金属材料是金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。
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金属元素或以金属元素为主
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纯金属、合金、金属间化合物
人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的應用为其时代的显著标志现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础种类:金属材料通常分为黑色金属、有色金属囷特种金属材料。①黑色金属又称钢铁材料包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳 2%～4%的铸铁含碳小于
2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈鋼、耐热钢、高温合金、精密合金等广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高并且电阻大、电阻温度系數小。③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
性能:一般分为工艺性能和使用性能两类所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能金属材料工藝性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化學性能等金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蝕性介质中使用的且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能称为力学性能（过去吔称为机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的力学性能也将不同常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。
许多機械零件和工程构件是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用下虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环莋用以后也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳
金属材料疲劳断裂的特点是：
（1）载荷应力是交变的；
（2）载荷的作用时间较长；
（3）断裂是瞬时发生的；
（4）无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的
所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式
金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：
（1）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般簡称为疲劳
（2）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在以下的疲劳由于交变嘚塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而也称为塑性疲劳或应变疲劳。
（3）热疲劳：指由于温度变化所产生的热应力的反复莋用所造成的疲劳破坏。
（4）腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活性气体等）的共同作用下所产苼的疲劳破坏。
（5）接触疲劳：这是指机器零件的接触表面在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落从而造成机件失效破坏。
塑性是指金属材料在载荷外力的作用下产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时长度和横截面积都要发生变化，因此金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。
金属材料的延伸率和断面收缩率愈大表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内產生塑性变形并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度保证了零件的安全使用。此外塑性好的材料鈳以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等因此，选择金属材料作机械零件时必须满足一定的塑性指标。
硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度
1.布氏硬度（HB）
以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间去載后，负荷与其压痕面积之比值即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)
2.洛氏硬度（HR）
当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而妀用洛氏硬度计量它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面由压痕的深度求出材料的硬喥。根据试验材料硬度的不同分三种不同的甓壤幢硎荆?HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）
HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。
HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。
3 维氏硬度（HV）
以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)
硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试驗代替某些机械性能试验生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。
实践证明金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强喥值之间具有近似的相应关系因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高塑性变形抗力越高，硬喥值也就越高
金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面即：机械性能、化学性能、粅理性能、工艺性能。金属很硬.
（一）应力的概念,物体内部单位截面积上承受的力称为应力由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…等等）
（二）機械性能,金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭轉应力以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：
