电子束自由成形制造技术( El ec tr on B eam Fr ee- fo rm Fa br i ca ti on，EB F)、等离子增材制造技术(I on Fu s io n Fo r ma ti on，I F F) 电弧增材制造( Wi r e A r c A dd it iv e Ma nuf a ct ur e，WA AM)等一系列制造工艺。2013年，美国麻省理工大学研发了四维打印技术( Fo ur D i- m ens i on al

增材制造试题答案

1.增材制造技术的优点 （1）自由成型制造； （2）制造过程快速； （3）添加式和数字化驱动成型方式； （4）突出的经济效益； （5）广泛的应用领域。 2.增材制造技术国内外发展现状 国外发展现状 1 欧美发达国家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，增材制造 技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注。 2 德国建立了直接制造研究中心，法国增材制造的专项协会致力于增材制造技术标 准的研究。西班牙启动了一项发展增材制造技术的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容。 澳大利亚、日本等国已经开始将其运用到航空领域，制造精密零件。 对于公司而言：以快速成型技术为主的增材制造设备已发展20多年，大量的增材制造装备的知名企业快速发展，其中以3D Systems 公司为代表，发展的SLA、SLS及3DP装备都备受关注。 美国Stratasys公司率先推出FDM装备，推广Dssignjet 3D 和Dssignjet Color 3D 两款产品。 除了以上具有代表性的外，还有LENS装备生产商、SLM装备生产商英国MIT公司等等。 国内： 我国增材制造技术研究已经经历20多年，以华科、西安交大、清华等大学为代表的科研院所开展了多项技术研究，其中涉及航空、汽车、生物、电子等各个行业。 西安交大：从1993年开始发展SLA技术研究，到现在已经有了成套的技术设备 华科：开展LOM技术，以及SLS\SLM技术，并且已经开发出相应的成套设备，且已经投入到市场使用。 清华大学跟西北工大已经研究多系列低成本FDM装备，并投入使用。并已经广泛使用到了航空领域，制造精密的成型技术。经过多年研究，我国增材制造技术得到飞快发展，精度等到极大提高。 3.增材制造技术的发展趋势。 （1）从快速原型与翻模制造向零部件直接制造转变 （2）学科交叉融合，应用领域不断扩大 （3）装备向零部件直接制造和专业化方向发展 （4）增材制造装备从高端型走向普及型 （5）成型材料开发及其系列化、标准化 4.增材制造技术面临的挑战 （1）进度控制技术； （2）高效制造技术； （3）复合材料零件增材制造技术。 5.增材制造技术面临的伦理安全问题。 （1）增材制造技术制造枪支。通过互联网下载枪支设计数据，借助增材成型工艺制造出来； （2）增材成型技术克隆人体器官。

“增材制造与激光制造”重点专项2018年度项目申报指南

国科发资〔2017〕294号附件7 ??????????????? 2018???????? 为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》和《中国制造2025》等提出的任务，国家重点研发计划启动实施了“增材制造与激光制造”重点专项。根据本专项实施方案的部署，现发布2018年度项目申报指南。 本重点专项总体目标是：突破增材制造与激光制造的基础理论，取得原创性技术成果，超前部署研发下一代技术；攻克增材制造的核心元器件和关键工艺技术，研制相关重点工艺装备；突破激光制造中的关键技术，研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器，研制高端激光制造工艺装备；并实现产业化应用示范；到2020年，基本形成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面，促进传统制造业转型升级，支撑我国高端制造业发展。 本重点专项按照“围绕产业链、部署创新链”的要求，围绕增材制造与激光制造的基础理论与前沿技术、关键工艺与装备、创新应用与示范部署任务。专项实施周期为5年（2016－2020年）。 2016年本重点专项在2个技术方向已启动12个研究任务的 — 1 —

