激光增材制造研究前沿與發(fā)展趨勢

王 勇,周雪峰

(1.廣東省技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展中心，廣州 510070； 2.廣東省科學(xué)院 智能制造研究所，廣州 510070)

引 言

激光增材制造技術(shù)，又稱3維(3-dimensions，3-D)打印技術(shù)，是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)設(shè)計(jì)成型模型，并采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)中3維結(jié)構(gòu)模型的快速、準(zhǔn)確成型，大大縮短了產(chǎn)品周期，更重要的是可以大大節(jié)省材料，從而降低成本。相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工，激光增材制造通過材料的逐層累加實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件成型，最大程度地節(jié)省材料，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零件的個性化定制。激光增材制造已成為世界各國搶抓創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)機(jī)遇的競爭焦點(diǎn)之一，已在全球范圍內(nèi)迅速走熱。

激光增材制造工藝目前主流的十多種，每種工藝對應(yīng)的材料都不同，設(shè)備和使用要求也更為不同。激光增材制造(3-D打印)技術(shù)過去五年發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了許多新的變革型技術(shù)，如連續(xù)液態(tài)沉積、納米射流噴射打印等；也有在已有的激光增材制造工藝上進(jìn)行深入研究拓展的技術(shù)，如大尺寸多振鏡激光選區(qū)熔化技術(shù)、增減材復(fù)合制造技術(shù)、超高速激光熔覆技術(shù)等。過去20多年間，激光增材制造技術(shù)在應(yīng)用端獲得了長足而深入的發(fā)展，如在航空航天領(lǐng)域、牙科領(lǐng)域、模具等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。

本文中針對激光增材制造中材料、工藝、裝備以及應(yīng)用方面的研究工作，著重總結(jié)激光選區(qū)熔化、激光金屬直接成型當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)展情況，并對未來主要研究發(fā)展方向進(jìn)行梳理。

1 激光增材制造材料與工藝

1.1 材料方面

從激光增材制造的工藝原理可以知道，材料是其基礎(chǔ)[2]，材料的開發(fā)對其發(fā)展具有重大影響。目前在金屬激光增材制造領(lǐng)域已開發(fā)了包括不銹鋼、鋁合金、鈦合金和鎳基合金等在內(nèi)的多種金屬材料[3-4]，并針對激光增材制造的特點(diǎn)對相應(yīng)的材料屬性進(jìn)行了優(yōu)化?，F(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)主要集中于鈦合金、高強(qiáng)鋁合金、高熵合金等輕量化或高價(jià)值結(jié)構(gòu)材料的研究。

1.1.1 鈦基合金 鈦合金由于其比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、良好的生物相容性等優(yōu)異綜合性能成為各行業(yè)中常用的高性能材料[5]。適用于激光增材制造用的鈦合金材料以Ti-Al系合金為主，主要包括TC4，TC11，TC21和Ti8AlEr等[2]。其中針對Ti6Al4V的研究已經(jīng)獲得了大量的研究成果，成型工藝相對成熟，目前已廣泛用于航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[6]。相關(guān)研究表明，在成型過程中，由于快速凝固產(chǎn)生的馬氏體相α′會嚴(yán)重降低Ti6Al4V成型件的塑性[7]，因此降低成型件中α′相的含量有利于提高塑性。LIU等人通過優(yōu)化工藝參量實(shí)現(xiàn)了α′/α相的調(diào)控，減少α′的含量，提高了Ti6Al4V的延展性[8]。而XU等人則通過調(diào)控工藝參量實(shí)現(xiàn)了過程的馬氏體相分解及β相析出，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高延展性Ti6Al4V構(gòu)件的制備(見圖1)[9]。而針對TC21合金和Ti5553合金直接激光沉積的研究工作尚在研究過程中，TC21樣品的拉伸性能在兩種不同的熱處理?xiàng)l件下表現(xiàn)出明顯的各向異性[10]。激光增材制造具有快速凝固的作用，因此也適合氧化物彌散強(qiáng)化合金的激光增材制造[11]。此外，TI-Nb系和Ti-Zr系鈦合金也通過激光增材制造成功制得，但成型工藝仍有待進(jìn)一步優(yōu)化，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 Ti6Al4V選擇性激光熔化試樣沿生長方向的顯微組織變化[9]

