1.增材制造过程工艺模拟激光增材制造技术（俗称激光3D打印）是融合了激光、计算机软件、材料、机械、控制等多学科知识的系统性、综合性技术。

采用离散化手段逐点或逐层“堆积”成型原理，根据零件的CAD模型进行切片分层处理，采用数控系统控制工作台按照分层软件设定的路径进行扫描，通过激光熔化金属粉末层层叠加获得近净成形零件，增材制造技术彻底改变了传统金属零件，特别是高性能难加工、构型复杂等金属零件的加工模式。

增材制造是结合计算机辅助设计来生产制造三维物体的过程。

在增材制造过程中，物体的创建是通过连续铺设材料层直至创建出整个物体来实现的。

图 1 说明了典型的增材制造工作流程。

第 1 步到第 7 步展示的是物体从设计直至生产的整个工作流程。

图1：标准增材制造工作流程从历史上看，传统或常规的制造方法主要是利用消减工艺将各种形式的基础原材料转变为成品。

这些技术采用沿用已久的设计/加工方法、工具、设备（例如铸造车间、车床、CNC 等）、生产活动及步骤。

增材制造（AM）是常规制造方法的伟大变革。

增材制造以 3D 打印而广为人知，是一种现代制造技术。

图2--图4展示了这两种类型的制造工艺。

图2. 传统制造图3. 增材制造（激光送粉）图4.增材制造（激光铺粉）澳大利亚联邦科学与工业研究组织的未来制造技术主管 Swee Mak 博士在2014 年 6 月 4 日的 Hunter 研究基金会会议上展示了图 5。

他总结道：“与对一整块成品材料进行加工以制造出产品的传统消减制造方法相比，增材制造方法不仅速度快、能耗低，而且减少了废料。

”图5 增材与消减制造对比全球增材制造市场包括 3D 打印机、材料及服务提供商。

到 2020 年，整个市场（不包括材料）的价值有望达到 114 亿美元；2016 至 2020 年间，预计年增长率为 %。

图 6（a）和图 6（b）列出了全球增材制造市场近年的发展及主要行业的市场占有率。

图6（a）：全球主要增材制造市场图6（b）：采用增材制造技术的行业二十世纪末，制造技术的发展产生了对新类别工艺（即“增材制造”）的需求。

2016 年 3 月 3 日，在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的 SHIPTECH 2016 会议中，Concurrent Technologies 公司的 Kenneth Sabo 介绍了增材制造工艺的优势与挑战。

表 1 给出了增材制造工艺的优势/挑战概览。

优势挑战1. 制造复杂部件 1. 材料研发，数据积累滞后2. 产品多样化，不增加成本 2. 功率源开发滞后；3. 生产周期短 3. 质量的一致性，打印机的稳定性4. 零技能制造 4. 最终形状的变形控制5. 不占空间，便携制造 5. 凝固组织，内部缺陷质量控制6. 节省材料 6. 晶粒尺寸，晶粒形态和取向的控制表 1：增材制造工艺的优势/挑战1）关键技术的难点过去 25 年间，增材制造技术突飞猛进。

但是，与材料、设备、机器/工艺变化及应用等有关的技术难题一直是生产优质部件的主要考虑因素。

图7增材制造从设计到生产阶段的各种挑战从设计到生产阶段的各种挑战来自材料特性、工艺条件的不确定性以及打印机/工艺/材料特性的相关性等多个方面：材料特性：当前，3D打印生产厂家还未拥有完整的材料属性数据库。

行业无法实现整体迁移来提供完整的制造解决方案，除非可以记录并保存可用材料的材料属性数据，并进一步研究、记录选定部件的“增材制造”材料能力（例如与构建方位、拉伸强度、屈服强度、环境考虑、断裂韧度等有关的材料属性）提供给所有厂家。

