·160· 工程科学学报，第41卷，第2期 rial,(b)expanding the range of product forming size,(c)improving the product printing accuracy and forming efficiency,(d)ex- panding the types and application scope of metal additive manufacturing material,(e)reducing the difficulty in the matching of process parameters,(f)improving product quality and comprehensive performance,and(g)developing new types of metal additive manufac- turing technologies. KEY WORDS metal additive manufacturing technology;metal additive manufacturing equipment;metal additive manufacturing ma- terial;metal additive manufacturing process;critical factor;development direction 金属增材制造技术是20世纪80年代中期发展 表性的金属增材制造技术的特点进行总结可以发 起来的基于数字化离散堆积思想的新型材料成形技 现，各金属增材制造技术的不同也主要体现在设备、 术，该技术无需模具即可成形出所需金属产品， 材料和工艺上，如表1所示. 具有生产流程短、材料利用率高等特点，在形状复 纵观金属增材制造技术的发展史，设备、材料和 杂、小批量、个性化金属产品的制备方面具有独特的 工艺均起到了重要的作用，是影响金属增材制造技 优势.与传统的金属减材或等材制造技术不同，金 术发展的关键因素.设备是材料及工艺的载体[2】， 属增材制造技术采用逐点逐层堆积的成形方式，成 各种金属增材制造技术的设备是相应工艺和材料研 形过程存在复杂的传质和传热过程，其产品的精度、 究成果的集中体现，设备的热源种类及运动方式决 组织和性能与金属增材制造设备（热源参数、运动 定了产品的成形尺寸、成形效率和成形精度)，设 参数、控制方式)、材料（材料种类、材料形状、材料 备的控制方式及智能化程度也是衡量金属增材制造 质量)和工艺（成形原理、扫描策略、成形参数）密切 技术发展水平的重要标志：材料是金属增材制造技 相关[2-]，因此，对于金属增材制造技术中设备、材 术的关键[2]，材料作为金属增材制造技术的重要物 料和工艺进行系统的论述，具有重要的意义. 质基础，其成分及质量决定了产品的组织和性能，同 本文分析了设备、材料和工艺在金属增材制造 时材料的种类及形状要求也直接影响了金属增材制 技术中的重要作用，综述了金属增材制造技术中设 造技术的应用范围：工艺是金属增材制造技术的基 备、材料和工艺的研究现状，指出了目前金属增材制 础[]，是体现设备及材料价值的重要保障，只有对 造设备、材料和工艺中所存在的问题，展望了金属增 扫描策略和成形参数进行合理的控制才能获得质量 材制造技术的发展方向 和性能优异的产品[] 1金属增材制造技术的关键因素 金属增材制造技术的设备、材料和工艺相辅相 成，缺一不可.金属增材制造技术的发展过程就是 金属增材制造技术通常需要先构建产品的三维 在现有金属增材制造技术的设备、材料及工艺相互 模型，再根据材料及工艺特点将其处理成一系列二 匹配的基础上，不断开发新材料及新工艺，当材料及 维成形路径，最后由金属增材制造设备在特定的工 工艺超出了现有设备的承载能力时，又迫使新设备 艺条件下将材料按照二维成形路径逐层堆积成所需 不断诞生，最终推动金属增材制造技术快速发展. 产品，如图1所示 设备、材料和工艺与金属增材制造技术发展之间的 关系如图2所示. 材料 2金属增材制造设备研究现状 2.1金属增材制造设备 金属增材制造设备的研究与开发对推动金属增 维模型 二维成形路径 设备 产品 材制造技术的发展至关重要，全球已经有多家成熟 的金属增材制造设备制造商，最具代表性的有德国 EOS、Concept Laser、SLM Solutions、Siemens,美国 工艺 GE、Optomec、3 D Systems、Efesto,英国Ranishaw,瑞 图1金属增材制造技术原理图 Fig.I Schematic diagram of metal additive manufacturing 典Arcam AB,荷兰Additive Industries,韩国InssTek, 中国铂力特、华曙高科等.