1.1.2 鋁合金 由于多因素的影響，目前可用于激光增材制造的不同牌號鋁合金材料較少，主要是以AlSi10Mg為代表的4系鋁合金。與鈦合金相比，鋁合金易于加工且成本低廉，附加值不高，因此采用激光增材制造工藝進(jìn)行4系鋁合金的成型制造需求量不大[11]。而對于高性能鋁合金，如2系、5系、6系和7系等鋁合金，由于材料元素的影響，激光增材成型過程中容易產(chǎn)生熱裂紋等缺陷問題[12-13]，因此，針對此類鋁合金進(jìn)行材料改性研究是激光增材制造的研究熱點(diǎn)之一。

通過調(diào)整鋁合金中鈧元素的含量使其超過共晶點(diǎn)是解決熱裂紋的一種重要方法。SCHMIDTKEA等人通過調(diào)整鈧元素含量使Al4.5Mg0.66Sc0.51Mn0.37Zr成型件的晶粒得到細(xì)化并極大的提高了韌性。同時(shí)通過對鋁合金粉末表面進(jìn)行改性，可以對成型件的微觀組織進(jìn)行調(diào)控。MARTIN等人[14]采用了采用鋯納米粒子作為形核劑加入到粉末材料中，通過鋯納米粒子的誘導(dǎo)作用生成精細(xì)的等軸組織，同時(shí)可以有效地減小微裂紋，獲得高性能的7系鋁合金制造成型件，其強(qiáng)化機(jī)理如圖2所示。通過材料表面改性提高成型件的性能對于其它高性能材料有一定的借鑒意義。

圖2 7075鋁合金激光增材制造強(qiáng)化機(jī)理[14]

1.1.3 高熵合金 高熵合金由于優(yōu)異的材料性能，其激光增材制造研究吸引了許多學(xué)者。BRIF等人[15]于2015年首次采用選擇性激光熔化(selective laser melting,SLM)技術(shù)完成了FeCoCrNi高熵合金的制備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用SLM技術(shù)制備的高熵合金力試樣學(xué)性能優(yōu)于澆鑄獲得的試樣。而LI等人[16]則采用SLM技術(shù)獲得了CoCrFeMnNi高熵合金試樣，并對顯微組織、物相和力學(xué)性能等進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)通過SLM成形的試樣存在σ析出相以及大量的位錯以及納米孿晶，對其力學(xué)性能有增強(qiáng)作用。經(jīng)過熱等靜壓后，試樣中微觀缺陷進(jìn)一步得到改善(如圖3所示)，力學(xué)性能進(jìn)一步提高。

圖3 FeCoCrNi試樣熱等靜壓前后顯微組織[16]

針對其它體系高熵合金的SLM成型研究相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了研究。LI等人采用AlCoCrFeNi體系高熵合金進(jìn)行了研究，但獲得的樣品存在大量層間裂紋等缺陷。其他研究人員也獲得類似缺陷的試樣，認(rèn)為此類體系高熵合金是一種裂紋敏感材料[17-18]。ZHOU等人[19]則對Al0.5CoCrFeNi進(jìn)行了研究，獲得同時(shí)具有等軸晶與柱狀晶組織的合金試樣，如圖4所示，其性能高于傳統(tǒng)電弧熔煉所制備的合金。

圖4 Al0.5CoCrFeNi SLM成型顯微組織[19]

總的來說，由于激光增材制造過程中的高溫度梯度使高熵合金容易出現(xiàn)熱裂紋等缺陷，同時(shí)合金中存在非平衡組織，影響了成型件的綜合力學(xué)性能，因此對高熵合金組織演化、金相缺陷等問題仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究，以達(dá)到工程應(yīng)用要求。

1.1.4 生物活性材料 隨著骨修復(fù)體的需求快速增長，植入體增材技術(shù)得到了快速發(fā)展，生物活性材料應(yīng)同時(shí)滿足以下要求：(1)良好的生物相容性；(2)適當(dāng)?shù)纳锝到庑裕?3)具有一定的骨誘導(dǎo)或引導(dǎo)組織再生的能力；(4)具有一定的生物力學(xué)強(qiáng)度與可塑形性；(5)無毒性與無免疫原性。

