關(guān)于不同金屬3D打印增材制造技術(shù)對(duì)比研究

曹柯 李彪 王彬

摘? 要：3D打印技術(shù)是通過數(shù)字三維軟件，利用豐富多樣的原料進(jìn)行增材制造，經(jīng)過40多年的發(fā)展，如今已經(jīng)涵蓋幾乎所有材料種類，在這些眾多的原材料中，金屬增材制造的發(fā)展尤為突飛猛進(jìn)，其3D打印成品已經(jīng)廣泛用于航空航天、工程建筑、醫(yī)學(xué)治療等重量級(jí)領(lǐng)域，不少國(guó)家已經(jīng)將3D打印增材制造技術(shù)列為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，本文詳細(xì)介紹以金屬為原料加工的SLS（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）、LCD（激光熔敷沉積技術(shù)）、SLM（選區(qū)激光熔化技術(shù)）、3DP（三維焊接）以及EBM（電子束熔融技術(shù)）等技術(shù)，并將其進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，探究其未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：3D打印;增材制造;SLS;SLM;LCD

3D打印技術(shù)即增材制造技術(shù)，從上世紀(jì)80年代誕生，與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比較，3D打印更加靈活，能夠結(jié)合三維軟件技術(shù)，利用特種材質(zhì)打印出各種各樣的工件模型，不受結(jié)構(gòu)影響和束縛，甫一問世，便受到社會(huì)各界的高度關(guān)注，發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了以各種原材料進(jìn)行加工制作的成熟可商用的增材技術(shù)，例如SLS（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）、LCD（激光熔敷沉積技術(shù)）、SLM（選區(qū)激光熔化技術(shù)）、3DP（三維焊接）以及EBM（電子束熔融技術(shù)）等技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療、建筑、影視等諸多領(lǐng)域^[1]。雖然存在技術(shù)差異，但是基本原理相通，都是利用了離散—堆積理念進(jìn)行數(shù)字化成形，下文通過對(duì)這些不同金屬 3D 打印增材制造技術(shù)的對(duì)比，探究各技術(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn)和打印效果。

1不同金屬3D打印增材制造技術(shù)分析

3D打印技術(shù)根據(jù)成形材料的沉積狀態(tài)，可以將其分為SLS、SLM、LCD、3DP、EBM5種。

1.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)——SLS

SLS技術(shù)的原理是利用激光的能量對(duì)材料進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)，又被稱為選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，最早是出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代末，具體操作是通過將原料粉末均勻鋪平在成形的零件上方，通過激光進(jìn)行燒結(jié)，這樣材料粉末就與底層零件燒結(jié)在一起，每燒結(jié)一層便重新鋪上新的粉末，然后重復(fù)操作，便可以得到一個(gè)完整的零件。該工藝對(duì)材料的限制較低，因此選材較為廣泛，例如常見的尼龍、樹脂、蠟、金屬、陶瓷等都可以用于該技術(shù)，這也是SLS最大的優(yōu)勢(shì)，此外，SLS還具有工藝簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、成型速度快等優(yōu)點(diǎn)。主要的缺點(diǎn)有：通過粉末燒結(jié)而成，零件表面粗糙，內(nèi)部多孔、密度較低，主要用于鑄造業(yè)快速建模。

1.2選區(qū)激光熔化技術(shù)——SLM

SLM技術(shù)是在激光的高能量集中作用下，將金屬粉末完全熔化，經(jīng)散熱凝固后與基體金屬冶金焊合，然后逐層累積成型出三維實(shí)體。由于SLM技術(shù)采用激光束進(jìn)行化學(xué)作用，被作用金屬粉末將熔化凝固，因此對(duì)激光的能量密度較高，需要超過106W/cm²，當(dāng)前市面上常見的激光發(fā)射器有Nd-YAG、Co2激光器以及光纖激光器等。SLM同樣采用激光作為能源，SLS是激光燒結(jié)，而SLM是激光熔化，兩者都是對(duì)金屬粉末進(jìn)行物理化學(xué)作用，但是SLS技術(shù)在加工制作過程中沒有對(duì)金屬進(jìn)行熔化操作，因此成型材料帶有孔隙，韌性較差。SLM技術(shù)通過對(duì)金屬原料的熔化可以直接成型，精度和韌性較好。SLM主要采用的金屬原料有：合金、鐵基合金、銅合金、鈦合金等^[2]。