另外，有许多科研院所也 在零件由三维模型变成实体产品的过程中，设 在致力于金属增材制造设备的研发，如美国Law- 备、材料和工艺均扮演了重要的角色，通过对具有代 rence Livermore National LaboratoryI LLNL(劳伦斯利工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 rial, (b) expanding the range of product forming size, (c) improving the product printing accuracy and forming efficiency, ( d) ex鄄 panding the types and application scope of metal additive manufacturing material, (e) reducing the difficulty in the matching of process parameters, (f) improving product quality and comprehensive performance, and (g) developing new types of metal additive manufac鄄 turing technologies. KEY WORDS metal additive manufacturing technology; metal additive manufacturing equipment; metal additive manufacturing ma鄄 terial; metal additive manufacturing process; critical factor; development direction 金属增材制造技术是 20 世纪 80 年代中期发展 起来的基于数字化离散堆积思想的新型材料成形技 术[1] ,该技术无需模具即可成形出所需金属产品, 具有生产流程短、材料利用率高等特点,在形状复 杂、小批量、个性化金属产品的制备方面具有独特的 优势. 与传统的金属减材或等材制造技术不同,金 属增材制造技术采用逐点逐层堆积的成形方式,成 形过程存在复杂的传质和传热过程,其产品的精度、 组织和性能与金属增材制造设备(热源参数、运动 参数、控制方式)、材料(材料种类、材料形状、材料 质量)和工艺(成形原理、扫描策略、成形参数)密切 相关[2鄄鄄9] ,因此,对于金属增材制造技术中设备、材 料和工艺进行系统的论述,具有重要的意义. 本文分析了设备、材料和工艺在金属增材制造 技术中的重要作用,综述了金属增材制造技术中设 备、材料和工艺的研究现状,指出了目前金属增材制 造设备、材料和工艺中所存在的问题,展望了金属增 材制造技术的发展方向. 1 金属增材制造技术的关键因素 金属增材制造技术通常需要先构建产品的三维 模型,再根据材料及工艺特点将其处理成一系列二 维成形路径,最后由金属增材制造设备在特定的工 艺条件下将材料按照二维成形路径逐层堆积成所需 产品,如图 1 所示. 图 1 金属增材制造技术原理图 Fig. 1 Schematic diagram of metal additive manufacturing 在零件由三维模型变成实体产品的过程中,设 备、材料和工艺均扮演了重要的角色,通过对具有代 表性的金属增材制造技术的特点进行总结可以发 现,各金属增材制造技术的不同也主要体现在设备、 材料和工艺上,如表 1 所示. 纵观金属增材制造技术的发展史,设备、材料和 工艺均起到了重要的作用,是影响金属增材制造技 术发展的关键因素. 设备是材料及工艺的载体[28] , 各种金属增材制造技术的设备是相应工艺和材料研 究成果的集中体现,设备的热源种类及运动方式决 定了产品的成形尺寸、成形效率和成形精度[3] ,设 备的控制方式及智能化程度也是衡量金属增材制造 技术发展水平的重要标志;材料是金属增材制造技 术的关键[29] ,材料作为金属增材制造技术的重要物 质基础,其成分及质量决定了产品的组织和性能,同 时材料的种类及形状要求也直接影响了金属增材制 造技术的应用范围;工艺是金属增材制造技术的基 础[30] ,是体现设备及材料价值的重要保障,只有对 扫描策略和成形参数进行合理的控制才能获得质量 和性能优异的产品[7] . 金属增材制造技术的设备、材料和工艺相辅相 成,缺一不可. 金属增材制造技术的发展过程就是 在现有金属增材制造技术的设备、材料及工艺相互 匹配的基础上,不断开发新材料及新工艺,当材料及 工艺超出了现有设备的承载能力时,又迫使新设备 不断诞生,最终推动金属增材制造技术快速发展. 设备、材料和工艺与金属增材制造技术发展之间的 关系如图 2 所示. 2 金属增材制造设备研究现状 2郾 1 金属增材制造设备 金属增材制造设备的研究与开发对推动金属增 材制造技术的发展至关重要,全球已经有多家成熟 的金属增材制造设备制造商,最具代表性的有德国 EOS、 Concept Laser、 SLM Solutions、 Siemens, 美 国 GE、Optomec、3D Systems、Efesto,英国 Ranishaw,瑞 典 Arcam AB,荷兰 Additive Industries,韩国 InssTek, 中国铂力特、华曙高科等. 另外,有许多科研院所也 在致力于金属增材制造设备的研发,如美国 Law鄄 rence Livermore National Laboratory | LLNL(劳伦斯利 ·160·