25个项目，2017年本重点专项在2个技术方向已启动20个研究任务的23个项目。2018年，在2个技术方向启动30个研究任务，拟支持30-60个项目，拟安排国拨经费总概算为7亿元左右。为充分调动社会资源投入，凡企业牵头的项目须自筹配套经费，配套经费总额与国拨经费总额比例不低于1：1。 项目申报统一按指南二级标题（如1.1）的研究方向进行。除特殊说明外，拟支持项目数均为1-2项。项目实施周期不超过3年。申报的项目必须涵盖该二级标题下指南所列的全部研究内容和考核指标。项目下设课题数原则上不超过5个，每个课题参研单位原则上不超过5个。项目设1名项目负责人，项目中每个课题设1名课题负责人。 指南中“拟支持项目数为1-2项”是指：在同一研究方向下，当出现申报项目评审结果前两位评价相近、技术路线明显不同的情况时，可同时支持这2个项目。2个项目将采取分两个阶段支持的方式。第一阶段完成后将对2个项目执行情况进行评估，根据评估结果确定后续支持方式。 1．增材制造 1.1基于增材制造的智能仿生结构设计技术（基础前沿类） 研究内容：探索形状记忆材料增材制造新原理和新工艺，形成与制造工艺匹配的改性技术和可实现热/光/电/磁等激励响应的专用材料；研究形状记忆材料增材制造结构的智能变形行为，揭—2 —

增材制造6大技术盘点

增材制造6大技术盘点 什么是增材制造 一般通俗地称增材制造为3D打印，而事实上3D打印只是增材制造工艺的一种，它不是准确的技术名称。增材制造指通过离散-堆积使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术。根据它的特点又称增材制造，快速成形，任意成型等。 增材制造的优势 增材制造通过降低模具成本，减少材料，减少装配，减少研发周期等优势来降低企业制造成本，提高生产效益。具体优势如下： 与传统的大规模生产方式相比，小批量定制产品在经济上具有吸引力； 直接从3D CAD模型生产意味着不需要工具和模具，没有转换成本； 以数字文件的形式进行设计方便共享，方便组件和产品的修改和定制； 该工艺的可加性使材料得以节约，同时还能重复利用未在制造过程中使用的废料(如粉末、树脂)(金属粉末的可回收性估计在95-98%之间)； 新颖、复杂的结构，如自由形式的封闭结构和通道，是可以实现的，使得最终部件的孔隙率非常低； 订货减少了库存风险，没有未售出的成品，同时也改善了收入流，因为货物是在生产前支付的； 分销允许本地消费者/客户和生产者之间的直接交互。 增材制造技术盘点 1.光聚合成型技术增材制造 SLA：Stereolithography(立体印刷术)是最早实用化的快速成形技术。具体原理是选择性地用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料(例如液态光敏树脂)表面，使之发生聚合反应，再由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。 2.以烧结和熔化为基本原理

SLS：Selective Laser Sintering，(选择性激光烧结) 工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛。 3.以粉末-粘合剂为基本原理 3DP：三维打印技术(Three Dimensional Printing)和平面打印非常相似，连打印头都是直接用平面打印机的。和SLS类似，这个技术的原料也是粉末状的。与SLS不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来，而是通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

增材制造与激光制造-国家科技管理信息系统公共服务平台

附件9 增材制造与激光制造”重点专项 2017年度项目申报指南建议 为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006- 2020年）》和《中国制造2025》等提出的任务，国家重点研发计划启动实施“增材制造与激光制造”重点专项。根据本专项实施方案的部署，现提出2017年度项目申报指南建议。 本重点专项总体目标是：突破增材制造与激光制造的基础理论，取得原创性技术成果，超前部署研发下一代技术；攻克增材制造的核心元器件和关键工艺技术，研制相关重点工艺装备；突破激光制造中的关键技术，研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器，研制高端激光制造工艺装备；到2020年，基本形成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面，促进传统制造业转型升级，支撑我国高端制造业发展。 本重点专项按照“围绕产业链，部署创新链”的要求，围绕增材制造与激光制造的基础理论与前沿技术、关键工艺与装备、创新应用与示范部署任务。专项实施周期为5年（2016 - 2020）。 1.增材制造 1.1面向增材制造的产品创新设计技术（基础前沿类）