如果不能得到3D打印部件的材料属性，工程师和设计人员就无法将增材制造视为可行的制造方法。

工艺条件的不确定性：现有方法尚不足以解决工艺可重复性和一致性。

有时粉末会出现高达 85% 的废品率。

需要开发出创新的方法，以改进和加强早期的检验。

良好的工艺控制可缩短机器停工时间，这也是当前许多机器和工艺设计人员遇到的主要问题。

打印机/工艺/材料特性的相关性：值得注意的是机器间以及部件间的可重复性。

需要对部件布局（部件放置以及构建角度均取决于打印机的能力）进行精调。

需要通过进行一系列的“假设”研究和统计分析来估算与构建方向、速度等以及与材料强度的相关性，以便了解深层次的变化。

大多数大中型欧、美国生产厂家都要日复一日地处理上述难题。

他们所表达的一些关注点如下：1.增材制造能否生产出轻量化、高性价比的优质产品？2.采用增材制造技术是否是明智之举？3.我应当对物流/供应商提出哪些建议？4.什么是关键变量灵敏度矩阵？5.表面加工为何会过于粗糙或过于精细？6.粉末废品率为何会如此之高？这些关键性的技术和众多挑战将是未来增材制造企业和相关研究机构需要重点解决和面临的。

2）国内外进展和水平）增材制造技术现状增材制造在航空航天行业受到了广泛的关注。

各大企业对增材制造技术的研究和推广都做出了重点布局。

空客建立了增材创新中心，并与高校、设备制造商进行密切的联合研究。

2012年空客在A380客舱里使用3D打印的行李架，这也是空客商务机首次使用3D打印的部件。

空客公司生产的军用“台风”战斗机，使用了3D打印的空调系统。

空客还提出2016年是钛合金3D打印年，并预计到2018年每月将有30-35吨的增材制造零件被装在飞机上。

波音公司开发出一种悬浮式3D打印技术，在没有任何实体打印平台的情况下，实现360度无死角操作，并于近日成功获批专利。

波音公司已经利用3D打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件，包括将冷空气导入电子设备的导管等。

预计到2018年波音的飞机会采用超出20000个3D打印零件。

GE专门成立了增材制造实验室，成功收购了生产商MORRIS公司，于2014完成传感器外壳设计、制造，2015年2月获得FFA认证，第二周投入使用。

GE进一步推出了3D打印的燃油喷嘴（图8），并于2015实现批生产，2015生产了1000件，2020年预计可达年产40000件。

俄托木斯克理工大学2016年3月31日发射世界首颗外壳全由3D打印制造的立方体纳卫星。

该卫星搭乘“进步MC-2”号货运飞船前往国际空间站，之后再由国际空间站宇航员在例行出舱活动期间发射到预定轨道。

该大学科学家认为，采用3D打印技术制造外壳将使这类卫星变得更为廉价和普及，进一步降低卫星开发的门槛。

美国Aeromet公司利用激光3D打印技术制造出多个大型钛合金关键承力件，其中整体筋板加强钛合金发动机框的尺寸达到，重达130Kg，机翼拼接接头等已经在F22及F18E/F上得到批量使用。