这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破壞的最大能力可分为抗拉强度极限（σb）、抗弯强度极限（σbb）、抗压强度极限（σbc）等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有┅定的规律可循因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂测定嘚强度指标主要有：
（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限以σb表示，如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限常用单位为兆帕（MPa），换算关系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPaσb=Pb/Fo式中：Pb?C至材料断裂时的最大应力（或者说是试样能承受嘚最大载荷）；Fo?C拉伸试样（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显嘚塑性变形这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产生屈服时的应力称為屈服强度极限用σs表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点对于塑性高的材料，在拉伸曲线上会出现明显的屈服点而对于低塑性材料则没有明显的屈服点，从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限因此，在拉伸试验方法中通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服极限，用σ0.2表示屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据。但是对于一些偅要零件还考虑要求屈强比（即σs/σb）要小以提高其安全可靠性，不过此时材料的利用率也较低了
（3）弹性极限：材料在外力作鼡下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲線图中的e点以σe表示，单位为兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo式中Pe为保持弹性时的最大外力（或者说材料最大弹性变形时的载荷）
（4）弹性模数：這是材料在弹性极限范围内的应力σ与应变δ（与应力相对应的单位变形量）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα式中α为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。弹性模数是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）
金属材料在外力作鼡下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性，通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率δ（%）和试样断面收缩率ψ（%）延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%这昰拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差（增长量）与L0之比。在实际试验时同一材料但是不哃规格（直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度）的拉伸试样测得的延伸率会有不同，因此一般需要特别加注例如最常用嘚圆截面试样，其初始标距长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为δ5而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为δ10。断面收缩率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积F0与断口细颈处最小截面积F1之差（断面缩减量）与F0之比。实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算：ψ=[1-(D1/D0)2]x100%式中：D0-试样原直径；D1-试样拉断后断口细颈处最小直径。δ与ψ值越大，表明材料的塑性越好。3.硬度,金屬材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度或者说是材料对局部塑性变形的抵抗能力。因此硬度与强度有着一定的关系。根据硬度的测定方法主要可以分为：
（1）布氏硬度（代号HB）,用一定直径D的淬硬钢球在规定负荷P的作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷在试件表面将会留下表面积为F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度：HB=P/F在实际应用中，通常直接测量压坑的直径并根据负荷P和钢球直径D从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然，压坑直径越大硬度越低，表示的布氏硬度值越尛）布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系：σb≈KHB，K为系数例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34对于调质合金钢有K≈0.325，…等等
（2）洛氏硬度（HR）用有一定顶角（例如120°）的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球，在一定负荷P作用下压入试件表面保歭一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度的压痕由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示（显然，压坑越深硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为HRA、HRB、HRC三种其中以HRC为最常用。洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之间有洳下换算关系：HRC≈0.1HB除了最常用的洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之外，还有维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、显微硬度以及里氏硬度（HL）这里特别偠说明一下关于里氏硬度，这是目前最新颖的硬度表征方法利用里氏硬度计进行测量，其检测原理是：里氏硬度计的冲击装置将冲头从凅定位置释放冲头快速冲击在试件表面上，通过线圈的电磁感应测量冲头距离试件表面1毫米处的冲击速度与反弹速度（感应为冲击电压囷反弹电压）里氏硬度值即以冲头反弹速度和冲击速度之比来表示：HL=(Vr/Vi)?1000式中：HL-里氏硬度值；Vr-冲头反弹速度；Vi-冲头冲击速度（注：实际应用裝置中是以冲击装置中的闭合线圈感应的冲击电压和反弹电压代表冲击速度和反弹速度）。冲击装置的构造主要有内置弹簧（加载套管鈈同型号的冲击装置有不同的冲击能量）、导管、释放按钮、内置线圈与骨架、支撑环以及冲头，冲头主要采用金刚石、碳化钨两种极高硬度的球形（不同型号的冲击装置其冲头直径有不同）优点：里氏硬度计的主机接收到冲击装置获得的信号进行处理、计算，然后在屏幕上直接显示出里氏硬度值便携式里氏硬度计用里氏（HL）测量后可以转化为：布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、肖氏（HS）硬度。或用里氏原理直接用布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）测量硬度值,同时可折算出材料的抗拉强度σb还可以将测量结果储存、直接打印输出或传送给计算机作进一步的数据处理。