1.3激光熔敷沉積技術(shù)——LCD

激光熔敷沉積技術(shù)是一種表面改性技術(shù)，將基層原料和表面粉末薄層進(jìn)行融合，可以有效改善基層材料的耐用性和抗氧化性，具有密度大、結(jié)合緊密等特點(diǎn)，市場(chǎng)應(yīng)用十分廣闊，當(dāng)前，該技術(shù)主要用于：（1）材料表面改性，例如渦輪葉片、齒輪等;（2）成品表面改性，可以增強(qiáng)產(chǎn)品強(qiáng)度和精度，延遲產(chǎn)品使用壽命;（3）增材制造，通過逐層熔覆，獲得精度高、耐用性強(qiáng)的3D部件。主要使用材料包括：合金、不銹鋼粉、鈦合金等。

1.4三維焊接——3DP

3DP工藝是將金屬粉末通過液態(tài)粘結(jié)劑粘結(jié)在一起，這種方式成型的產(chǎn)品并不純碎，并且與SLS技術(shù)類似，產(chǎn)品韌性、強(qiáng)度和力學(xué)特性差，通常還需要其他技術(shù)進(jìn)行處理。3DP 技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、制作靈活、精度較高，可以對(duì)粉末大小進(jìn)行精度控制，在后期技術(shù)處理后，密度也能達(dá)到使用要求，與其他技術(shù)相比，3DP沒有使用激光能束等其他價(jià)格高昂的設(shè)備，成本控制在較低水平，極具性價(jià)比^[3]。

1.5電子束熔融技術(shù)——EBM

EBM技術(shù)是在真空環(huán)境中將電子束焊接工藝熔化金屬絲材或金屬粉末材料，按照設(shè)定的路徑逐層堆積而成形出金屬制件，該技術(shù)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境具有較高的要求。在材料選用方面，由于電子束技術(shù)限制，只能選用具有導(dǎo)電性能好的金屬材料，例如鋼、鈦合金、鎳合金等，此外，電子束還可用于對(duì)光能具有較高反射作用的金屬沉積成形，因此能源利用率較高。EBM增材技術(shù)主要應(yīng)用于航空、醫(yī)療、汽車制造等領(lǐng)域。電子束需要用到真空環(huán)境，成本昂貴，同時(shí)容易產(chǎn)生伽馬射線污染。

2不同金屬3D打印增材制造技術(shù)對(duì)比研究

上述各項(xiàng)3D打印增材制造技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域和技術(shù)方向，沒有哪一種技術(shù)能夠包打天下，在進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需要選用合適技術(shù)和方法。

3結(jié)語(yǔ)

3D 打印增材制造技術(shù)是在工業(yè)化高度發(fā)展下出現(xiàn)的，順應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)需求，金屬3D 打印增材制造技術(shù)的不斷成熟，促進(jìn)了航空、醫(yī)療、建筑、汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)人們生活水平提升和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展具有積極作用，在市場(chǎng)中要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用好這些技術(shù)，深入挖掘技術(shù)和市場(chǎng)潛力，造福人類。

參考文獻(xiàn)

[1]? 李素麗. 不同金屬3D打印增材制造技術(shù)對(duì)比分析[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2016，000（006）：6-8.

[2]? 張曉剛，李宗義，張昊，等. 關(guān)于不同金屬3D打印增材制造技術(shù)對(duì)比研究[J]. 信息記錄材料，2019，020（008）：28-29.

[3]? 楊啟云，吳玉道，仲守亮. 3D打印專用金屬粉末的特性研究[C]// 全國(guó)粉末冶金學(xué)術(shù)會(huì)議暨海峽兩岸粉末冶金技術(shù)研討會(huì). 2015.