金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及制約因素

黃 忠 ，韓 江

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2.安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽合肥230009）

3D打印技術(shù)實(shí)質(zhì)是增材制造，即將原材料按照層層堆積的方式成形的新技術(shù)。該技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)成形軟件，建立零件三維模型，同時(shí)利用切片軟件將零件的三維模型進(jìn)行逐層切片處理，再利用3D打印設(shè)備按照零件模型特點(diǎn)自下而上逐層將實(shí)體零件堆積而成。這種技術(shù)無(wú)需刀具模具，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以解決的復(fù)雜零件制造，并且在零件制造過(guò)程中，節(jié)省工裝、夾具的設(shè)計(jì)制造，極大的簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，提高了生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期。目前該技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、建筑模型制作、藝術(shù)品修復(fù)、生物醫(yī)療、航空航天零部件、影視模型設(shè)計(jì)制作、生活消費(fèi)品設(shè)計(jì)等方面得到良好的應(yīng)用。根據(jù)生產(chǎn)工藝、加工材料、應(yīng)用場(chǎng)合的不同，3D打印可分為：利用液態(tài)樹(shù)脂打印成形的光固化技術(shù)（SLA）；熔融沉積（FDM）工藝：如對(duì) ABS塑料絲、聚碳酸脂（Polycarbonate，PC）、聚乳酸（PLA）打印成形等；激光選區(qū)燒結(jié)工藝（SLS）不僅可以成型尼龍、石蠟等低熔點(diǎn)的材料粉末，還可以直接成型金屬粉末，甚至一些高熔點(diǎn)材料，如：不銹鋼、陶瓷等[1]。在各類(lèi)材料的3D打印中，以金屬3D打印技術(shù)最具潛力和發(fā)展前景。而根據(jù)打印成形方式不同，可將金屬3D打印分為以下類(lèi)型：選擇性打印成形、熔覆打印成形、超聲波3D打?。║AM）技術(shù)（屬于焊接打印）、熔滴打印成形。

1.金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)最早起源于20世紀(jì)后期，主要由美國(guó)、日本先后提出這種3D打印概念。金屬3D打印技術(shù)，是在20世紀(jì)90年代先后在美國(guó)、德國(guó)、瑞典均有所突破和應(yīng)用。如：美國(guó)率先提出了激光熔覆沉積成形技術(shù)（LDMD），德國(guó)2002年成功研制出選擇性激光熔化（SLM）打印方法，瑞典于2003年率先推出電子束選擇性熔化成形（EBSM）商用設(shè)備。

我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展與其他國(guó)家基本同步。目前，我國(guó)從事金屬3D打印技術(shù)方向研究與探索的機(jī)構(gòu)，主要由一些高校（如：清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等）和研究所構(gòu)成。

2 金屬3D打印技術(shù)的種類(lèi)及其特點(diǎn)[2]

2.1 選擇性打印成形

選擇性打印成形就是在3D打印設(shè)備成形區(qū)均勻鋪設(shè)一層金屬粉末，經(jīng)過(guò)燒結(jié)、熔化、粘接等方法完成單層平面圖像的打印，再逐層完成鋪粉打印疊加的過(guò)程，最終完成零件的制作。選擇性打印成形主要有：選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、電子束選擇性熔化（EBSM）、三維打?。?DP）等方法。

2.1.1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）

1986年，美國(guó)德克薩斯州大學(xué)C.R.Deckard率先提出選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。選擇性激光燒結(jié)(SLS)成形過(guò)程如下：通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)零件三維模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)模型進(jìn)行切片處理，從而得到零件分割成若干層，并獲得各層的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用計(jì)算機(jī)對(duì)打印機(jī)激光束進(jìn)行控制，確保激光束按照切片數(shù)據(jù)對(duì)粉末層進(jìn)行燒結(jié)。成型粉末在激光照射下熔化并凝固，再通過(guò)鋪粉、燒結(jié)、再鋪粉、再燒結(jié)，如此反復(fù)，最終制成所需的實(shí)體零件。 如圖（1）所示。

圖1 SLS工藝原理圖

選擇性激光燒結(jié)工藝特點(diǎn)：1、應(yīng)用范圍十分廣泛，能適應(yīng)塑料、陶瓷、金屬等不同材質(zhì)零件的生產(chǎn)。2、為傳統(tǒng)工藝無(wú)法解決的單個(gè)、小批量復(fù)雜件的生產(chǎn)提供了新方法。3、制作過(guò)程中，受熱影響較小，因此制件變形小，形狀精度高，該工藝可將零件整體公差控制在±（0.05-2.5）mm。 4、SLS 工藝加工金屬材料時(shí)，高熔點(diǎn)材料不熔化，低熔點(diǎn)金屬粉末熔化從而實(shí)現(xiàn)粘接成形，因此，實(shí)體制件力學(xué)性能較差。