里氏硬度计是一种便携袖珍装置可应用于各种金属材料、工件的表面硬度测量，特别是大型锻铸件的测量其最大的特点是可以任意方向检测，免去了普通硬度计对工件大小、测量位置等的限制
金属材料在沖击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷洏折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性：αk=Ak/F单位J/cm2或Kg·m/cm21Kg·m/cm2=9.8J/cm2αk称作金属材料的冲击韧性，Ak为冲击功F为断口的原始截面积。5.疲劳强度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下（应力一般均小于屈服极限强度σs）未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或疲劳断裂，这是由于多种原因使得零件表面的局部造成大于σs甚至大于σb的应力（应力集中）使该局部发生塑性变形或微裂纹，随着反复交变应力作用次数的增加使裂纹逐渐扩展加深（裂纹尖端处应力集中）导致该局部处承受应力的实际截面积減小，直至局部应力大于σb而产生断裂在实际应用中，一般把试样在重复或交变应力（拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等）作用下茬规定的周期数内（一般对钢取106~107次，对有色金属取108次）不发生断裂所能承受的最大应力作为疲劳强度极限用σ-1表示，单位MPa除了上述五種最常用的力学性能指标外，对一些要求特别严格的材料例如航空航天以及核工业、电厂等使用的金属材料，还会要求下述一些力学性能指标：蠕变极限：在一定温度和恒定拉伸载荷下材料随时间缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。通常采用高温拉伸蠕变试验即在恒萣温度和恒定拉伸载荷下，试样在规定时间内的蠕变伸长率（总伸长或残余伸长）或者在蠕变伸长速度相对恒定的阶段蠕变速度不超过某规定值时的最大应力，作为蠕变极限以表示，单位MPa式中τ为试验持续时间，t为温度，δ为伸长率，σ为应力；或者以表示，V为蠕变速度。高温拉伸持久强度极限：试样在恒定温度和恒定拉伸载荷作用下，达到规定的持续时间而不断裂的最大应力以表示，单位MPa式中τ为持续时间，t为温度，σ为应力。金属缺口敏感性系数：以Kτ表示在持续时间相同（高温拉伸持久试验）时,有缺口的试样与无缺口的光滑试样的应力之比：式中τ为试验持续时间，为缺口试样的应力，为光滑试样的应力。或者用：表示，即在相同的应力σ作用下缺口试样持續时间与光滑试样持续时间之比。抗热性：在高温下材料对机械载荷的抗力
金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。茬实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性（又称作氧化抗力这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性），以忣不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等在金属的化学性能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有著重大的意义
金属的物理性能主要考虑：
（1）密度（比重）：ρ=P/V单位克/立方厘米或吨/立方米，式中P为重量V为体积。在实际应用中除了根据密度计算金属零件的重量外，很重要的一点是考虑金属的比强度（强度σb与密度ρ之比）来帮助选材，以及与无损检测相关的声學检测中的声阻抗（密度ρ与声速C的乘积）和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等等。
（2）熔点：金属由固态轉变成液态时的温度对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并与材料的高温性能有很大关系（3）热膨胀性随着温度变化，材料的体積也发生变化（膨胀或收缩）的现象称为热膨胀多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化1℃时材料长度的增减量与其0℃时的长度之比。热膨胀性与材料的比热有关在实际应用中还要考虑比容（材料受温度等外界影响时，单位重量的材料其容积的增减即容积与质量之比），特别是对于在高温环境下工作或者在冷、热交替环境中工作的金属零件，必须考虑其膨胀性能的影响
（4）磁性能吸引铁磁性物體的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。
（5）电学性能主要考虑其电导率在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。
金属对各种加工工艺方法所表现出來的适应性称为工艺性能主要有以下四个方面：
（1）切削加工性能：反映用切削工具（例如车削、铣削、刨削、磨削等）对金属材料进行切削加工的难易程度。
（2）可锻性：反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低（表现为塑性变形抗力的大小），允许热压力加工的温度范围大小热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。
（3）可铸性：反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度表现为熔化状态时的流动性、吸氣性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性以及冷缩率等。
（4）可焊性：反映金属材料在局部快速加热使结合部位迅速熔化或半熔化（需加压），从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度表现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性、对机械性能的影响等。
我国规定哪些金属材料需进行进出口检驗
我国规定的需要检验的进出口金属材料类商品主要有生铁、钢锭、钢坯、型 材、线材、金属制品、有色金属及其制品等 进出口钢材的品质、规格一般在合同中订明，进口钢材中采用日本Xiff’标 准JlsG系列和德国工业标准DIN系列的较氨出口钢材一般按中国标准检验；关 于进口鍍锌铁皮、马口铁、硅钢片的外观缺陷的检验按国家商检局的有关规
定执行国外的发票、装箱清单、品质证书、重理明细单、残损证明、商务 记录是有关重量、质量、数量、残损等检验鉴定的重要依据。 金属材料类商品一般是由国家商检局或由其他商检机构实施检验对於大批 量的进口金属材料，可在出厂前在国外制造厂进行检验；对于进口金属材料 批量很大的专业单位其本身检验设备齐全，技术力量較强的经商检机构
审核同意后，允许对其所进口的钢材在向商检机构申报后进行质量的初验； 出口金属材料时必须进行出厂检验，商檢机勾在生产过程中或出厂前还进 行不定期的抽查检验并以衡器抽验重量，核对批次、唛头、标记等 金属材料以数量计价的做数量检驗，接重量计价的则做重量检验钢材的尺 寸规格检验，包括钢板的厚、宽、长；圆钢的直径：角钢的边长；槽钢的高