研究内容：研究面向金属增材制造的工艺约束建模方法，结合结构功能与承载性能约束，发展复杂整体结构的高性能轻量化拓扑优化方法，实现结构构型、功能组件布局、多材料梯度布局的整体匹配优化设计；制定面向增材制造的整体结构、多材料梯度结构优化设计的标准规范、软件，形成可供工程化应用的增材制造结构优化设计技术体系。 考核指标：建立增材制造工艺约束模型和实现方法、典型零部件结构优化设计方法及其性能评估模型，可处理100万以上变量及2种以上不同类型设计变量的混合优化；整体结构优化设计实现结构件数量减少50%以上、功能和效能提 升15%以上；形成相关设计软件平台、设计标准和规范；实现在航空、航天、能源、动力等领域的应用验证。 1.2高效宽幅微滴喷射阵列打印头的研发（重大共性关键技术类） 研究内容：微滴喷射阵列打印头的流体输送特性、微小液滴形成与喷射过程、打印头寿命影响因素，液滴喷射品质的评价方法；微滴喷射阵列打印头流道结构设计、芯片封装过滤系统设计、MEMS制造工艺和CMOS工艺设计优化及集成方法；智能芯片设计及开发，芯片模块集成方法和校准方式；打印头微滴喷射控制技术。 考核指标：模块化设计，微滴喷射阵列打印头喷嘴密度大于1200个/英寸；单位打印头模块》100mm ,集成打印宽幅》900mm,

激光增材制造工艺过程的有限元模拟

应用与试验2〇16年第3期（第29卷，总第I43期）?机械研究与应用?d〇i：10.16576/j. cnki. 1007-4414.2016.03.049 激光增材制造工艺过程的有限元模拟* 张昭，葛芄 (大连理工大学运载工程与力学学部工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系，辽宁大连116〇24) 摘要:激光增材制造工艺过程中热应力的大小及变化规律显著影响加工质量和工件的可靠性，为了明确激光增材制造过程中热应力的变化，采用生死单元技术对激光增材制造过程进行模拟，并采用双椭球热源模型模拟激光热源，从而计算激光增材制造过程中温度场分布、热应变及热应力变化过程。计算结果表明，激光增材制造过程中，增材厚 度、增材层数等制造工艺对整体温度场影响较大，增材厚度越大，增材层数越少，激光增材制造峰值温度越低，材料温 度变化幅度越小。在激光增材制造过程中，出现明显拉应力，有可能是导致激光增材制造过程中材料断裂的重要原因。激光增材制造过程中，变化的热应力具有峰值较高，变化速度较快，持续时间较长的特点。 关键词：激光增材制造;数值模拟；温度场；热应变；热应力 中图分类号：V261.8 文献标志码:A 文章编号：1007-4414(2016)03-0136-04 Finite Element Simulation of the Laser Additive Manufacturing Z H A N G Zhao,G E Peng (State Key Laboratory o f Structural Analysis for Industrial Equipment, Department of Engineering Mechanics，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China ) Abstract ：The variations of the thermal stresses in laser additive manufacturing can significantly affect the reliability and qual-ity of the manufactured workpieces. To determine variation of the thermal stresses, the laser additive manufacturing process is simulated by use of active/inactive element method. The double-ellipsoid heat source model is used for the simulation of the laser input heat. The temperature distribution and the thermal strain and stress can be then calculated. Results indicate that the temperature in additive manufacturing can be obviously affected by the additive thicknesses and the additive layers. The maximum temperature and the temperature variations in AM can be decreased with the increase of the additive thicknesses and the decrease of the additive layers. In laser AM, tensile stress can be easily found. It can be one of the main reasons for the possible fracture in laser AM. In the laser additive manufacturing process, the variational thermal stress has very high peak, and it has advantages of change quickly and last a relatively long period. Key w ords：laser additive manufacturing；numerical simulation；temperature field；thermal strain；thermal stress 〇引言 通过激光增材制造（am)对材料进行逐层连接， 实现高参数化、低消耗、高效率的装备制造，逐渐成为 以数字化工业变革为理念的高端工业领域的主要制 造手段。近20年来，国内外诸多学者对激光增材制 造给予了重点关注，如美国Sandia国家实验室、Los Alamos国家实验室、德国Fraunhofei?国家实验室 等[M]。在研究过程中，激光增材制造过程温度场分 布+8]、热应力变化及影响>W]、微观晶粒生长[11]等 问题成为了研究者关注的热点。Roberts等[4]采用生 死单元法模拟了激光增材制造过程的瞬态温度场分 布及其变化规律。MichaleriS[5]则将生死单元法进行 改进，提出了静止单元与生死单元并行的模拟方法，提高了计算的准确性，降低了计算成本。Klingbeil 等[9]对激光增材制造残余应力进行了计算，研究表 明激光增材制造路径等工艺的选择严重影响着制造 构件的残余应力分布。Kadrn等[11]则采用实验的方 法对激光增材制造相变过程进行了讨论。 王华明院士[1]认为制造过程中材料的内部缺陷 形成机理、热应力变化规律等相关问题是制约目前激 光增材制造技术发展的关键性问题。因此，笔者以 A B A Q U S移动热源方法为基础?，采用生死单元技 术对激光增材制造过程进行数值模拟，对激光增材制 造过程温度场变化规律、热应力变化规律进行计算分 析，对比了不同激光增材制造工艺下温度场和应力场 的变化规律。 1理论基础 采用通用有限元软件A B A Q U S进行计算分析， *收稿日期=2016-03-29 基金项目：国家自然科学基金（编号= 11572074);教育部新世纪优秀人才支持计划（编号:NCET-12-0075);国家重点基础研究发展（973)计划（编号:2011CB013401)。 作者简介:张昭（1979-)，男，河北衡水人，教授，博士，博士生导师，研究方向:制造工艺力学。 ? 136 ?