2.1.2 選擇性激光熔化（SLM）

1995年，針對(duì)SLS制件中存在燒結(jié)致密性不夠，力學(xué)性能不足等問(wèn)題，德國(guó)率先推出選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)。該技術(shù)集成了SLS工藝優(yōu)點(diǎn)，逐層充分熔化金屬粉末，在惰性氣體保護(hù)下冷卻成形，從而避免金屬在高溫下與其它氣體發(fā)生反應(yīng)，影響性能，從而大大提高金屬制件致密性和力學(xué)性能。如圖（2）所示。目前國(guó)外，德國(guó)在SLM技術(shù)、設(shè)備及其相應(yīng)材料制造的領(lǐng)域均具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，我國(guó)SLM技術(shù)及設(shè)備等研究時(shí)間也較長(zhǎng)，但是發(fā)展較緩慢，目前研發(fā)力量主要集中在一些高校，如:北航、華南理工、華中科技大等［3］。

圖2 SLM工藝原理圖

2.1.3 電子束熔化（EBM）

2003年，電子束熔化（EBM）3D打印成型設(shè)備在瑞典首次面世。EBM技術(shù)工藝類(lèi)似于SLS和SLM,EBM工藝?yán)酶吣茈娮邮Z擊金屬粉末時(shí)，產(chǎn)生局部高溫熔化金屬粉末，從而實(shí)現(xiàn)逐層鋪粉、熔化、冷卻成形。如圖（3）所示。EBM可同時(shí)進(jìn)行多區(qū)域熔化，因此，工作效率高于激光。由于EBM采用真空保護(hù)氣體狀態(tài)下工作，因此制件純度高，致密性好，力學(xué)性能好，殘余應(yīng)力較少，可無(wú)需進(jìn)行后處理，在復(fù)雜零件的快速制造領(lǐng)域有較大優(yōu)勢(shì)[4]。但EBM工藝中，電子束在真空倉(cāng)內(nèi)轟擊金屬粉末動(dòng)能較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)金屬粉末位置變動(dòng)，從而導(dǎo)致成形失敗。因此，為解決EBM成形過(guò)程中出現(xiàn)的金屬粉末移位現(xiàn)象，可適度進(jìn)行粉末預(yù)熱及預(yù)燒結(jié)、缺陷重熔等工藝，從而提高EBM成形質(zhì)量。

圖3 EBM工作原理

2.1.4 三維打印 （Three-Dimensional Printing,3DP）

1992年，美國(guó)麻省理工學(xué)院E.Sachs等人創(chuàng)造性提出"三維打印”（3DP）[5]，即通過(guò)將黏結(jié)材料噴灑在成型區(qū)域，再?lài)姙⒔饘俜勰?，通過(guò)黏結(jié)材料將金屬粉末粘接在一起并迅速固化，完成單層鋪設(shè)，再逐層噴灑鋪設(shè)，直至零件打印成形。利用3D打印技術(shù)制件時(shí)，由于采用特殊材料粘接劑進(jìn)行粘接金屬粉末，因此金屬粉末制備的顆粒較大，確保粘接劑充分填充粉末顆粒間間隙，從而制備出均勻制件。通過(guò)此3D打印技術(shù)獲得的制件與傳統(tǒng)工藝相比，零件性能穩(wěn)固可靠，且要輕60%左右。

2.2 熔覆打印成形

熔覆打印，就是利用高能激光束（激光或電子束）轟擊基體材料，促使基材局部熔化，再將打印材料（如：金屬粉末或金屬絲材）送入基材熔池中，從而實(shí)現(xiàn)與基材一起冶金結(jié)合，通過(guò)逐層打印，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的堆積成形。該成形工藝制造柔性好，生產(chǎn)周期短，加工效率高、制件具備較高的力學(xué)性能。金屬熔覆打印工藝主要有激光工程化凈成型(LENS)和直接金屬沉積（DMD）[6]。

2.2.1 激光工程化凈成型(LENS)

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室率先推出激光工程化凈成型(LENS)工藝，該技術(shù)實(shí)際上綜合應(yīng)用了將激光熔覆制造與選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)。[7]LENS既保留了SLS技術(shù)成型的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免了SLS成型件密度低，力學(xué)性能差的缺點(diǎn)。該技術(shù)生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷主要需要使用高功率激光發(fā)射器，成本高昂。另，由于制件成形過(guò)程中金屬粉末受高能激光束作用造成移位流失，且成形時(shí)受熱較高，成形件內(nèi)應(yīng)力較大，制件精度不高。該工藝主要用于零件的生產(chǎn)、模具的試制成型、修理等。

