摘要：增材制造技术的发展，促使传统制造领域无法实现的复杂结构件制造变为可能。文章基于金属/非金属增材制造使用材料及其加工产品的机械性能进行了研究。文章首先对增材制造技术的原理进行了综述;其次分析了增材制造技术适用材料及加工产品的机械性能;再次分析了在增材制造工艺中产品机械性能变化的主要原因;最后针对增材制造加工产品性能改进的方法进行了总结，从金属、非金属两个角度总结了性能改进的具体方法。最终结果表明，可以通过添加填充材料、材料熔融共混、改变轮廓宽度等方式能够有效提升非金属材料进行增材制造时的产品性能;通过调节材料配比、激光融化沉积技术、添加稀土氧化物、调节激光功率和扫描率等方式能够有效提升金属材料进行增材制造时的产品性能。

关键词：增材制造;3D打印;金属非金属材料;机械性能

中图分类号：TH16

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）06-0051-04

0 引言

增材制造技术又被称为3D打印技术，是一种集成了计算机科学、材料学以及数字模型设计加工学的现代加工制造技术[1]。与传统的制造加工模式相比，增材制造技术是一种自下而上通过材料累加进行产品加工和生产的形式，与以往通过对原材料进行切削再组装的加工模式有极大差异。这种差异性能够帮助制造业实现传统工艺无法实现的复杂结构加工和制造。

得益于增材制造技术广阔的应用前景，相关领域的学者和从业人员均已经投入了较大的力度用与对相关技术和产品的研发。对于增材制造技术而言，当前存在的问题主要集中在：材料的获取、材料的机械性能参数、加工产品与传统加工产品之间的性能差异等[2]。因此，本文基于金属、非金属材料对增材制造加工领域的适用材料及产品机械性能进行了分析，在参考大量文献的基础上对不同材料及产品与传统加工方法之间的性能差异、产生原因和改进方法进行了总结。

1 概述

增材制造技术起源于20世纪90年代。增材制造技术是一种基于计算机模型数据处理软件，通过对金属、非金属等材料进行分层叠加方式进行制造的产品、建筑生产工艺。增材制造技术相比于传统产品加工技术，具有仿真性更强、生产制造效率更高、加工升本更低等优势，在进入21世纪后逐渐被用于多种产业的生产和加工过程中。增材制造技术主要涉及学科有计算机三维建模、数控、材料、软件技术、VR等，其工艺流程如图1所示。

随着增材制造技术以及相关辅助技术、材料工艺的不断进步，增材制造技术成熟度越来越高，技术类型也越来越多。目前较为常见的技术有DMLS、EBM、SLM、SLS、LSF、EBF3、FDM、SLA、LOM技术等[4]。增材制造技术相关工艺特点如表1所示。

2 增材制造技术适用材料及产品机械性能

2.1 非金属材料

高分子聚合物是进行增材制造过程中性能极佳的非金属材料。尤其以塑料为代表的非金属材料在进行增材制造时具有热塑性低、热流动性能高、冷却黏结性较快等优点，因而被广泛应用于各种类型的增材制造加工工艺中。此外，以塑料为代表的高分子材料由于在一定条件下具有极高的固化性能和复合型，能够与陶瓷、玻璃、金属粉末等进行新材料混合，得到性能更加、更适合用于增材制造的复合材料。

非金属材料主要适用于FDM（熔融沉积成型）、SLA（光固化立体成型）、LOM（分层实体制造）及SLS（选择性激光烧结）等技术中。针对高分子聚合物、陶瓷、智能材料等应用与增材制造工艺的相关研究已有很多。对产品的机械性能进行分析，成为增材制造未来发展过程中的研究重点。迟百宏等（2016）利用熔融沉积成型技术对高分子聚合物材料进行成型实验，检测了高分子聚合物用于增材制造工艺后的机械性能，发现高分子聚合物材料在相同机械零件加工过程中能够获得高于普通注塑加工工艺77.64%的拉伸强度[6]。

本文在参考相关文献的基础上，对多种高分子有机聚合物材料（光敏树脂试件、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯材料、PA材料、PAII材料、ABS-M30）应用于增材制造的机械性能进行了实验分析，所得结果如表2所示。

2.2 金属材料

利用金属材料进行增材制造，主要运用的金属材料有不锈钢、镍合金、钴铬合金、钛合金以及其他部分低熔点金属等。与传统的减材加工工艺相比，利用增材制造工艺进行加工对合金性能的要求和需求存在很大的差异。

国内学者利用EBF3（电子束自由制造）技术对金属材料增材制造性能进行分析。结果发现，利用增材制造技术对同一类金属材料进行另加加工，成型后的零件的機械性能明显由于传统加工材料。黄文普等（2016）用电子束熔融技术制备Ti-6AI-4V试件运用于增材制造时的性能优势进行了分析，惹我内在抗拉强度上可以达到同等材料进行锻件加工时的性能。可见，利用金属材料进行增材制造能够在产品性能上完全满足产业需求。本文认为，利用激光立体成型技术对金属材料进行增材制造，能够获得加高的加工效率，且加工成型的零件具有一般减材加工不具备的力学性能。为改善成型零件的机械性呢个，激光立体成型技术进行增材制造可以与传统减材制造进行进行结合，进行优势互补。