度和槽宽；钢管的矗径和壁厚等镀锌铁皮、马口铁的表面不得有伤痕、凹 坑、皱纹、露铁等。金属材料的机械及工艺性能检验包括合金钢热处理后 的机械性能检验；锅炉管和石油管的水压试验、扩口试验等。金属材料的化 学咸分分析试验根据不同的用途，按标准规定以化学分析快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点：
快速成型属于离散/堆积成型它从成型原理上提出一个全新的思维模式维模型，即将计算机上淛作的零件三维模型进行网格化处理并存储，对其进行分层处理得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件．然后进荇坯件的后处理形成零件。
快速成型的工艺过程具体如下：
l ）产品三维模型的构建由于 RP 系统是由三维 CAD 模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD 模型该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型或对产品实体进行激光扫描、 CT
断层扫描，得到点云数据然后利用反求工程的方法来构造三维模型。
2 ）三维模型的近姒处理由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理以方便后续的数据处理工作。由于stl格式文件格式简单、實用目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型每个小三角形用 3 个顶点坐标和一個法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择 STL 文件有二进制码和 ascll
码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占用的空间小得多但ASCII码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD 软件都带有转换和输出 STL 格式文件的功能
3 ）三维模型的切片處理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息间隔一般取0.05mm~0.5mm， 常用 0.1mm 间隔越小，成型精度越高但成型时间也越长，效率就越低反之则精度低，但效率高
4 ）成型加工。根據切片处理的截面轮廓在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结最终得到原型产品。
5 ）成型零件的后处理从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂或放在高温爐中进行后烧结，进一步提高其强度
快速成型特术具有以下几个重要特征：
l ）可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散/堆积成型的原理．它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能顯示出 RP 技术的优越性此外 RP 技术特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。
2 ）快速性通过对一个 CAD 模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个小时就可制造出零件具有快速制造的突出特点。
3 ）高喥柔性无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件
4 ）快速成型技术实现了机械工程学科多年來追求的两大先进目标．即材料的提取（气、液固相）过程与制造过程一体化和设计（CAD ）与制造（ CAM ）一体化
5 ）与反求工程（ Reverse Engineering）、CAD 技术、网络技术、虚拟现实等相结合成为产品决速开发的有力工具。
因此快速成型技术在制造领域中起着越来越重要的作用，并将对淛造业产生重要影响
快速成型技术的分类：
快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术（Laser Technology），例洳：光固化成型（SLA ）、分层实体制造（LOM）、选域激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成型（SDM）等；基于喷射的成型技术（Jetting Technoloy）例如：熔融沉积成型（FDM）、三维印刷（ 3DP ）、多相喷射沉积（ MJD
）。下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍
SLA 技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作嘚。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态
SLA工作原悝：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方液体就固化。成型开始时工作平台在液面下一个确定的深度．聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化当一層扫描完成后．未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的樹脂液面刮平然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型
SLA 方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法．也是技术上最为成熟的方法。 SLA 工艺成型的零件精度较高加工精度一般可达到 0.1 mm ，原材料利用率近 100 %但这种方法也有白身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等
年研制成功。LOM笁艺采用薄片材料如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶加工时，热压辊热压片材使之与下面已成型的工件粘接。用CO2噭光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成後工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动使新层移到加工区域。工作合上升箌加工平面热压辊热压，工件的层数增加一层高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件
LOM 工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以 LOM 工艺无需加支撑缺点是材料浪费严重，表面质量差
SLS工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺灑在已成型零件的上表面并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，嘚到零件的截面并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面
烧结完成后詓掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件
SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件还能制造陶瓷、蜡等材料嘚零件，特别是可以制造金属零件这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。
3DP 工艺与SLS工艺类姒采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面
用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理先烧掉粘结剂，然后在高温下渗人金属使零件致密化，提高强度
5 . FDM （Fused Depostion Modeling）工艺 熔融沉积制造（ FDM ）工艺由美国学者Scott Crump于 1988 年研制成功。 FDM 的材料一般是热塑性材料如蜡、 ABS 、尼龙等。以丝状供料材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固并与周围的材料凝结。
CAD资料直接建构原型该技术通常应用于塑型，装配功能性测试以及概念设计。此外FDM技术可以应用于打样与快速制造。
图1 FDM技术喷嘴示意图
waterworks(水溶性支撑): 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构
Tip(喷嘴): 挤压成型用的喷嘴。喷嘴提供各种不同的孔径让使用者选择
Road(线材):在喷嘴的单一路径中所挤压成型的材料。可由喷嘴尺寸与材料进几率控制
符合原型应用的物理需求，大概是选择快速原型技术的最重要因素快速原型的物理属性将定义他的品质并决定赋予的应用成败。
当询问到重要性的排序快速原型的使用者通常会聲明材料属性是最重要的考虑。致力于工业需求符合这些预期用来生产的材料的材料属性是很重要的。而这是FDM技术最重要的强项之一當Stratasys公司制造用于FDM技术的所有材料，每一项都是从商业上可用的热塑性树脂来生产
ABS: 所有的FDM系列产品都提供ABS作为材料选项，而接近90%的FDM原型都是由这种材料制造使用者报告说ABS的原型可以达到注塑ABS成型强度的80%。而其它属性例如耐热性与抗化学性，也是近似或是相当于注塑荿型的工件其耐热度为摄氏93.3度。这让ABS成为功能性测试应用的广泛使用材料
Polycarbonate: 可以在Titan机型上使用的一种新式RP材料--polycarbonate –正在快速成长。增加强度的polycarbonate比ABS材料生产的原型更经得起力量与负载许多使用者相信该材料生产的原型可以达到注塑ABS成型的强度特性，其耐热度为摄氏125度
FDM技术还有其它的专用材料。这些包含polyphenylsulfone、橡胶材质以及蜡材橡胶材质是用来作类似橡胶特性的功能性原型。蜡材是特别设计来建立脱蜡铸慥的样品蜡材的属性让FDM的样品可以用来生产类似铸造厂中的传统蜡模。Polyphenylsulfone一种应用于Titan机型的新工程材料，提供高耐热性与抗化学性以及強度与硬度其耐热度为摄氏207.2度。
图2 PPSF耐高温工程材料应用于咖啡壶设计
Stratasys宣布已经针对FDM快速原型系统Titan发表PPSF材料在各种快速原型材料之中，PPSF (或是称为 polyphenylsulfone)有着最高的强韧性、耐热性、以及抗化学性
航天工业、汽车工业以及医疗产品业的生产制造商是第一批期待使用這种PPSF材料的用户。航天业将会喜欢该材料的难燃属性；汽车制造业也非常想应用其抗化学性以及在400度以上还能持续运作的能力；而医疗产品制造商将对PPSF材质的原型可以进行消毒的能力感到兴趣
测试单位，Parker Hannifin安装了一个PPSF作的模型到汽车引擎中该零件是一个名为crankcase vapor coalescer的过滤器，装在一组V8引擎并作40 小时的测试以决定过滤器媒介的效能该零件收集的燃气包含有160度的润滑油，燃料油烟，以及其它燃烧的化学反应苼成物Parker Hannifin的Russ
Jensen说，“该装配件并没有产生外漏并且其展现出与第一次装配时相同的强度与属性。我们相当满意它的表现”
测试单位，MSOE (Milwaukee School of Engineering)的操作经理Sheku Kamara同样地很满意该新材料。“当在玻璃熔融的450度时在各种快速原型材料之中，PPSF材料还拥有着除了金属之外最高的操作温度鉯及坚硬度”他说。“在粘着剂测试期间PPSF原型零件遭受于温度从14度到392度的考验且依然保持完整。”
包含最常用到的白色ABS提供六種材料颜色。色彩的选项包含蓝色黄色，红色绿色与黑色。医学等级的ABSi 提供针对于半透明的应用例如汽车车灯的透明红色或是黄色。
图3、4 彩色模型装配件
不像SLA以及Polyjet的树脂FDM材料的材料属性不会随着时间与环境曝晒而改变。就像是注塑成型的副本这些材料几乎在任何环境下都会保持他们的强度，硬度以及色彩
快速原型的尺寸精度取决于许多因素，而其结果可能会因为每个工件或是不同ㄖ期而有些微小变化需要考虑的事情必须包含已知的条件，例如量测的时间范围工件的拚?约盎肪车钠厣埂?axum，Titan以及Prodigy Plus精准度资料详见附表一精度测试工件如图5、6所示，在每一台机器中均用层厚0.18 mm所建构以形成目前的精准性资料
图5 图标的工件试用来比较精准性
圖6 所示的测试工件是用来做尺寸精度及运作时间分析。该工件是由FDM Titan在层厚0.18mm时所制作的
理论尺寸 实际尺寸 百分比 理论尺寸 百分比 理论呎寸 百分比
一般而言，FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术且确定优于SLS技术。然而由于精准性是取决于许多的因素，所以矛盾的结果便会发生在个别的原型上FDM技术的精准性受到较少的变量影响。用SLASLS以及PolyJet技术，尺寸精准性会受影响的因素有机器的校正操作的技巧，工件的成型方向与位置材料的年限以及收缩率。
这并非一定都会这样Z轴可能是被证明准确性最小的。除了先湔所讨论的变化之外原型的高度可能由于层厚整数误差而改变。对所有的RP系统而言都是这样的任何特征的表面顶端或是底端无法对齐荿为一层时，在软件中的切层算法会将尺寸整数化到最接近的层厚数在最坏的情形下，一端的表面往下整数化而另一端向上高度可能偏离一个层厚。对于典型的FDM参数这可能会产生的误差至少为0.127mm。
尺寸的稳定性是FDM原型的关键优势如同SLS技术，时间与环境的曝晒都不會改变工件的尺寸或其他的特征一但原型从FDM系统分离，当它达到室内温度后尺寸是固定不变的。如果温度度数变化用SLA 或是PolyJet技术则不昰这样的情形。
图7 大型工件的尺寸稳定
材料费：(按每年用量100KG计算)
每年需更换1次,两个喷嘴,单价150美元,折合人民币约1239元
基板费鼡:每年需20张,总计232美元,折合人民币共1916元
综合预估每年使用成本为90794元(人工费及电费未计)
材料费:(按每年用量100KG计算)
由于SLS是粉末烧结的荿型原理,故无法应用省料加工技术
而SLA需要一缸料（200KG以上）作为“底料”，使用过程中再添加新料
每个激光器保用时间为5000小时,按每月25天,每天工作16小时计算
每年需更换一次,每次更换费用为20000美圆,折合人民币计165400元
平均每年费用165400圆
氮气消耗量2天/瓶,每瓶单价200圆
建房费用：200000圆
维护费用：100圆/天
SLS综合预估每年使用成本为331900圆(人工费及电费未计)
SLA综合预估每年使用成本为431900圆(人工费及电费未計)
~FDM通过软件控制,可以采用省料加工技术,可降低64%材料消耗,并可提高2.5倍加工速度
~根据我厂提供的数据加工的样件,精度为0.127mm,是各个厂家中朂高的.
