金属层压制造技术从减法到加法三维智能制造

全球制造业正在向智能制造迈进，工业4.0正在推动制造业向更高效率、更低成本、智能化、柔性化生产方向发展。工业4.0的九项技术包括大数据、层压制造、云技术、自动化、系统集成、物联网、网络安全、增强现实和仿真。

工业4.0转型不可或缺的科技制造技术：
当今的制造业正在经历一场巨大的技术革命。工业4.0正朝着提高生产效率、降低成本、生产柔性化和智能化的方向发展。未来的工厂概念将包括更多地使用多层制造、大数据、系统集成和自动化等主要技术。作为核心技术之一的多层制造技术的研究，各企业和研发单位投入了大量资金。工具的原型制作和批量生产的概念正在逐渐被淘汰，取而代之的是快速打样。设计和制造正在进入一个高度定制化的数字制造技术时代。     

在工业4.0的九大技术中，层压制造（又称3D打印）被认为是最有潜力彻底改变制造业的技术。快速打样的使用逐渐消除了工具的原型制作，并提供了直接的产品实现。这带来了新的商业模式和产品创新能力。随着技术的成熟，一个高度定制化和数字化制造技术的时代正在发生。

金属层压制造是一种增材制造形式，可以在不使用模具的情况下制造具有复杂结构的物体。由于设计自由度高，更容易开发使用传统减材工艺或塑性成型工艺无法实现的应用。增材制造可用于制造复杂的结构物体、特殊的内部特征变化和高度定制的产品，这些产品既轻便又节省材料。

近年来，随着使用层压板制造来生产组件和产品的公司和个人数量不断增加，引入了创新理念，进一步刺激了该行业的发展。层压制造是目前使用最多的技术。但受材料性能限制，仅适用于打样模型和不存在安全问题的成型结构。无论是汽车、医疗、食品、航空航天，甚至是工业，金属层压制造行业对创新的需求都已化作洪流，驱动着高速、高精度制造的发展。

从产品设计到制造——浅析金属叠片制造现状
金属叠层制造技术已成为新兴产业发展的重要环节，需求量逐年增长。其应用领域包括上游设计产品、中游设备和材料应用、下游加工制造和后处理。

上游 - 产品设计：在产品设计中，计算机 3D 程序将为产品扫描、逆向工程和构建 3D 图纸。

中游-设备和材料应用：主流金属层压板制造包括Binder Jetting (BJ)、Powder Bed Fusion (PBF)和Directed Energy Deposition (DED)；金属层压板制造中使用的材料包括粘合剂和金属粉末（不锈钢合金粉末、钛合金粉末等）。

下游——制造、后加工：金属层压后，零件进行后加工（切割、抛光、表面处理等），后加工后，对表面进行加工，使其达到产品要求的外观和尺寸标准。完成品。

目前，传统的制造技术方法包括切割、铸造和塑性成型。由于传统制造工艺的技术限制，涡轮叶片零件等相对复杂的产品难以成型。使用金属层压生产可以更快、更方便地制造这些特殊的轻型结构。  

金属积层制造技术演进：
1990年以来，金属层压制造蓬勃发展，各种工艺得到发展。选择性激光熔化 (SLM) 是市场上使用最广泛的方法。在航空航天或医疗行业，主流工厂已成功生产高度专业化的工艺设备。

SLM 的特点是能够使用多种材料生产具有结构灵活性的成品。可以使用 SLM 加工、集成成型或两者的组合来制造多个不规则结构。单件式大型复合结构可以用 SLM 制造，这是其他工艺无法制造的。如果大力推广，SLM将使行业取得突破，消除传统工艺的瓶颈，进一步提高这项技术的完整性。

金属层压制造技术：
金属层压制造主要包括三种成型技术：激光粉末床熔合（LPBF）、粘合剂喷射打印（BJ）和定向能量沉积（DED）。

激光粉末床熔合技术（LPBF）：
激光粉末床熔合技术是目前金属层压制造中最常见的成形方法。以激光为能源，对扁平粉末进行扫描加热。扫描完成后，平台Z轴下降到一定厚度。然后撒粉装置将新的粉末撒在平台上，能量源扫​​描新的一层。通过重复上述过程，利用层压制造的原理，逐渐形成三维物体。工序结束后，去除未被激光扫描过的散粉，即为成品。

Binder Jetting Technology（BJ）：
喷胶印花工艺使用两种或两种以上的材料，以粉末为基体，粘合剂作为粉末与粉末之间的结合剂。将施工任务中的粉状材料铺开，然后用喷墨头将粘合剂喷到选定的打印位置上，再铺上一层新的粉末。打印输出完成。该技术的印刷品需要经过后处理。脱脂的作用是去除初胚中的胶粘剂；烧结是将脱脂棕胚合二为一，冷却取出后，即可得到金属印刷品。

定向能沉积技术（DED）：
DED技术主要利用粉末熔覆将惰性气体与金属粉末同轴输送，通过激光或其他能源将粉末沉积在高温熔化区。其特点是不受粉床尺寸的限制，可制作大尺寸金属物件或在曲面工件上制作细长结构。它特别适用于航空航天部件的制造和维修。

金属层压制造的特点：
由于其高度的灵活性和可靠性，金属层压制造已扩展到许多领域。三大主流金属层压板技术各具特色，在很多方面具有不可替代性。

成型效率：
三大主流金属层压制造技术中，BJ最适合量产。矩阵喷头可进行大面积图形打印，高速生产多个成型物。SLM 开发的激光联合成型技术大大缩短了成型时间。DED 技术制造在缩短处理时间方面尚未显示出显着改善的迹象。

力学行为：
层压件的性能与成品的密度密切相关。BJ需要通过粘合剂形成，而不是在过程中直接熔化金属。成品受气孔影响，难以达到较高的理论密度；而LPBF和DED成品使用高密度能量熔化金属粉末。沉积成型可达理论密度的99%以上，强度高。

成形尺寸：
BJ成形件含有结合剂，需要脱脂和烧结才能得到金属制品。需要完成脱脂和高昂的时间成本，使得制造更厚的物体变得困难。LPBF需要在惰性气体气氛或真空中进行加工，因此成品尺寸受制于成型室尺寸。相比之下，DED打印头可以同时输出粉末和保护气体，不受粉床机构的限制，因此可以生产大型物体。

金属层压制造应用：
缩短制造时间：
传统的金属加工方法分为切削法、成型法和铸造法。金属切削法是最常用的金属加工方法。主要方法有车、铣、刨、磨、钻等，通常需要配合特定的专用夹具，对特定位置进行精密加工。这种方法需要制作治具，以便顺利加工。常见的成型方法有冲压、粉末压制、金属粉末注射成型、压铸等。这种方法需要制作复杂的模具才能成型。一般模具制作时间约为5至60天，复杂的产品结构甚至需要更长的制造时间才能完成模具制造。

常见的传统铸造方法有砂型铸造和失蜡铸造。这些铸造方法的特性不足以提供许多物体所需的外观特性。金属层压制造可以省去治具和模具制作的时间，节省大量的生产时间。

数量少：
当只需要一个样件时，无需制作模型和模具。由于模型和模具的成本居高不下，并且需要大量时间来生产，金属层压板制造可以大大降低成本并节省时间。

复杂形状：
复杂的形状和结构目前无法用传统的、格子结构、浇注模具加工方法制造。金属层压板制造可以完全克服这些挑战。

一件式加工：
面对越来越高的环保要求，金属层压制造的一件式成型工艺可以大大减少传统加工造成的材料缺陷。