【精品】激光3D打印将中国制造业“逼上梁山”1

激光3D打印将中国制造业“逼上梁山” 虽然对第三次工业革命何时到来，国内各界仍普遍持谨慎态度。然而，3D 打印、人工智能、新材料、新一代信息技术等一系列关键技术的成熟和产业化，都透露出新一轮工业革命并非空穴来风。 传统制造业的国际分工格局,正逐渐被新技术带来的分散化生产以及消费 者多元化的需求打破。特别是2008年金融危机之后,那些走向产业空心化的国家深刻认识到制造业对于国民经济的重要性，遂寄望于新技术将制造业拉回。 如果未来在以3D打印为代表的数字化制造技术上失去话语权，中国制造业将遭遇残酷的打击:传统的制造手段和生产模式将被取代；人力成本低廉等比较优势必然丧失；中国企业踯躅于产业链低端的现实将进一步恶化。 而中国是否能抓住这一轮技术创新的机遇，很大程度上是在逼问中国是否有能力改革现有的创新体系。 颜永年决心最后一搏.74岁的他，在2012年创立了昆山永年先进制造技术有限公司，并出任董事长，为此,他把家从北京搬到了昆山阳澄湖边。 相比创办企业，颜永年在学术上的成就已有定论，正是他在清华大学任教时把3D打印的概念和早期技术引入国内。在颜永年看来,制造科学如果脱离了产业化,含金量就大打折扣，因此退休五年后，他仍打算实现在校任教时未能完成的心愿-—办一家完全市场化的公司，将研究成果产业化,3D打印就是那项昭示未来的研究成果.

3D打印,是增材制造的俗称，其核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合.与传统上对原材料进行切削的减材制造方法正相反，3D打印的过程好比用砖头砌墙，逐层增加材料,最终形成物件. 以3D打印为代表的数字化制造技术，被《经济学人》杂志认为是引发第三次工业革命的关键因素，“其将改写制造业的生产方式,进而改变产业链的运作模式"。 首先,数字化制造技术将大大减少直接从事生产的操作工人，劳动力所占生产成本比例随之下降。此外,数字化制造的个性化、快捷性和低成本能够更快地适应本地市场需求的变化，包括满足小批量产品的生产需求。这些都促使发达国家鼓励厂商把部分制造业迁回本国，对中国这样的传统制造业大国无疑敲响了警钟。 不过，中国在3D打印方面的理论研究和尝试并不算晚.富庶而开放的江浙一带已有不少企业在运用这项技术，仅昆山一地，就有20余家企业利用3D打印为周边发达的产业集群提供设计打样服务。