图8 GE Leap 发动机燃料喷嘴图9 西北工大制造的飞机主承力梁（长5米）`国内近年来增材制造的开发和研究也有了长足的进步。

以北航的王华明教授，西北工大的黄卫东教授，华中科大的史玉升教授等为代表的大学，研究院在增材制造工艺和产品开发上取得了可喜的成果。

北航的王华明教授于1995开始金属激光增材制造的研究，为国产C919，J15等提供航空结构件，其中包括航空发动机整体叶盘。

2012年，凭借“大型复杂整体钛合金结构件激光成型制造技术及装备”获得国家技术发明奖一等奖。

华中科大利用增材制造技术生产六缸发动机盖，7天内可以整体成型四气门六缸发动机缸盖砂芯。

而采用传统的砂型铸造试制方法需要5个月。

华中科大还为空客和欧洲航天局制作飞机，卫星，航空发动机用大型复杂钛合金部件的铸造蜡模。

其设备成型空间为米米，达到激光烧结快速制造领域世界领先水平。

正如王华明教授所说，3D打印不是泡沫也非“神器”。

增材制造作为成熟的工艺方法要走的路还很长。

增材制造除了不具备规模经济优势以外，材料/功能源的开发滞后，各种金属材料最佳烧结参数的积累，凝固组织，内部缺陷质量控制，及其无损检验关键技术，晶粒尺寸/晶粒形态趋向的控制，后续热处理工艺，变形控制等都是影响增材制造发展和完善的瓶颈。

）增材制造技术发展趋势增材制造的技术在设备的成本，效率，功能方面发展迅猛，正从塑料快速原形向金属零件；单一材料向多种材料和嵌入结构；单一增材制造向和切削加工的集成，应用范围较窄向突破规模/成本/材质限制的方向提升和进化。

而在航空航天中的发展趋势体现在非金属部件向金属，复合材料；功能结构件向次承力，主承力结构；结构件替换向结构的重新优化设计；单一性能材料向功能梯度材料；零件级制造向部件级制造，机器人智能制造等爆炸式发展，这对航天航空工业可能产生颠覆性的影响。

图10 从塑料装饰件向结构主承力件发展 图11. 增材制造的产品对比金属增材制造对于少批量产品具有减少模具成本，降低全寿命成本的优势，性能上与锻件相当或高于锻件，用来替换现有钛合金锻件，已经在航天、军机部门得到应用，但在民机领域尚无应用。

还需在抛光，喷丸，等静压等后处理方法上突破，以提高增材制造产品的致密度和均匀性进而提高产品的疲劳寿命。

企业的增材制造的核心能力建设，将注重优化设计能力，工艺研究能力，质量控制与适航审定能力（详见表2）。

表2. 企业的增材制造能力建设）增材制造的CAE 仿真技术的现状与其他行业工艺的研究、设计、开发一样，在提高增材制造产品的质量一致性，追求“一次成功”来降低废品率，保证性能的可靠性上真正超过常规工艺方法等问题上，需要建立一整套生产标准，质量检测，安全论证的规范，以及快速提高企业的核心技术能力。

而基于CAE技术的增材制造过程的仿真，以及增材制造的生命周期中各个阶段的数据信息化管理将是解决上述问题的不可缺少的辅助手段和强有力工具。

增材制造是一种快速原形制造技术。

根据零件形状，每次制作一个具有一定微小厚度（μm）和特定形状的截面，然后通过激光把粉末熔化，再通过冷却它们逐层粘结起来，得到所需制造的立体零件。

目前通用的CAE软件不能满足增材制造过程仿真分析的特殊性和技术开发需求。

增材制造的整个制造过程(粉末的熔化和凝固以及堆积)需要考虑金属金相变化的热机耦合时域仿真。

使用通用CAE软件需要花数百个小时，甚至几周才能得到仿真结果，远远跟不上增材制造的设计开发进程，这将大大削弱增材制造本身的“快速原形制造”的优势。

同时，增材制造产品的有限元网格需要严格地与CAD的逐层切片保持一致，这就给利用目前通用的网格划分工具进行建模带来了极大困难。

需要指出的是,虽然增材制造被认为是一种巧夺天工的技术，几乎可以造出任何形状的物品，这给各CAE 供应商开发的拓扑优化软件带来了很大的用武之地。

但是, 由于后续切削，抛光，喷丸等工艺的限制，增材制造的形状并不能真正做到想像的“为所欲为”。

另外，成型过程只是增材制造的第一步，还需后续工艺，比如等静压，切削，热处理，表面处理来完善产品。

目前急需能够覆盖整个工艺流程（图12），能够简洁建模/快速计算的增材制造专用CAE仿真软件问世，以促进增材制造工艺体系的建立以及加速企业有关核心能力的提高。