其實,“增材制造”這個名稱更能說明這一加工方式的本質(zhì)。從古到今,為了實現(xiàn)把“原始材料加工成我們需要的形狀”這一目的,人類可以說是煞費苦心。從石器時代的削木為矛、劈石為斧,到后來的車削、銑削、鉆削、倒角,再到電化學(xué)、化學(xué)、高溫加工,工藝雖然進步了,然而思路仍然是一脈相承的,就是通過各種方式,把加工材料整體的某一部分剝離或者分解。
而增材制造之所以被稱作劃時代的技術(shù),是因為它更像是“搭積木”的過程,用粉末狀的材料為原料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造我們需要的物體。如果說傳統(tǒng)加工技術(shù)是“做減法”,那么增材制造就可以說是“做加法”。一個是“從有到無”,一個是“從無到有”,這是工業(yè)生產(chǎn)思路上的革命性變革。
而激光的靈活多變性與增材制造的高自由度,可以說是天造地設(shè)的一對了。選擇性激光熔化沉積(Selective Laser Melting Deposition,SLM)工藝中,激光可以成為增材制造的高功率優(yōu)質(zhì)熱源,無論是金屬、塑料、陶瓷等材料,都可通過激光熔化并逐層堆積成型,最終形成需要的3D結(jié)構(gòu)。而另一種光固化成型技術(shù)(Stereo lithography Apparatus,SLA),是通過紫外線或激光束將液態(tài)光敏樹脂照射固化成型。由點到線,由線到面,形成所需的三維結(jié)構(gòu)。
激光增材制造的零件結(jié)構(gòu)精細,性能優(yōu)異,常用于航空航天,汽車船舶、醫(yī)療健康等對產(chǎn)品等精密度、性能要求較高的行業(yè)。這是由于激光增材制造加工相對于傳統(tǒng)的加工模式有著如下優(yōu)勢:
01 效果精密入微
由于增材制造是通過逐層堆積而搭建形成的,可以事先在軟件中設(shè)計好需要的幾何形狀。加工時候,“做減法”的思路對于工件內(nèi)部的細致結(jié)構(gòu),或者空腔內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可能無能為力(雖然現(xiàn)在也有激光內(nèi)雕的技術(shù),但通常只適用于透明材料,有局限性)。但是對于增材制造,即使再精細的結(jié)構(gòu)也可以從微末開始“聚沙成塔”,實現(xiàn)加工效果。
02 既可個性化,又可通用化
增材制造技術(shù)本身具有極高的靈活性,可以根據(jù)需求來制作定制化產(chǎn)品,從而滿足特殊需求。比如醫(yī)療場景中,牙疾患者需要定制一款假牙,通用產(chǎn)品不能完美適配的情況下就可以定制化制作相關(guān)產(chǎn)品。對大型設(shè)備而言,西北工業(yè)大學(xué)也使用激光增材制造工藝,為中國商飛C919生產(chǎn)了超過3米長度的TC4合金翼肋條。增材制造數(shù)據(jù)通過軟件輔助,可以在控制加工條件的情況下,對物體的幾何形狀,尺寸和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)完美復(fù)刻。
03 材料利用率高
增材加工是真正意義上的“無損耗加工”。傳統(tǒng)意義上的加工,“做減法”的過程就意味著,切割、車削和雕刻等方式必然會產(chǎn)生一定的廢料。增材制造技術(shù)直接按需加工材料,理論上可以實現(xiàn)需要多少材料就準備多少,減少了廢料的產(chǎn)生。雖然當(dāng)前增材加工成本仍然不容忽視,但“無損加工”將是未來的發(fā)展趨勢。
2022年增材制造使用比例排名前三的行業(yè),分別是航空航天、醫(yī)療、汽車行業(yè)。可見,就成本而言,當(dāng)前的增材制造仍然存在著一些局限性,不適合在利潤率不夠高的行業(yè)推廣。與其說是一種新的加工方式,不如說,增材加工為制造業(yè)提供了一種具有延伸價值的“思路”。激光技術(shù)與增材加工的完美融合,將不僅局限于現(xiàn)在的SLM,SLA等加工工藝,更有潛力在“做加法”的道路上開拓更多工藝模式。