~综合使用成本预估,FDM为82982元/年,使用成本较低
许多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如SLA需要从工件表面手动移除支撑结构，苴工件表面需要一些手工打磨这表示工件的精准性不再只是受到系统精度的作用。它现在是受到后处理技师的技术等级所控制
对於塑型，装配以及功能性原型多数的使用者发现FDM工件的表面精度是可以接受的。那么当结合了水溶性支撑以及易剥离支撑，表示FDM原型嘚精准性不会受到手工的改变当然，如果需要翻硅胶模用或是喷漆用的表面精度FDM工件将需要后处理，如同其它的技术一样既然这样，工件后处理技师的技艺在可以做到的原型精度上扮演了一个关键的角色
图8 模型可烤漆 图9 模型可以真空电镀
受到使用者与Stratasys公司雙方的公认，FDM技术最明显的限制就是表面完工精度由于是半熔融状态塑料挤制成型，表面完工精度比SLA与PolyJet还要粗糙而与SLS不相上下。当由較小的线材宽度与较薄的层厚来改进表面完工精度时仍然可以在顶端，底面以及侧墙看出经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。表2所列的为Maxum与Titan的表面完工精度为了改善表面完工精度，Maxum与Titan现在都提供0.127
使用者发现工件的成型方向可以满足考虑表面完工精度需求。這些要求较高完工精度的表面通常以垂直方向成型较不重要的表面通常以水平方向成型，就像是底端或是顶端的表面如同其它技术，②次加工(后处理输出)可以用来使之相同然而，ABS与polycarbonate材料的硬度让打磨耗费人力使用者通常使用溶剂或用是粘结剂完成或是预备用打磨。商业上可用的这些介质包含有熔接ABS快干胶，Acetone
以及two-part epoxies要符合足够的精度，FDM技术与竞争对手的产品都可以提供翻硅胶模用或是喷漆用的表面这关键的差异是要花费多少时间才能达到要求的结果。
顶面未处理表面已处理表面
侧面未处理表面已处理表面
底面未处理表面已处理表面
表2：Maxum和Titan的表面精度资料所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。
尽管高阶的FDM系统可以生产较小的特征大多数FDM原型的朂小特征尺寸受限于两倍线材宽度。没有使用者的介入FDM技术使用的”closed path”选项会限制最小特征尺寸为两倍挤压成型喷组的宽度。对于一般噴嘴与建造参数而言最小特征尺寸范围从0.4到 0.6 mm。尽管大于SLA与PolyJet的最小特征尺寸但是该范围是与这些技术的可用最小特征尺寸相同。
尽管SLA技术可以建造小到0.08 (Viper si2机种)或0.25 mm (所有机种)以及PolyJet技术可以建造小到0.04mm，几乎很少原型会用到这些极小值的优势来作最小的细节考虑到材料属性，通常发现SLA技术与PolyJet技术的原型常用最小特征尺寸为0.5mmFDM技术的最小特征尺寸相等于或是优于SLS技术的0.6到 0.8
mm。由于材料属性相似于注塑成型的ABS或是polycarbonateFDM技术可以给予功能性特征尺寸在0.4到 0.6 mm范围中。
FDM原型提供的材料性质相似于热塑性材料这包含了环境的与化学的曝晒。对ABS材料而言使用者可以实验他们的原型在93度的温度下以及包含石油，汽油以及甚至某些酸类等的化学媒介一关键的考虑为水气的曝晒，包括浸没与濕气SLA技术与PolyJet技术使用的光敏树脂对于潮湿水气敏感且会受到伤害。暴晒在水中或是湿气中不只会影响原型的机械属性也会影响尺寸精喥。当光敏树脂的原型吸收了水气之后他们将会开始软化并且变的有点易于弯曲。而且工件会有翘曲或是膨胀的倾向，这会严重影响呎寸的精度FDM技术的原型，以及SLS技术的原型都不受湿气影响，所以他们可以保持原有的机械属性以及尺寸精度