激光增材制造中的过程监控的设备及如何保证质量

激光增材制造中的过程监控的设备及如何保证质量 激光增材制造(LAM)设备有两种类型：粉末床和送粉式。近期业内较多的关注集中在后者身上，本文讨论的也主要是后者。 图1显示了通用的粉末床系统的原理示意图，在该系统的整个工作区中使用刮板来进行平整粉末的步骤，以在构建平台上建立粉末床，整个过程是在可 以控制内部环境的成形保护室内进行。激光能量传递到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和融合，使得该区域的金属粉末固化。 通常情况下，每一道激光扫描能熔化并重新凝固数层粉末，粉末层的厚度通常为20至150μm。在每一次激光照射后将额外的粉末从工作区刮掉，然后重复上述过程，直到构建出一个坚固的三维(3D)零件。每一个“构建”过程包含数以千计的分层，因此每次运行需要花费几十到几百个小时。每一次“构建”可以生成数十个相同或不同的零件。 由于在金属增材制造过程中是一层接着一层熔化并且快速凝固，所以零件经历了涉及定向热传递的复杂的热演化历程。一些主要用于航空航天和医疗/牙科应用的合金零件甚至可能会遇到反复的固态相变。这些因素使得对成品显微结构属性的分析，相对那些使用传统方式制造的零件而言，变得更为复杂。频繁的定向热量提取会导致晶粒结构在Z轴方向(垂直于构建平台)呈柱状，并且“在增材制造中，各处的显微结构和力学性能通常呈各向异性，而Z轴方向一般是最弱的”。激光选区熔化(SLM)工艺的典型缺陷包括显微疏松以及相邻层之间融合不好。航天应用特别关注的是靠近零件表面的孔隙引发的疲劳裂纹，同时表面光洁度也会对疲劳寿命造成影响。 综合上述问题一起考虑，特别是那些对结构起到关键作用的零件，广泛应用增材制造技术所要面临的重大挑战是成品的合格性以及如何检定其合格性。最近，关于增材制造的一些报道都在呼吁借助在线、闭环的过程控制和传感器来确保增材制造的质量、一致性和再现性。总体的目标是在空间分辨率低于1mm2的情况下实现稳定的分层质量评估，这将免除通常在构建后进行的检测或破坏性测试。领先的航空航天制造商也非常支持在线监测：GE

增材制造技术概述

3.1 增材制造技术概述 增材制造技术诞生于20世纪80年代后期的美国。一开始，增材制造技术的诞生源于模型快速制作的需求，所以经常被称为“快速成型”技术。历经三十年日新月异的技术发展，增材制造已从概念（沟通）模型快速成型发展到了覆盖产品设计、研发和制造的全部环节的一种先进制造技术，已远非当初的快速成型技术可比。 3.1.1概述 1.概念 增材制造（即Additive Manufacturing，简称AM）：一种与传统的材料“去除型”加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。 增材制造的概念有“广义”和“狭义”之说，如图3-1所示。 “广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。而“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。 目前，出现了许多令人眼花缭乱的多种称谓：快速成型（Rapid Proto-typing）、直接数字制造（Direct Digital Manufacturing）、增材制造（AdditiveFabrication）、“三维打印(3D—Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”、增层制造（Additive Layer Manufacturing）等。2009年美国ASTM专门成立了F42委员会，将各种RP统称为“增量制造“技术，在国际上取得了广泛认可与采纳。 2.原理与分类 实际上在我们的日常生产、生活中类似“增材”的例子很多，例如：机械加工的堆焊、建筑物（楼房、桥梁、水利大坝等）施工中的混凝土浇筑、元宵制法滚汤圆、生日蛋糕与巧克力造型等。 图3-1 增材制造概念 基本原理：首先将三维CAD模型模拟切成一系列二维的薄片状平面层。然后利用相关设

激光增材制造解决方案

激光增材制造，也就是俗称的激光3D打印，是一项复杂的综合性技术，涉及到多个学科，有很多技术问题值得探讨和交流，为解决相关的问题，需要根据工作原理制定相关的解决方案。 激光增材再制造是以激光熔覆技术为基础，对服役失效零件及误加工零件进行几何形状及力学性能恢复的技术行为。现代工业及国防的许多重大装备生产工艺复杂、工序长、成本高，这些装备在服役的过程中，一些关键零部件往往会由于磨损、腐蚀、疲劳、事故等原因而失效，从而影响设备正常运行使用，如能对这些高附加值零件进行修复再制造，则可以保证设备正常运转、节约成本，创造很大的经济效益。 一些零件的加工程序复杂、难度高，容易出现误损伤，许多时候，误加工的零件只能做报废处理，这将造成极大的浪费和损失，对这些误加工的零件进行增材制造修复，可以大大提高零件合格率，缩短生产周期，提高经济效益，挽回损失。 激光增材再制造方案是一种先进的再制造修复手段，该技术方案热源能量集中，可在对基体性能影响较小的情况下，实现零件的几何形状及力学性能的高质量恢复，采用该技术对服役失效及误加工零部件进行再制造修复，具有很好的现实意义。目前激光增材再制造技术