在骨植入體方面，主要材料包括金屬、陶瓷及高分子等材料體系。其中，金屬材料體系中，主要包括鈦(Ti)系、鉭(Ta)系及鈷鉻鉬(CoCrMo)系，但金屬存在與骨組織之間模量不匹配、界面結(jié)合力低、骨整合能力差等問題[20]。因此為了提高植入體性能，采用仿生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示。通過采用仿生多孔的設(shè)計(jì)可有效降低激光增材制造植入體的楊氏模量，實(shí)現(xiàn)金屬植入體與人體骨骼的匹配，同時(shí)不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧優(yōu)異生物相容性、生物活性、力學(xué)性能的骨修復(fù)體成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，這種植入體更適合細(xì)胞增殖、分化、誘導(dǎo)成骨來修復(fù)骨缺損，具有很大的臨床應(yīng)用意義。面向骨精準(zhǔn)修復(fù)的生物活性材料技術(shù)是未來的發(fā)展方向之一。

圖5 激光選區(qū)熔化制備類骨小梁組織的多孔鈦合金植入體[20]

1.2 成型工藝方面

經(jīng)過近30年的發(fā)展，各國科研人員在激光增材制造成型工藝進(jìn)行了大量的研究工作，取得了大量的成果，但目前激光增材制造金屬構(gòu)件中仍存在微觀缺陷、殘余應(yīng)力大、塑性不足、效率低等問題，制約了其應(yīng)用。

在采用粉末材料的激光增材制造中容易出現(xiàn)微孔隙，導(dǎo)致成型件致密度較低。微孔主要有兩種類型：一種是由于能量密度不足以完全熔化材料而形成孔隙，如圖6a所示；另一種是由于輸入能量密度過大，產(chǎn)生深鎖孔熔池，熔池閉合過程中氣體來不及排出而滯留在零件中，形成如圖6b所示的圓孔。國內(nèi)外研究人員實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合理控制能量密度有助于減少和避免孔隙的產(chǎn)生[21-22]，同時(shí)通過采用熱等靜壓燒結(jié)(hot isostatic pressing, HIP)[23]、重熔工藝[24]、基板預(yù)熱[25]等方法也能有效的促使氣體排出或使殘留孔隙閉合。

圖6 成型件中微孔隙形貌[23]

當(dāng)采用較為合理的工藝參量抑制孔隙缺陷形成時(shí)，可能會帶來殘余應(yīng)力增大、產(chǎn)生裂紋等消極作用。為解決殘余應(yīng)力帶來的影響，科研人員提出了多種方法用于減少和消除殘余應(yīng)，其中普遍采用的方法是熱處理工藝[26-28]、優(yōu)化激光掃描策略[29]和基板預(yù)熱[30]。一些新方法如激光沖擊強(qiáng)化[31]、電磁輔助制造[9]、超聲振動[32]等被引入，用于降低殘余應(yīng)力，但相關(guān)技術(shù)還不太成熟，需要進(jìn)一步研究。

成型過程中，熱應(yīng)力過大將導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。相關(guān)研究表明，成型件內(nèi)部的拉應(yīng)力以及熱影響區(qū)晶界上產(chǎn)生的半連續(xù)和連續(xù)熔液液膜是裂紋產(chǎn)生的主要原因，而工藝參量影響著裂紋的產(chǎn)生。目前主要是通過調(diào)整工藝參量、基板預(yù)熱、調(diào)整合金成分和HIP技術(shù)來減少或消除內(nèi)部裂紋，但相關(guān)方法不易于控制，因此還需要進(jìn)行深入研究。

球化和飛濺物的形成影響了單層掃描層的表面質(zhì)量，如工藝參量未得到有效的調(diào)整將最終導(dǎo)致成型質(zhì)量的惡化。TOLCOCHKO等人[33]研究了在SLM過程中金屬粉末球化形成的具體過程，分析了蝶形、球形、杯形3種典型粉末球化形狀的形成機(jī)理，而WANG等人[34-35]針對成型過程中的飛濺現(xiàn)象進(jìn)行了研究，揭示了飛濺的形成機(jī)理。激光掃描參量(激光功率、激光掃描速率、掃描間距等)對表面成型質(zhì)量的影響也非常顯著[36]，其中主要的影響因素是激光功率、掃描間隔和掃描速率[37-38]；同時(shí)掃描速度等參量對表面粉末粘附的影響也得到了廣泛的研究[39-43]。此外，掃描策略[44-46]、系統(tǒng)預(yù)熱[47]、重熔工藝[48-50]對成型質(zhì)量的作用機(jī)制也相繼得到探明。