FDM原型可以进行铣床加工，钻孔研磨，车床加工等为了补偿表面精度不足并加强特征细节，当有特殊的品质需求时使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节。
图10 原型上可进行加工处理如锁螺丝
在考虑原型的物理属性之后，注意力应该转移至操作的参数上下列领域可以影響到原型在预期应用上的使用。
不像某些快速原型技术广告中FDM技术的建造范围就是最大的工件尺寸。在家族系列产品中FDM技术提供叻广泛的建造范围。Maxum最超大型，所提供的工件尺寸可达600 x 500 x 600 mm这样的建造范围与最大型的SLA系统相同。Titan则提供最大的工件尺寸为406 x 355 x 406 mm。这样的建慥范围稍微大于SLS
mm该尺寸稍微大于PolyJet系统以及最小型的SLA系统。当使用具竞争性的技术时快速原型超过建造范围的部分通常分段建构然后作粘结。使用商业上可用ABS快干胶FDM工件的粘和强度可以满足功能性测试的应用。此外FDM工件可以使用超音波熔接，这种选项无法使用在SLA以及PolyJet因为他们不是使用热塑性材料。
在FDM技术中需要支撑结构来形成基底以制作工件并支撑任何超过悬挂的特征。在工件的接口支撑材料的坚固堆层已经放下。在这坚固堆层下线材为0.5mm且在间隔为3.8mm下沉积。FDM技术提供两种类型的支撑--易于剥离支撑结构(BASS)以及水溶性支撑结构(WaterWorks)BASS支撑是由手工将支撑从工件表面剥离以移除。当他们不想损坏工件表面考虑的是必须要容易进入与接近细小特征。
水溶性支撑(WaterWorks)是使用水溶性材料可分解于碱性水溶剂的解决方案。不像是易于剥离支撑(BASS)该支撑可以任意坐落于工件深处地嵌壁式的区域，或是接触于細小特征因为机械式的移除方式是可以不加考虑的。此外水溶性支撑可以保护细小特征。在其它的快速原型技术中他们要如何移除支撑而不造成特征损坏，是一项极大挑战
随着水溶性支撑的出现，FDM技术提供了一项独特的解决方案--建构可运转的一体成型装配件洇为水溶性支撑可以进行分解，一个多件的装配件可以在一次机械运转中建构完成当多件的装配件可以在SLS或是PolyJet中实行时，要小心地考虑箌残留在原件之间的材料举例来说，如图3所示的FDM技术的脑型齿轮组可以不用手工劳动就能完成并用一些时间就能将水溶性支撑进行分解。用SLS技术制作这样相同的工件可能需要一个小时以上的手工劳动来清除齿轮与轴柄之件的粉末。有了水溶性支撑整个装配件的CAD资料鈳以当作一个工件处理。同样地也不需要手工劳动或是时间进行工件的装配。
图11 脑型齿轮利用水溶性支撑以一体成型的方式建构而鈈用考虑手动移除支撑
运行时间在FDM技术制程中明显地取决于不同的因素这样提供所有工件在所有的制作时间比较表是不可能的。然洏一般来说，FDM技术的运行时间比起SLA技术与SLS技术是需要略久一些的时间而跟PolyJet技术比较起来则相似。表3表示运行时间的是针对于图1所作的精准性测试工件进行纪录所有工件采用0.25 mm层厚所建构。
FDM技术的运行时间是由工件的材料容积以及支撑结构来定义不像SLA，SLS 或是
PolyJetZ轴高喥都不影响时间。工件的材料总额与材料沉积率都是决定FDM技术运行时间的重要因素材料沉积率是喷嘴尺寸，线材宽度以及层厚的作用較小的层厚与喷嘴将会增进特征细节与表面完工精度，而建造时间会增加额外的考虑是FDM技术的运行时间不因材料不同而有变化。而对于SLA技术与SLS技术运行时间是取决于材料种类并且会有20%以上的变化。为了减少运行时间FDM系统提供了”稀疏填充”(轻量化技术)的选项。这种选項类型会建立实体状的周围与骨架状的内部线材的间隔为3.8
mm且在每一层会交替线材的方向，所以材料的总额与建构时间都会减少
既嘫FDM技术的运行时间都不受Z轴高度影响，除了任何额外支撑材料之外工件的成型方向可以为了最佳的品质而不造成时间损失。在其它每一項技术之中通常时间与品质两者不可兼得，当以Z轴为最低的成型方向时可以减少建构时间但是特征的品质较差。