张玮航等（2017）应用直接金属激光烧结技术进行钛合金牙齿增材制造，对传统工艺与该工艺生产的牙齿机械性能进行了对比，结果显示利用增材制造进行加工成型的钛合金牙齿拉伸强度达到了182.8+138.6MPa;屈服强度达到了1368.9+108.6MPa;延伸率达到了32.6%±1.75%;维氏硬度（HV）为386.87 - 439.38.整体性能优异高于一般医用标准。AISi10Mg Speedl.0在对产品进行二次优化以后，利用增材制造技术进行加工获得了高达375MPa的抗拉强度以及235MPa的屈服强度。周隐玉等（2016）利用电子束熔融技术对Ti60合金零件进行增材制造并分析了其机械性能，发现利用增材制造技术加工成型的Ti60合金零件硬度比传统锻造工艺加工零件更高;在室温和600。C高温时，拉伸强度均较传统锻造工艺加工零件更高。可见，与传统加工工艺相比，利用增材制造进行金属零件加工能够获得机械性能方面的显著提升。

3 增材制造产品机械性能变化原因

不论金属或非金属材料，在对进行增材制造时往往存在一些通病，机械稳定性通常无法与传统制造工艺相比。在对影响增材制造产品机械性能进行研究的过程中，高士友等（2017）发现，材料的填充率会对增材制造成型零件的强度和刚度产生正面影响[11].唐通鸣等（2015）在对增材制造球化现象进行分析时，采用直接金属激光烧结技术对316L不锈钢粉末进行处理，最终得出结论利用金属材料进行增材制造中一旦出现球化现象会导致加工工件表面烧结层出现空隙，一定程度上影响加工工件的强度[12]。增材制造其他影响机械加工件稳定性的因素还有：冷却速率、夹杂情况、工艺流程、材料表面球形度、金属粉末颗粒直径等。对于增材制造加工技术而言，颗粒均匀、尺寸一致的金属或非金属粉末是最理想的增材制造材料。

4 增材制造产品机械性能改进方法

4.1 非金属材料

为进一步改进非金属材料增材制造零件的性能，国内外许多学者对相关材料、制造工艺等进行了深入研究，希望获得更多改进增材制造产品机械性能的方法。有学者根据自己研究领域，在ABS塑料添加了填充材料，从而使该材料的力学性能在共混改性的基础上的到了提升。

本文通过实验和理论分析，对非金属材料增材制造的机械性能改进方法进行了总结，认为可以从4个方面人手进行优化：①将利用优化连续本体法对ABS塑料的性能进行优化，从而从主体材料方面获得成本更低、热稳定性更好、强度更高的非金属增材制造材料;②将含有10%气相生长碳纤维增强材料与ABS塑料进行混合，获得填充后的增材制造耗材，增强材料的拉伸强度和拉伸弹性模量;③通过与其他材料如部分金属粉末等进行熔融共混，获得改性后的复合材料;④通过对加工零件的尺寸进行重新设计，使之与非金属材料增材制造更加匹配的轮廓宽度等数据，从而提升零件的机械性能。根据相关实验表明，不同同苯乙烯类嵌段共聚物与ABS塑料进行熔融共混，能够获得最佳成本、热稳定性以及材料强度;在ABS塑料中加入苯乙烯共聚物，能够获得最佳的韧性;增材制造成型件的机械强度和刚度会随非金属材料填充率的增大而增大;当成型件的轮廓宽度设置为0.4 - 1.2mm范围内时，成型件的抗拉强度与成型件的轮廓宽度变化趋势相同。

4.2 金属材料

利用金属材料进行增材制造可以主要通过2个方面进行性能优化：①利用非金属复合材料等来对金属增材制造方式进行优化，如利用nHA材料在激光选区熔化技术中含量变化对材料性能的影响，来对增材制造的最终成型件性能进行影响，当nHA含量为5%时，采用金属复合材料增材制造加工而成的成型件与纯不锈钢成型件之间并没有过多的性能差异，随着nHA含量的提升，成型件与纯不锈钢在抗拉强度与致密度方面的差距越来越大，需要在进行金属材料增材制造时需要设计合理的材料配比，以期获得能够达到最佳抗拉强度和致密度的成型件;②通过对增材制造加工过程中激光功率和扫描速率进行调整，能够有效避免增材制造过程中出现材料的球化以及翘曲，从而整体提升金属或金属复合材料成型件的机械性能。

整体而言，想要在增材制造工艺中迅速提升金属或金属复合材料的整体机械性能难度极大，普通的成型技术从力学角度分析主要会收到内部应力结构的影响，从而无法从成型件刚度和强度角度进行性能优化。因此，想要从根本上对成型件的机械性能进行优化，单纯依靠改变材料的内部应力结构已经无法实现，必须从增材制造技术根本工艺人手进行改良。

5 结语

综上所述，文章基于金属、非金属增材制造材料及产品机械性能进行了研究，增材制造技术能够通过计算机与数控系统，将专用的加工材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，最终制造出预期实体产品。本文所得结论能够为我国增材制造领域的发展提供理论依据和数据支持。

参考文献

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作者简介：张宏达（1981-），男，陕西凤翔人，工程硕士，研究方向：机械设计与制造、电加工。