綜合來看，目前針對成型工藝進(jìn)行了廣泛研究，且獲得了較好的成型效果，但現(xiàn)有激光增材制造技術(shù)仍難以兼顧高效率、高精度和低成本制造等問題，近年來提出大尺寸激光選區(qū)熔化及復(fù)合制造的相關(guān)解決方案[51-55]，相應(yīng)的工藝研究工作如多振鏡協(xié)同高速動態(tài)調(diào)焦成形、成形自適應(yīng)分層與自適應(yīng)工藝參量、多材料工藝參量自主優(yōu)化與決策等還有待展開[55]，建立完善的工藝數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是未來激光增材制造工程化應(yīng)用的重要條件。同時(shí)，激光增材制造過程伴隨著復(fù)雜的熱、物理、化學(xué)現(xiàn)象，相應(yīng)的成型質(zhì)量預(yù)測方法仍難以準(zhǔn)確掌握[56]，工藝仍需進(jìn)一步優(yōu)化，以完全掌握成型過程中內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律，微觀組織凝固形成規(guī)律。

2 激光增材制造設(shè)備

2.1 高性能增減材復(fù)合制造

現(xiàn)有的金屬激光增材制造技術(shù)難以兼顧高效率、高質(zhì)量、高精度、低成本等問題。因此在激光增材制造過程中復(fù)合單一或者多種傳統(tǒng)加工工藝，是未來激光增材制造設(shè)備的發(fā)展方向之一。YASA等人[57]基于SLM設(shè)備通過采用兩種工作模式運(yùn)行Nd∶YAG激光器，實(shí)現(xiàn)了一臺設(shè)備上進(jìn)行SLM和激光侵蝕兩種工藝，兩種工藝的結(jié)合可有效改善SLM成型件的表面質(zhì)量并提高致密度。而DU等人[58]通過SLM與銑削技術(shù)的結(jié)合獲得精度、性能和表面質(zhì)量均優(yōu)于鍛造的零件，實(shí)驗(yàn)證明銑削可以有效減小殘余應(yīng)力。綜合來看，目前復(fù)合制造裝備主要基于激光直接沉積技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)加工工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)合制造，主要原因是激光具有較好的可控性，具有較高的成型精度等優(yōu)勢[59-61]。日本松浦(Matsuura)、沙迪克(Sodick)、山崎馬扎克(Mazak)和德國德馬吉(DMG)等公司是復(fù)合制造商用設(shè)備的主要供應(yīng)商，如圖7所示。

圖7 復(fù)合制造設(shè)備(圖源于網(wǎng)絡(luò))

與國外相比，我國的增減材復(fù)合制造技術(shù)成熟度較低，一方面是由于我國減材制造中數(shù)控技術(shù)較落后，另外一方面是與國外仍有差距，針對增減材制造的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力亟需加強(qiáng)，同時(shí)其工藝評價(jià)體系也需要得到規(guī)范。通過增材與減材制造技術(shù)的有機(jī)融合，研發(fā)航空航天、汽車、消費(fèi)電子和醫(yī)療器械等領(lǐng)域復(fù)雜零件的高性能增減材復(fù)合制造工藝技術(shù)和相匹配的材料體系，探索增材與其它技術(shù)復(fù)合的相互影響機(jī)理、控形控性規(guī)律，以及協(xié)同、集成調(diào)控方法，建立增減材復(fù)合制造策略是未來的一個重要研究方向。

2.2 大尺寸超高速激光增材制造

受限于器材的成型范圍，目前相關(guān)大尺寸成型設(shè)備主要采用3種方法用于增大成型尺寸：(1)使用長焦距f-θ場鏡；(2)采用移動式振鏡掃描；(3)采用多振鏡進(jìn)行多光束拼接，如圖8所示。

圖8 成型尺寸增大方式[55]