已经在航空发动机、燃气轮机、钢铁冶金、军队伴随保障等领域得到了广泛的应用。 典型的激光增材再制造流程如下：拆解—清洗—分类—检测—判别—再制造修复—（热处理）—后加工—检验。对于拆解清洗后的待再制造件，需要先进行无损检测及寿命评估，然后对于能再制造零件进行再制造修复，接着再进行后热处理及后加工，对再制造零件的质量进行检测评价，判定再制造产品是否合格，其中核心的阶段是修复阶段。 同激光3D打印技术相比，激光增材再制造技术还需要关注再制造过程对基体的热损伤、再制造材料同基体的界面、再制造材料同基体的物性匹配等问题，问题更为复杂。对于激光3D打印技术，整个零件都是通过逐点扫描堆积成形的，因此，其制造周期相对较长、成本较高，与此相对，激光增材再制造以失效或者误加工零件为基体，需要恢复的尺寸往往很有限，其制造周期短、成本低，因此，其经济效益和社会效益更加显著。 以上就是相关内容的介绍，希望对大家了解这一问题会有更多的帮助，同时如有这方面的需要，可以咨询一下南京中科煜宸激光技术有限公司，专业从事激光增材制造装备(3D打印、激光修复)、智能激光焊接装备、自动化生产线、核心器件（工艺软件、送粉器、加工头）和金属粉末材料的研发与制造。

增材制造(3D打印)国内外发展状况

增材制造（3D打印）技术国内外发展状况 --西安交通大学先进制造技术研究所 2013-07-09 一、概述 增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自上世纪80年代末增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”（Material Increse Manufacturing）、“快速原型”（Rapid Prototyping）、“分层制造”（Layered Manufacturing）、“实体自由制造”（Solid Free-form Fabrication）、“3D打印技术”（3D Printing）等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。 美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造它通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D打印也常用来表示“增材制造”技术，在特指设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。 增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结

构的产品，其制造的速度作用越显着。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备。目前已有的设备种类达到20多种。这一技术一出现就取得了快速的发展，在各个领域都取得了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显着的作用。 美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，认为该技术改变未来生产与生活模式，实现社会化制造，每个人都可以成为一个工厂，它将改变制造商品的方式，并改变世界的经济格局，进而改变人类的生活方式。美国奥巴马总统在2012年3月9日提出发展美国振兴制造业计划，向美国国会提出“制造创新国家网络” (NNMI)，计划投资10亿美元重振美国制造业计划。其目的在夺回制造业霸主地位，要以一半的时间和费用完成产品开发，实现在美国设计在美国制造，使更多美国人返回工作岗位，构建持续发展的美国经济。为此，奥巴马政府启动首个项目“增材制造”，初期政府投资3000万美元，企业配套4000万元，由国防部牵头，制造企业、大学院校以及非赢利组织参加，研发新的增材制造技术与产品，使美国成为全球优秀的增材制造的中心，架起“基础研究与产品研发”之间纽带。美国政府已经将增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务给予支持。

增材制造技术较传统工艺的优势与关键技术

增材制造技术较传统工艺的优势与关键技术 一、增材制造技术的简介 增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除一切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。 增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备，目前已有的设备种类达到20多种。该技术一出现就取得了快速发展，在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等多个领域都得到了广泛的应用。其特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了快速成形在产品创新中具有显著的作用。 二、增材制造技术的优势 2.1设计上的自由度——在机加工、铸造或模塑生产当中，复杂设计的代价高昂，其每项细节都必须通过使用额外的刀具或其它步骤进行制造。相比而言，在增材制造当中，部件的复杂度极少需要或根本无需额外考虑。增材制造可以构建出其它制造工艺所不能实现或无法想像的形状，可以从纯粹考虑功能性的方面来设计部件，而无需考虑与制造相关的限制。 2.2小批量生产的经济性——增材制造过程无需生产或装配硬模具，且装夹过程用时较短，因此它不存在那些需要通过大批量生产才能抵消的典型的生产成本。增材工艺允许采用非常低的生产批量，包括单件生产，就能达到经济合理的打印生产目的。 2.3高材料效率——增材制造部件，特别是金属部件，仍然需要进行机加工。增材制造工序经常不能达到关键性部件所要求的最终细节、尺寸和表面光洁度的要求。但是所有近净成形工艺当中，增材制造是净成形水平最高的工艺，其后续机加工所必须切削掉的材料数量是很微量的。