赵汉哲

(哈尔滨工业大学，哈尔滨 150000)

增材制造(AM)是根据计算机三维图形数据，直接通过添加材料的方法，层层堆积，生成任何形状的物体，在整个生产制造过程无需原胚和模具，简化了产品制作程序，缩短产品研制周期，提高效率降低成本。该技术已经应用于航空航天、工业、汽车、医学以及口腔医学等领域，能否在水利工程上进行应用，如何使用控制软件、粉末技术溶化成型技术以及材料如何添加等还面临着一定的研究。

1 水利工程的特性

水利工程具有很强的系统性和综合性，对环境有很大影响，由于受水的作用，工作条件复杂，施工难度大，受各地的水文、气象、地形、地质等自然条件影响，水利工程的设计、施工存在不同的制约。尤其东北寒冷地区，面临水利工程施工季节性影响较重，如何能够抓住有力的施工期，如何在保质保量的前提下干好水利工程，是未来面临探索的一大重要课题，未来是科技的时代，增材制造技术在其他领域被广泛应用，如何应用于水利工程，需要不断探索研究。

2 增材制造的发展及原理

2.1 增材制造的发展

早在20世纪80年代初，人们就发明出了增材制造设备，然而直到1987年，第一台商用增材制造系统SLA-1，才由美国3D Systems公司率先推出。它的工作原理基于立体平板印刷(Stereo-lithography，SL)原理，该系统第一次让使用者能从计算机数字化数据直接“打印”获得物理实体。增材制造技术的发明，由于可以节约大量时间，特别是对于复杂和困难的模型生产，而成为产品生产的“分水岭事件”，是产品开发和生产进入到一个新的时代。新的增材制造技术不断被推陈出新，增材制造系统的新应用也被挖掘和不断扩展，材料方面的改进，固化后具有更好的力学性能的新型树脂和更加精确、更快成型的技术使增材制造成为制造模具的有效方法。直到2009年，引发了低价个人3D打印机的爆炸式增长，如MakerBot、RepRap等公司生产的这类打印机。允许个人以一个较低的价格就能使用增材制造技术。预示未来增材制造将成为人们日常生活的一部分[1]。

2.2 增材制造的基本原理

尽管增材制造系统发展中使用了不同的技术，但它们的基本原理都相同[2]。

1)用计算机辅助设计与制造(CAD-CAM)软件建模，设计出零件模型。构建实体模型，为一个明确定义的封闭容积的闭合曲面。这意味着这些数据必须详细描述模型内、外及边界。如果构建的是一个实体模型，则这一要求显得多余，因为有效的实体模型将自动生成封闭容积。这一要求确保了模型所有水平截面都是闭合曲线。这一点对增材制造十分关键。构建了实体或曲面模型之后，要转化为由3 D Systems公司开发的一种称为STL的文件格式。STL文件格式是利用最简单多边形和三角形逼近模型表面。曲度大的表面需采用大量三角形逼近，这就意味着弯曲部件的STL文件可能非常大。某些增材制造设备也能接受IGES文件格式，以满足特定的要求。

图1 增材制造的四个方面

2)计算机程序分析定义制作模型的STL文件，然后将模型分层为截面切片。构建了实体或曲面模型之后，要转化为文件格式。STL文件格式是利用最简单多边形和三角形逼近模型表面。这些截面将通过打印设备将液体或粉末材料固化被系统地重现，然后层层结合形成3D模型。也有另外其他技术是将这些薄层切片，固态片层通过胶黏剂结合在一起形成3D模型。其他类似的方法也可用于构建模型中。

增材制造系统可以概括为4个基本部分。图1中的增材制造的图轮描述了增材制造的四个关键方面。它们是：输入，方法，材料，应用。输入，指要用数字化信息描述3D实体，即数字化模型；方法，大致可以归为光固化类、剪切与黏连类、熔化和固化类、单激光束类、双激光束类和蒙面灯类等；材料，形态有固态、液态或粉末；应用，可分为设计、工程分析和规划、制造和模具等。