根據(jù)成型投影的原理，使用長焦距增大掃描幅面時(shí)會導(dǎo)致聚焦后光斑直徑增大，因此采用長焦距場鏡時(shí)，需要使用高功率激光器以提高功率密度。如德國EOS公司的M400設(shè)備，采用長焦距場鏡獲得400mm×400mm×400m的成型尺寸，但成型表面質(zhì)量受到影響。移動式振鏡掃描方式以Concept Laser公司的XLine1000R設(shè)備為代表，通過水平面上的掃描振鏡分區(qū)移動掃描增大成型面積。此類方法對運(yùn)動控制精度和設(shè)備精度提出了較高要求，同時(shí)，由于采用單光束導(dǎo)致成型效率大大降低，每個區(qū)域的凝固時(shí)間不一致也會導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，影響成型質(zhì)量。多光束拼接則是通過增加掃描振鏡和激光器數(shù)量，多個振鏡可同時(shí)工作，因此可以使成型尺寸成倍增加，并縮短成型時(shí)間。多光束多振鏡的掃描系統(tǒng)對控制系統(tǒng)和軟件開發(fā)也提出了更高要求。

除采用以上方法外，開發(fā)高功率高均勻性的線光斑光學(xué)整形系統(tǒng)、超高速線光斑3-D打印可調(diào)制控制系統(tǒng)、超高速線光斑3-D打印工藝等，形成一套高均勻性、高能量密度的線光斑激光系統(tǒng)，是增大成型尺寸的一種更為先進(jìn)的方案，相關(guān)研究工作有待展開。

3 應(yīng) 用

3.1 高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造

高性能大型金屬構(gòu)件的應(yīng)用，特別是在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。WOHLERS的年度報(bào)告顯示[62]，航空航天業(yè)占總需求的18.2%，因此航空航天也被認(rèn)為是未來最有應(yīng)用前景的領(lǐng)域之一。由于粉床激光熔化技術(shù)成型尺寸較小，不能滿足大尺寸零件成型的需求，因此對于此類大型零件目前一般采用定向能量沉積技術(shù)，但成型精度不能得到很好保證。針對大型客機(jī)零部件的主要研究內(nèi)容包括：(1)基于激光增材制造工藝的大型客機(jī)結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；(2)批量化激光增材制造的工藝穩(wěn)定性和性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；(3)基于激光增材制造工藝的專用合金設(shè)計(jì)許用值；(4)基于激光增材制造的大型客機(jī)“材料-設(shè)計(jì)-工藝-檢測-評價(jià)”全流程技術(shù)體系等。

激光/等離子增材制造裝備的優(yōu)化研究以及大跨度高精度載能束/數(shù)控工作臺或機(jī)器手的聯(lián)合運(yùn)動控制技術(shù)的研究，對于實(shí)現(xiàn)大型金屬零件的高性能高精度高效率具有重要意義。

3.2 軌道交通裝備制造應(yīng)用

激光增材制造技術(shù)在軌道交通裝備制造的應(yīng)用目前處于前沿探索性階段。德國聯(lián)邦鐵路公司于2015年開始采用激光增材制造技術(shù)進(jìn)行軌道交通裝備運(yùn)營和維護(hù)，先后與Concept Laser,Materialize,EOS等企業(yè)進(jìn)行零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了具有中空結(jié)構(gòu)的軸承蓋，提高了軸承蓋的抗振性能和耐磨性[63]。法國阿爾斯通公司基于激光增材制造技術(shù)對列車的轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿安裝座進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了減重70%的目標(biāo)。我國的中車集團(tuán)采用SLM技術(shù)完成了機(jī)車高壓接地開關(guān)傳動件的成型，如圖9所示。與通過鉚接或焊接制造的零件相比，SLM成型件的抗壓性能提高了25%～75%，力學(xué)性能也優(yōu)于鍛造件，同時(shí)零件尺寸誤差小于0.1mm，滿足使用要求[64]。

圖9 中車集團(tuán)SLM成型傳動件[64]

3.3 植入體激光增材制造應(yīng)用

在植入體的應(yīng)用中，研究內(nèi)容主要包括生物活性材料的設(shè)計(jì)、孔徑微觀結(jié)構(gòu)控制、植入材料成骨活性、材料生物力學(xué)性能、植入材料降解等。研究的活性材料包括生物活性陶瓷，如硅酸鈣陶瓷、磷酸鈣類陶瓷和生物活性玻璃等，鎂合金骨修復(fù)材料，金屬基材料或高分子材料的表面改性及材料復(fù)合，活性因子添加等。

