淺談金屬增材制造技術的6大應用場景
增材制造技術的應用已不僅僅局限于快速響應產品的外觀設計，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造�？梢哉f，金屬增材制造技術在制造行業具有更廣闊的應用舞臺。
談到增材制造技術（俗稱3D打印技術）估計很多人并不陌生，但是說到增材制造技術的應用，可能大部分人還只停在以下兩個階段：
1) 原型制造，即通過樹脂、塑料等非金屬材料打印的概念原型與功能原型。其中概念原型用于展示產品設計的整體概念、立體形態和布局安排，功能原型則用于優化產品的設計，促進新產品的開發，如檢查產品的結構設計，模擬裝配、裝配干涉檢驗等。
2) 間接制造，即通過3D打印技術完成工、模具制造，再采用3D打印工模具進行零件的制造。
殊不知，伴隨著3D打印技術的發展，特別是金屬3D打印技術近年來取得的進展，增材制造技術的應用已不僅僅局限于快速響應產品的外觀設計，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造。當前，通過金屬增材制造技術制造的金屬材料零部件越來越多的被成功應用于航空航天，國防軍工、醫療器械、汽車制造、注塑模具等領域。
可以說，金屬增材制造技術在制造行業具有更廣闊的應用舞臺，是增材制造領域對制造業來說最有應用價值的先進制造技術。主要體現在以下幾個方面：
01 成形傳統工藝制造難度大的零件
在制造領域，有些零部件形狀復雜、制備周期長，應用傳統鑄造鍛造工藝生產不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優勢。
一個典型的應用就是模具行業隨形冷卻金屬模具的制造。金屬模具冷卻系統是設計模具工程之一，傳統的模具冷卻系統是以直線的水路設計為主，制作較簡易，但需要的散熱時間較長，直接影響了脫模時間、制品質量、制品外觀等。設計者通過軟件分析模具與水路的散熱情形，設計出了異型水路，但是受到既有加工技術的限制，使得異型水路設計只能停留在理論階段。金屬增材制造技術出現后，使這些問題獲得了突破性改善。據悉，通過金屬3D打印的異型水路模具設計時間減少了75%、制造端人力節省了50%、射出模具生產周期縮短了14％、制造費用降低了16%等。
另外，江蘇科技大學海洋裝備研究院通過金屬增材制造SLM工藝，成功制造出了原本只有英國Heatri一家公司才能生產出來的印刷版式LNG汽化器，而且采用增材制造技術制備的船用LNG汽化器能夠完全滿足超高壓、超低溫的運行條件，制造成本和周期也大幅減少。還包括剛剛首飛成功的國產大飛機C919，在北航、西安鉑力特等院企的攻克下，通過金屬增材制造技術成功研制出了鈦合金主風擋整體窗框、起落架整體支撐框、中央翼緣條等關鍵部件，有效避免了從國外采購，大大提高了C919的國產化率。
02 制備高成本材料零件
金屬材料是制造領域必不可少的重要材料，但是在實際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長等。金屬增材制造技術所采用的激光、電子等高能束密度高，速度快，極大的改善了金屬材料的加工難度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金屬增材制造技術應用最早和最廣泛的航空航天行業為例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于10%，有時甚至于僅為2%-5%，大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑。
美國最大的航空發動機制造公司之一普惠公司應用增材制造技術用于發動機的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結果顯示：不但獲得了與當前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復雜幾何結構的制造精度；而且原材料消耗降低了50%，并將發動機的BTF比（原材料質量與部件最終質量之比）從傳統工藝的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的質量和降低了制造成本。
03 快速成形小批量非標件
3D打印非常適合個性化定制生產、小批量生產。當前，金屬增材制造的個性化制造在醫療器械的應用極為突出，一方面用于打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復雜結構。
這些植入物通過3D打印技術的精確控制，有效實現外在輪廓及內部結構的同步重建，以滿足其與患者局部解剖結構的高度匹配，其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料，打印出來的多孔結構植入物，可以更好的與人體組織結合。另一方面，金屬增材制造技術還可用于為病人量身定做植入手術所需的精密部件，例如華南理工大學利用激光選區熔化技術（SLM）已成功研制了外科手術所需的個性化輔助導板。
▲圖：金屬3D 打印個性化醫療器械
個性化、小批量生產已經成為當前制造業發展的趨勢，金屬3D打印擺脫了模具制造這一關鍵技術環節，可以隨時調整參數，以更低的成本更短的周期進行小批量甚至單件產品的生產。除了醫療器械行業，在其他行業也極具應用潛力。
(責任編輯：admin)
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