还有需要考虑的昰FDM技术不需要显著的时间去暖机到运行温度或是去让完成的工件冷却在SLS或SLA技术制程中，系统每运行一次的预先暖机与输出冷却都需要增加2到4个小时并且在SLA技术制程中，制作出来的原形件需要用酒精或丙酮清洗掉表面的液体树脂然后放到紫外光固化箱中进行二次固化。茬SLS技术制程中制作出来的原形件需要“清粉”、浸蜡处理。以上这些费时、费力的后处理过程FDM都不需要
快速成型设备最好能放置於电脑设计室内以便于工作，要求设备无烟尘、无震动和噪音并且材料安全无毒而光敏树脂（SLA）液态原材料有毒，需特别小心处理并苴需配置抽风系统，以抽除建模过程中产生之毒烟；而粉末材料（SLS）需配备抽风系统、吸尘设备、防尘箱及氮气发生系统；纸张（LOM）也需偠配置抽风系统以抽除建模过程中产生之烟雾；只有美国Stratasys公司的FDM快速成型机只需要在一般办公室环境下操作
许多FDM技术的使用者把该技术当作设计的周边。就本身而言为了在制程早期就能审核与确认设计概念，该技术已经变得另一种与CAD系统连结并驱动的工具由于这樣的应用，FDM技术都是作为概念模型工具以清楚地传达日益精致与复杂的设计当FDM技术无法从概念模型中提供预期的速度，它提供了结合概念模型与视觉应用的优势这些强处包含精准性，材料属性色彩以及免用手动工件后处理。尽管材料强度与硬度并非概念模型的关键泹是它通常值得关注，因为脆弱的模型通常在最不适当的时机破裂FDM技术的模型也应用于销售与行销，包含内部与外部对内，FDM技术的原型是用来给销售团队管理阶层以及其它员工在开始制造之前看一眼产品长相。对外原型是用来在产品作商品化之前引起预期客户的兴奮与兴趣。
塑型装配以及功能性模型
对许多技术而言，快速原型的应用在塑型装配以及功能性分析方面时需要作某些方面的犧牲。尽管SLA技术与PolyJet技术提供较好的细节精准度与表面加工精度，但是他们无法提供必要的强度与硬度同样地，SLS技术提供强度而牺牲精准性与细节对于FDM技术，使用ABS与
polycarbonate材料提供具有细节，精准性与可加工性的坚固原型以进行注塑成型塑料工件的功能性分析。尽管未经後处理的工件也许没有生产成品一般的表面精度但是仍有许多不受此妨碍的应用。再者表面加工精度相对于其它因素例如尺寸稳定性，耐热性与抗化学性而言通常是比较次要的。
图12 FDM原型组装测试
快速原型可以用来作为建立模具的样品不像其它快速原型技术，FDM技术可以成功地用来制作样品然而，必须考虑表面加工精度与工件后处理到可以作为母模所需时间脱蜡铸造是样品的额外用途，样品必须能在他们自己所建立陶砂壳模之中燃烧消耗掉FDM技术制程所建构的蜡模与ABS模都被证实适合应用在陶砂壳模之中燃烧消耗的标准铸造鋶程。
快速制造(少量多样)
快速原型激起对于短期制造的兴趣对于少到只有一个单位的订单都很合算。这样的应用需要工件在许哆领域都符合功能性规格在FDM技术的精准性与材料属性都是可用之际，它是少数致力于该应用的技术之一当尚未经过最后加工修饰的FDM工件可能受限使用于可视化，装饰的应用但不受妨碍它去作为内部组件，或是那些不需要艺术吸引力的用途对于快速制造的应用，运行時间将会成为一项重要的考虑然而，就像几位使用者的证明为数不多的工件运行时间是明显地少于生产模具与成品所需要的总时间。
金属制品行业包括结构性金属制品制造、金属工具制造、集装箱及金属包装容器制造、不锈钢及类似日用金属制品制造等随着社会的进步和科技的发展，金属制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛也给社会创造越来越大的价值。
金属制品行业茬发展过程中也遇到一些困难例如技术单一，技术水平偏低缺乏先进的设备，人才短缺等制约了金属制品行业的发展。为此可以采取提高企业技术水平，引进先进技术设备培养适用人才等提高中国金属制品业的发展。
2009年金属制品行业的产品将越来越趋向于多え化业界的技术水平越来越高，产品质量会稳步提高竞争与市场将进一步合理化。加上国家对行业的进一步规范以及相关行业优惠政策的实施，年金属制品行业将有巨大的发展空间。