2.2.2 直接金屬沉積（DMD）

直接金屬沉積（DMD），是利用高能激光束對(duì)基材表面進(jìn)行局部加熱，促使材料局部熔化，并將金屬粉末送入熔化的基材中，從而獲得新的金屬層。如圖（4）所示。該技術(shù)工藝核心是安裝具備反饋功能的送粉裝置，確保燒結(jié)均勻、成形高度穩(wěn)定。DMD制件具備制造件的特征，且其性能要優(yōu)于一般制造件。

圖4 DMD工作原理圖

2.3 超聲波焊接打?。║AM）成形

超聲波焊接打印技術(shù)是利用超聲波技術(shù)，促使金屬箔與基材之間產(chǎn)生高頻振動(dòng)摩擦，同時(shí)在超聲波能量輻射的作用下促使金屬箔片與基材之間的分子互相滲透，從而獲得較高的焊接質(zhì)量，確保制件的機(jī)械性能。然后再利用銑床對(duì)焊接成形件進(jìn)行去除材料加工，得到最終零件。如圖（5）所示。超聲波焊接打印技術(shù)，具有可以實(shí)現(xiàn)低溫金屬3D打?。ㄐ∮诮饘倩w熔融溫度50%）的特點(diǎn)，同時(shí)利用超聲波焊接打印可以對(duì)具有裂縫、裂紋等損傷的表面進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)零件的重復(fù)利用。

圖5 UAM工作原理

2.4 熔滴打?。―rop printing）成形

20世紀(jì)九十年代初，美工率先提出熔滴3D打印技術(shù)，即是利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制熔化金屬材料并以噴墨打印的方式在基板上沉積，通過(guò)連續(xù)分層熔滴打印，最終堆積成型。由于熔滴打印層間結(jié)合，是利用熔滴自身熱量局部熔化沉積層，使得新層與沉積層之間產(chǎn)生冶金結(jié)合。因此利用計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)控制熔滴溫度，可有效控制打印制件內(nèi)的殘余內(nèi)應(yīng)力，充分提高制件質(zhì)量和精度。目前常用熔滴打印技術(shù)主要可分為連續(xù)熔滴打印和按需熔滴打印兩大類(lèi)。

3 金屬3D打印技術(shù)發(fā)展的影響因素

目前金屬3D打印技術(shù)還未在市場(chǎng)應(yīng)用中全面推開(kāi)，究其原因，主要有如下幾方面因素：

3.1 3D打印金屬材料

在金屬3D打印中，采用高能激光束 （或電子束）熔融金屬粉末分層打印時(shí)，金屬粉末質(zhì)量將直接影響制件質(zhì)量。因此，金屬3D打印材料以下幾方面因素影響著金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展：①金屬粉末顆粒，如：粒度不夠、球形度不夠、有雜質(zhì)等均會(huì)增加出現(xiàn)缺陷的概率。②金屬粉末的研制和應(yīng)用范圍有待提高擴(kuò)大。目前金屬3D打印耗材主要是不銹鋼、鈦合金等，還未能實(shí)現(xiàn)所有金屬材料3D打印，因此還無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。③3D打印制件與傳統(tǒng)工藝制件之間內(nèi)部組織還存在差異，因此針對(duì)金屬材料3D打印過(guò)程監(jiān)控、打印材料力學(xué)性能檢測(cè)等方面還有待研究。

3.2 3D打印設(shè)備

雖然3D打印方式成形方式本質(zhì)是增材制造，類(lèi)似于焊接。但由于各類(lèi)金屬制件應(yīng)用場(chǎng)合不同，對(duì)制件的性能要求也就不同，因此金屬3D打印機(jī)目前還無(wú)法滿(mǎn)足各類(lèi)不同需要。

3.3 3D打印效率

3D金屬打印具備柔性制造、節(jié)約成本、可生產(chǎn)鏤空件、定制件等特點(diǎn)，但由于金屬3D打印是采用金屬耗材（粉劑、絲材或箔片）通過(guò)高溫高壓，促使耗材層層疊加，最終成型。這種工藝打印效果相較于傳統(tǒng)工藝效率較低，在大批大量的生產(chǎn)任務(wù)下，還無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)作為一種新型增材制造技術(shù)，有著傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)必將在各種領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為人們的生活提供便利。本文主總結(jié)了當(dāng)前部分常用金屬3D打印技術(shù)的種類(lèi)、打印方式以及相關(guān)影響因素，供大家參考，以便促進(jìn)金屬3D打印技術(shù)更快融入社會(huì)生產(chǎn)，為大眾服務(wù)。

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