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增材制造技术及其在发动机关键零部件上的应用
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摘要：0 引言 增材制造技术（Additive Manufacturing,AM）是20 世纪80 年代新兴的一种基于离散堆积原理的加工工艺[1-2]，它打破了传统的“减材制造”“等材制造”的生产方式，是一种无需工装夹具
0 引言
增材制造技术（Additive Manufacturing,AM）是20 世纪80 年代新兴的一种基于离散堆积原理的加工工艺[1-2]，它打破了传统的“减材制造”“等材制造”的生产方式，是一种无需工装夹具协作、不经机床设备加工的新型制造技术[3]。从基础理论的探讨到涉及关键技术装置的研发，世界各国都在积极努力地推进这种颠覆性的制造技术。随着生产标准的统一、原材料技术的成熟等限制因素的解决，增材制造技术依托于智能技术和基础学科的交叉在汽车行业、航空航天、生物工程等领域得到广泛的拓展，具有巨大的价值和市场潜力[4-5]。
1 增材制造技术
1.1 增材制造技术的流程
增材制造技术是通过CAD 软件对要加工的零部件进行三维建模，根据零部件的各项参数利用切片软件对三维模型进行切片处理，然后利用计算机精准地将每一层进行连接形成层面堆积，快速实现零部件的增材制造。图1 所示为增材制造过程。
图1 增材制造技术的流程图Fig.1 Flow chart of additive manufacturing technology
1.2 增材制造技术产业的发展
全球增材制造技术的产值呈现高速增长的态势，产值从2013 年的30.3 亿美元增长到2019 年的158 亿美元，在短短的6 年时间内，全球增材制造技术的产值增长了近5 倍，其产值发展情况如图2 所示。
图2 全球增材制造技术的产值Fig.2 Global output value of additive manufacturing technology
在全球增材制造发展前期，我国对成形材料的研究、关键技术的创新以及设备的研发均落后于国外，但是自从1988 年清华大学创建激光快速成形中心以来，我国便开始了对增材制造技术的探索，并逐渐生成、完善增材制造的生态链。到2017 年时，我国的增材制造领域相关的企业已达500 多家，产业规模高达14.5 亿美元。预计到2020 年，我国增材制造产业年销售收入将超过200 亿元，年增长速率保持在30%以上，增长速度较前期虽有减缓，但依旧高于全球增速，发展形势尤为可观。
1.3 增材制造技术的应用
增材制造技术在汽车行业的应用可以分为产品开发、生产2 个阶段。在产品开发阶段，需要经历手工制作样件以及设计和制作模具的过程。制作手工样件是为了让主机厂检测零部件设计的合理性，但是制作手工件大大增加了产品的开发周期，减缓了产品开发速度，使得开发成本也大幅度增加，因此，目前一些品牌汽车公司在汽车开发阶段选择使用增材制造技术，达到了快速验证和优化零部件的目的；在小批量生产汽车零部件时，常常会涉及一些薄壁、内部腹腔的复杂零部件，传统的锻造和铸造工艺在加工上具有局限性，无法满足生产要求。由于增材制造技术具有逐点、逐线、逐域的局部成形特性，在制造复杂零部件时，可以实现高柔性近净成形的增材制造[6-8]。因此，增材制造技术在复杂零部件的制造方面具有显著的优势，应用前景也十分可观。
航空航天领域是各国科技实力展现的一个平台，该领域集结了一个国家的高精端技术，增材制造技术作为一个先进的制造技术在航空航天领域内发挥着重要的作用。2020 年，我国发射的长征五号B 火箭上就搭载着增材制造打印出的返回舱防热大底框架，在保证安全性能的同时，降低了工艺造价；欧洲航天局联合瑞士公司开发首个基于增材制造的双反射天线原型，在确保零部件轻量化的同时，增强了天线的精度[9]；英国的Orbex 公司摒弃了传统的CNC 加工生产方式，使用了增材制造技术加工了全球最大单件火箭引擎，与传统加工方法相比，只消耗了1/10 的制造时间和1/2 的制造成本。
2 增材制造技术在发动机零部件上的应用
2.1 发动机缸盖
发动机缸盖作为发动机零部件中较为重要的部分，一方面是因为它要承受来自于燃烧室高达70 MPa 的燃爆压力和接近350 ℃的高温，工作环境极其恶劣。另一方面是缸盖内部结构较为复杂且壁面较薄[10-11]。在传统的制作工艺中常采用铸造的手段来生产发动机缸盖，需要对它进行开模处理，由于严苛的要求导致模具需要进行多次优化改进，导致了开发和制造模具的工期过长，开模的成本过于高昂[12]。而增材制造技术直接使用打印机对复杂的缸盖进行打印，省去了中间的开模、浇注等一系列工序，为解决小批量生产缸盖耗时长、成本高的问题提供了思路。
制造发动机缸盖常用的增材制造技术是选区激光熔融技术（Selective Laser Melting，SLM）。选区激光熔融技术是利用激光释放的能量使得粉末完全熔化冷却凝固成型的一项技术，用这种方法制造的发动机缸盖在性能上也与锻件相差无几[13]，致密度也比较高，因此，不会出现铸造时可能会产生的缩孔和裂纹现象。
文章来源：《时代汽车》 网址: http://www.sdqczz.cn/qikandaodu/2021/0623/2164.html