在骨植入體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，鑒于材料與骨組織之間內(nèi)部孔隙梯度和力學(xué)性能優(yōu)化的需求，采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)；運(yùn)用仿生學(xué)原理和納米自組裝技術(shù)模仿天然骨的成分及結(jié)構(gòu)特征，也是目前骨修復(fù)材料研究的前沿課題。例如，華中科技大學(xué)HAN[65]采用SLM對Co-Cr多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)湫阅軆?yōu)化，其模量和強(qiáng)度范圍分別為7.18GPa～16.57GPa和271.53MPa～1279.52MPa，滿足皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的要求；細(xì)胞初步反應(yīng)表明細(xì)胞可以在 SLM 制備的 Co-Cr 多孔結(jié)構(gòu)表面粘附和伸展，細(xì)胞之間存在信息交流，具有一定生物活性。華南理工大學(xué)公布了一種基于多尺度多約束拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的變密度多孔金屬骨科植入物制備方法[66]，其孔隙率要求大于50%，所述微結(jié)構(gòu)孔徑尺寸為50μm～800μm，微結(jié)構(gòu)壁厚大于100μm。

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，當(dāng)前3-D打印的骨植入體主要是金屬植入物(鈦金屬產(chǎn)品為主)。國外，美國OSSEUS公司的3-D打印鈦合金植入物Aries，具有80%的孔隙率，允許脊柱組織通過植入物生長，如圖10a所示；該公司的3-D打印頸椎融合器Gemini-C，采用鈦金屬和PEEK 材料制造；美國公司Zimmer的3-D打印鈦金屬脊柱植入物，如圖10b所示；SI-BONE公司3-D打印的鈦金屬骶髂關(guān)節(jié)植入物 iFuse-3-D；德國公司Emerging Implant Technologies(EIT)鈦金屬椎間融合器鈦?zhàn)甸g融，采用3-D打印，孔隙率高達(dá)80%，孔洞的尺寸和形狀也都進(jìn)行了優(yōu)化，所以能有效促進(jìn)骨細(xì)胞在其中生長，如圖10c所示。國內(nèi)，愛康醫(yī)療推出3-D打印鈦合金骨科植入物，實(shí)現(xiàn)首例19cm多節(jié)段人工椎體定制化手術(shù)，如圖10d所示。

圖10 金屬植入物產(chǎn)品

3.4 高附加值產(chǎn)品修復(fù)與再制造

隨著技術(shù)的成熟，激光增材制造技術(shù)憑借其高精度、熱損傷小、成本低等優(yōu)勢，其應(yīng)用于高附加值產(chǎn)品的修復(fù)與制造獲得了越來越多的關(guān)注[67]。其中，激光金屬直接成形(laser metal direct forming，LMDF)技術(shù)在此領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢和潛力，可進(jìn)行多種材料和構(gòu)件的修改工作。西北工業(yè)大學(xué)ZHAO等人[68]對激光增材修復(fù)Ti17部件的性能進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了渦輪葉片的修復(fù)工作。北京航空材料研究院對飛機(jī)的起落制動器和發(fā)動機(jī)的鎳基高溫合金機(jī)匣進(jìn)行激光增材修復(fù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單晶渦輪熱端部件的修復(fù)[69]。WANG等人[70]針對航空發(fā)動機(jī)葉片采用LMDF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了葉片的修復(fù)工作，效果良好，如圖11所示。FENG等人[71]則對曲軸的受損部分進(jìn)行了修復(fù)，熔層與基體材料結(jié)合良好，且修復(fù)區(qū)域的熔體材料硬度顯著高于集體材料。

圖11 葉片修復(fù)效果圖[70]

在未來的研究中，仍需對激光增材制造修復(fù)和再制造材料服役行為與失效機(jī)理進(jìn)行研究，獲得失效零件的壽命以及可再修復(fù)次數(shù)預(yù)測方法，同時(shí)建立相應(yīng)的零件修復(fù)工藝準(zhǔn)則，以獲得較好的修復(fù)和再制造質(zhì)量。

4 4-D打印技術(shù)

4-D打印是在3-D打印基礎(chǔ)上增加了時(shí)間維度，讓材料在設(shè)定的時(shí)間自動變形為所需要的形狀，且可隨時(shí)間變化。國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都在開展4-D打印技術(shù)研究，如佐治亞理工學(xué)院、新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)等。從發(fā)表的論文、專利成果來看，研究4-D打印陶瓷的主要有弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所、香港城市大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)；研究4-D打印鈦鎳形狀記憶合金的主要有亞洲大學(xué)、揚(yáng)斯敦州立大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、華南理工大學(xué)和中南大學(xué)等。