3 增材制造系统的分类及优势

3.1 增材制造系统的分类

现在市场中众多的增材制造系统有很多种分类方法，其中较好的一种方法是以原材料的形态来划分增材制造系统，这些材料可以用于制作原型或制造零件。增材制造系统按使用材料形态方式分为：①液态材料②固态材料；③粉末材料。原料为液态基材的增材制造系统使用的材料是液态材料，通过固化过程即液态变为固态的过程进行成型，图1中，有3种方法属于“光固化”法；除了粉末，固态基材的设备系统包括所有的固态形式，可包括丝材、带材、层压板和粒料等形状形式，图1中，有两种方法属于固态材料的增材制造系统；粉末大体上是固体形态，这种材料的增材制造系统都使用的是连接/黏接方法，这些连接/黏接方法的区别在于有的采用了激光，而有的则采用胶黏剂来实现接合效果[3]。

图2 增材制造技术集成

3.2 增材制造的优势

当今自动化时代，不用模具、不限形式的增材制造系统可以直接生产小批量的功能部件。以这种方式产生的零件通常具有仅次于机加工的精度和表面粗糙度。而一些先进的系统能够生产接近或达到最终形态质量的零件。生产的零件，经过适当的后处理，具有或接近最终产品的材质和性能。更重要的是，生产零件所用的时间(一旦设计数据完成)很短，甚至可以以小时计。在图2中，上部分描述的是传统生产活动模式所需的全过程，下部分描述的是增材制造的模式。两者在生产规模、节省时间和成本的比例在50%～90%之间不等。

直接优势，在相对较短的时间内获得任何复杂的物理模型用于产品验证或进行实验。不受制造过程的限制，不用考虑制造拔模斜度、分型线或其他类似的约束。模具和制造工程师，可以节约成本。制造工程师可以最大限度地减少设计、制造和验证工作。因为固定成本较低，可以更早地实现新产品的利润。

间接优势，营销商以及消费者都将收益于增材制造技术的使用。对市场和供应有益处，对消费者可以买到更贴近个人需求的个性商品。

4 增材制造过程

造系统大都有相似的工艺链。增材制造系统物工艺链如图3所示。制造过程有5个步骤：①3D建模，是增材制造过程基本条件，是整个工艺链中最耗时一步；②数据转换及传输，据传输过程很直观，数据转化过程可能是整个过程链中最简便、用时最短；③检测与准备，CAD模型质量取决于CAD系统、人工操作及后期处理，包括产生不必要壳-针类缺陷模型等；④打印，这一步大多数实现了完全自动化；⑤后期处理，是工艺链中的最后1步。根据模型的质量，可能需要反复进行第3步和第5步直到模具或零部件达到令人满意的标准。[4]

增材制造过程应注意的问题：①建模不正确，与传统数控编程不同，不论基本图元(Basic Element)是曲面模型还是实体模型，增材制造建模都要求模型必须是封闭容积；②对增材系统中的参数设定不充分，导致系统性能无法发挥到最佳水平，或出现瑕疵或错误；③检验时未及时发现错误，引发缺陷模型；④后期处理不当，损坏部件。

图3 增材制造系统的工艺链

5 增材制造应用在水利工程的未来前景

5.1 快速成型，方便应用

增材制造技术的创新应用已经被探索和研究。设计人员只需要一个物理的模型和具有一定功能的模型，快速制造和快速模具，可以生产出最终的产品和模具，可以直接制造出少量的小型原型件产品，再根据需要批量生产，在渠道衬砌，标准断面等应用可以大量生产，即使是冬季或者雨季也不影响施工，只要制造材料准备充足，便可通过制造技术大量生产。

5.2 减轻自重，方便运输

大规模个性化的增材制造，实现与快速制造、增材制造概念密切相关的技术将大批量的个性化定制产品制造出，在建筑领域应用，轻度较一般建筑材料5倍，水利工程地处偏远环境，运距较大，这样就可以方便运输，能够快速运达施工现场，加快施工进度。

5.3 节约人力物力，降低成本

增材制造应用在水利工程中，可以通过批量和个性定制，有效节约人力物力，减少大型机械等的不便利等条件，加快工程进度，缩短建设工期，降低施工成本，有效节省建设成本。

5.4 加速新材料新技术研发，加快推进成果转化

增材制造在水利上应用，也加速推动了水利工程新材料的研发，通过增材制造工艺使用不同材料产生不同作用，可以针对不同的水利工程以及不同的工程部位运用不同材料进行规模化生产，同时可以针对特殊要求通过新材料在增材制造工艺中应用得到更好的工程特性。新材料的研发可以在节约成本，批量生产中起到了重要作用，也为促进增材制造工艺的快速发展起到良好的推动作用。

增材制造对于很多领域具有涉猎，未来增材制造将会成为世界经济支撑，不就将来能够在水利行业得到广泛应用，也是社会进步的又一革命。