日本金属部件增材制造技术的最新状况
增材制造（Additive Manufacturing， AM）俗称3D打印（3D Pring），是集机械、计算机、数控和材料于一体的先进制造技术，也称快速制造技术[1]。该技术最早出现于20世纪80年代，其基本原理是获取实体零件的三维截面信息，再将三维加工简化为二维加工，逐点或逐层堆积，最终获得实体零件。与传统制造方法相比，增材制造技术更加节省原料，也更加节约能源，可在没有工装夹具或模具的情况下，增加材料进行成型，在制造复杂结构零件方面具有独特的优势[2，3]。
日本一直重视增材制造技术，曾在2014年划拨了40亿日元，由经济产业省组织实施以增材制造技术为核心的制造革命计划，以构建其完备的增材制造材料与装备体系[4]。因此，日本增材制造的研制和应用水平不仅在亚洲处于前列，而且在世界处于领先水平[5]。本文对日本金属增材制造发展水平进行综述，以方便国内业界人士了解日本金属增材制造的发展水平。
一、金属增材制造装置
目前增材制造设备制造商主要集中在美国、德国、以色列、瑞典、日本等国，其中：美国占72.9%、以色列占10.3%、欧洲占10.2%、日本占3.7%。美国最具实力的是Stratasys公司和3D Systems公司，德国的EOS公司、以色列Obiet公司、瑞典Arcam公司也都极具实力[6，7]。在日本所销售的金属增材制造装置大致可以分为4种（见表1）：①激光烧结：在氮气、氩气等惰性气体中或真空中进行成形的增材制造装置，如德国的EOS、Concept Laser、SLM Solutions等装置；②激光烧结-机械加工：采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，然后再进行轮廓切削加工成金属零件的复合装置[7]，如日本Sodic装置；③电子束熔融：用电子束熔融金属粉末，这种方法比激光的输出功率大，扫描速度快，如瑞典的Arcam装置；④激光熔覆-机械加工复合加工技术：前面3种方式是撒一层粉末，用能量照射，如此反复成形，而该方式是将粉末材料喷射到精确位置，同时对该位置用激光照射熔融，如此堆积进行三次元的形状成形，中途也可进行切削加工，成形机械可五轴控制，可制造复杂形状部件，且粉末材料在中途可以变更，这种装置如日本的Yamazaki Mazak。
在航空航天、电力及舰船领域，如涡轮机部件这些难切削加工零件需花费长时间的切削加工才能制造出来，因此增材制造技术在这些领域具有广阔前景。激光烧结型增材制造装置能够使用铝、钢、钛合金等（见表2）多种金属原料，如AlSi10Mg铝合金、CoCrMo超合金、马氏体钢 18Mar300/1.2709、Incoloy 1625镍合金、Hastelly合金、316L不锈钢及Ti-6Al-4V钛合金等[8-10]。激光烧结型增材制造的成型中既有烧结，也有熔融，这取决于投入的能量。一般在使用铝合金、黑色金属合金粉末时的成形件为完全熔融造成的，其相对密度能够达到99.8%以上，力学性能与铸件相当，且具有比铸件更致密的结晶组织。增材制造钛合金件的疲劳强度较低，但可通过HIP处理，达到不比铸件逊色的程度。
二、金属增材制造的难点
无论采用哪种增材制造成形方式，金属成形都存在着其他材料所没有的困难。其中一些困难如下所述。
1.支撑
在粉末成形时，为了保证零件稳定性以及位置精度、防止零件翘起变形，有时需要支撑，即与成形件平行制造而后去除的构件。通常是在保证成形件制造过程中不失效的前提下，采用的支撑材料越少越好，例如设计成多孔结构[11]。支撑结构还会影响到整个部件的内应力分布，设计不当可能会发生成形件翘曲变形的现象[12]。因此支撑结构的设计在增材制造过程中具有重要意义。图1为增材制造的支撑结构示意图。
2.内应力
金属粉末顺次熔融再凝固的三维成形的增材制造的致命缺点是内应力的蓄积及由此引起的应变。应力的大小因材料而异，马氏体钢、铝合金等几乎没有内应力的蓄积，而钛及钛合金、镍基合金等材料成形温度高，蓄积的内应力大。图2为增材制造Ti-6Al-4V合金件，该零部件因内应力较大而产生了严重的变形。由成形件的配重方法、激光照射方式等可降低这种内应力，但不可能减到0。解决的方法之一是通过设置支撑，来约束成形件产生应变，成形后再通过热处理消除应力，这样去除支撑后也可获得没有变形的零部件。
3.参数