4-D打印鈦鎳形狀記憶合金方面，華南理工大學(xué)和中南大學(xué)公開了4-D打印鈦鎳形狀記憶合金相關(guān)專利[72-73]。其中，華南理工大學(xué)專利《一種鈦鎳形狀記憶合金的4-D打印方法及應(yīng)用》中，4-D打印的鈦鎳形狀記憶合金實(shí)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度為778MPa、延伸率為7.2%；中南大學(xué)專利《一種4-D打印無裂紋的鈦鎳形狀記憶合金的專用基板及其制備方法》制備得到的4-D打印鈦鎳形狀記憶合金的專用基板無裂紋，硬度在280HV以上，抗拉強(qiáng)度在760MPa和800MPa之間。

由于4-D打印技術(shù)目前仍處于起步階段，其缺陷抑制策略與組織性能調(diào)控之間的關(guān)系尚未被掌握，構(gòu)件質(zhì)量穩(wěn)定性不能保證，未被實(shí)際應(yīng)用。4-D打印的可變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程如圖12所示。對于4-D打印結(jié)構(gòu)的智能變形行為的研究還有待深入，同時(shí)4-D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與性能表征，對智能構(gòu)件的創(chuàng)新應(yīng)用具有重要意義。此外，4-D打印的相關(guān)打印設(shè)備還未有相關(guān)報(bào)道，因此,研究4-D打印中使用的陶瓷前驅(qū)體、形狀記憶合金粉末的制備技術(shù)及相應(yīng)的打印裝備，具有顯著的前沿性和科學(xué)性。

圖12 4-D打印的可變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程示意圖[74]

5 結(jié)束語

材料、工藝、設(shè)備、應(yīng)用等幾方面總結(jié)了當(dāng)前激光增材制造主要研究熱點(diǎn)以及相關(guān)進(jìn)展。材料方面的研究前沿?zé)狳c(diǎn)主要集中于輕量化材料以及高價(jià)值零件材料的開發(fā)和成型工藝研究，如鈦合金、高強(qiáng)鋼、高強(qiáng)鋁合金、高溫合金等，增多適用于激光增材制造的材料種類是促進(jìn)其發(fā)展的重要途經(jīng)。工藝方面的前沿研究內(nèi)容主要包括成型過程中的強(qiáng)非平衡態(tài)凝固學(xué)、成型中缺陷的相互耦合作用機(jī)制研究以及針對超高速、高精度、大尺寸和復(fù)合制造工藝提出了相關(guān)研究內(nèi)容。應(yīng)用方面的前沿研究熱點(diǎn)主要是針對高價(jià)值大型零部件的制造與再制造以及生物植入體的相關(guān)研究。此外4-D打印技術(shù)的研究得到不斷地推進(jìn)，相關(guān)4-D打印工藝以及4-D打印設(shè)備研制是研究重點(diǎn)之一。

綜合來看，激光增材制造未來主要研究方向主要為：

(1)生物醫(yī)療植入物應(yīng)用示范。

組織研究工程支架/植入修復(fù)體仿生結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與激光增材制造技術(shù)，重點(diǎn)突破金屬鉭等具有高生物相容性材料的核心技術(shù)和裝備研制，臨床上形成應(yīng)用示范，提升精準(zhǔn)個性化植入體制造上的水平。

(2)高質(zhì)量高穩(wěn)定性工藝技術(shù)。

針對現(xiàn)有激光增材制造技術(shù)難以兼顧高效率、高質(zhì)量、高精度的難題，復(fù)合一種或者多種加工方式，開發(fā)復(fù)合激光增材制造裝備，解決其表面質(zhì)量與成形質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)其與傳統(tǒng)制造的結(jié)合。

(3)高效、高精度、高性能大型金屬構(gòu)件應(yīng)用示范。

集聚國家重點(diǎn)團(tuán)隊(duì)和成果，以鈦合金、高強(qiáng)鋼、高強(qiáng)鋁合金、高溫合金等高性能大型復(fù)雜金屬構(gòu)件高能束熔化沉積過程為主線，實(shí)現(xiàn)高效、高精度、高性能大型復(fù)雜金屬構(gòu)件示范，提升激光增材制造產(chǎn)業(yè)在國家重大戰(zhàn)略工程和裝備制造上的參與能力和水平。