成形件的精度、密度、表面質量决定于成形参数。成形参数包括激光输出功率、激光束直径、扫描速度、扫描密度、堆积层的厚度、成形温度，以及激光扫描的样式等等，大致有多达250个设定参数。这些参数都需要通过试验优化。而当新的材料被开发应用时，这些要素又需要重新确定。
4.开孔尺寸
即制作的成形件可开多大的孔，可造多厚的壁厚等尺寸，这主要取决于成形材料。不同的成形材料有不同的值，而成形参数的调整也有很大影响。经试验，Inconel718合金和Ti-6Al-4V合金的成形件开孔尺寸见表3。对于厚度2.5mm的Inconel718合金和Ti-6Al-4V合金板材，开孔最大直径分别为8mm和13mm，对板厚5mm的可开孔分别为0.4mm和未试验。对于棒状成形件，其最大长度与直径比分别为5.0～6.7和25～50。相比之下，Ti-6Al-4V为自由度较大的成形材料。
三、金属增材制造的应用实例
无论零部件的形状多么复杂，只要能分解成微小的水平断面，就可通过二次元平面的反复累积而成形。零部件形状的复杂程度与加工时间、工序数等无关，这就意味着设计的部件可以使所追求的轻量化及刚性达到极限水平，而且便于采用仿生学设计、拓扑学设计、网格构造等方法开发新产品。以下是几个金属增材制造的应用实例。
1.钛耳机
2014年，日本Final Audio Design（FAD）公司与日本NTT研究所合作，共同设计和制造出全球首款量产的增材制造钛耳机，见图3。该耳机被称为“Final Audio Design LAB 01”，其外壳由Ti-6Al-4V合金制成。增材制造的钛金属零件要比使用传统机加工的钛金属零件看上去灰暗粗糙，但最终产品经过抛光后恢复了原有的金属光泽。由于增材制造钛耳机成形一体化，抑制了不需要的震动，因而具有临场感的音乐再生特性。
2.公路自行车
日本用增材制造法制成了钛制自行车车架接头及碳纤维管车架（图4），不仅美观而且可因人提供最适的几何尺寸，车架采用了网格设计，使其更加轻量化。
3.医疗
在医疗领域，增材制造有着极大的优势，主要应用有：复杂结构以及难加工材料医疗器械的制造，包括表面互通多孔结构以增强生物相容性个性化定制多孔结构以减重或在特定区域设计特定理化性能；个性化定制假体的加工，即根据病人个体特征，通过由CT等临床诊断技术获取三维电脑数据，用于颅骨重建整形、髋关节重建、复杂脊柱修复等；用于先天无舌整形术、齿科手术的模板及、个性化人工耳的模具制造（图5）。
四、结语
相比于传统工艺，增材制造技术对产品尺寸精密度控制较差，成本也较高，不适合简单结构的大批量生产。但其制造方式的变革带来了更大的设计以及制造自由度，因而在复杂结构以及个性化结构的加工中，不仅降低了成本，而且大大缩短了交付时间。目前日本增材制造技术在医疗、消费杂品等领域取得了很多成果，得到了大量应用，但在军事、航空航天等领域，应用案例比欧美要少得多，在未来尚需赶超欧美。
参考文献
[1] Hossaina M S，Jose J A，Hernandez R M，et al.Fabrication of smart parts using powder bed fusion additive manufacturing technology[J].Additive Manufacturing，2016，10：58-66.
[2] Lewandowski J J，Seifi M.Metal additive manufacturing：a review of mechanical properties[J].Annual Review of Materials Research，2016，46：151-186.
[3] 吴甲民，陈敬炎，陈安南，等.陶瓷零件增材制造技术及在航空航天领域的潜在应用[J].航空制造技术，2017，529（10）：40-49.
[4] 姚佳君.3D打印机渐热日本40亿启动3D打印项目[N].京华时报，2014-04-02.
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[10] 邓丽荣，王晓刚，陆树河，等.增材制造原材料发展现状[J].科技资讯，2016，14（24）：47-50.
[11] 廖文俊，胡捷.增材制造技术的现状和产业前景[J].装备机械，2015（1）：1-5.
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