關(guān)于激光選區(qū)熔化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的幾點(diǎn)思考

張英偉 李會(huì)敏 關(guān)凱 劉斌 李廣生

(鑫精合激光科技發(fā)展(北京)有限公司，北京，102200)

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是融合了計(jì)算機(jī)圖像處理、數(shù)字化信息與控制技術(shù)、光學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)與技術(shù)而成的先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)被稱為“改變生產(chǎn)方式和世界的顛覆性技術(shù)”，受到了中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)等科技大國(guó)的高度重視[1]。激光選區(qū)熔化成形(selective laser melting，簡(jiǎn)稱SLM)技術(shù)是目前金屬增材制造技術(shù)中應(yīng)用最為普遍、技術(shù)成熟度最高的技術(shù)之一，非常適合制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高、性能要求嚴(yán)的精密構(gòu)件，在航空航天、模具、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，典型零件有航天熱控結(jié)構(gòu)、飛機(jī)排氣艙門、骨科植入體等(圖1)，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界也進(jìn)行了大量的研究[2-6]。

圖1 激光選區(qū)熔化典型產(chǎn)品

工程化應(yīng)用是新技術(shù)“飛入尋常百姓家”的必經(jīng)之路和重要舉措，是新技術(shù)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值的核心環(huán)節(jié)，更是促進(jìn)生產(chǎn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的制勝法寶。鑒于此，本文分析了激光選區(qū)熔化產(chǎn)業(yè)化工程化的現(xiàn)狀，并提出了促進(jìn)激光選區(qū)熔化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有益建議。

1 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 粉末制備環(huán)節(jié)收得率低，成本居高不下

粉末是激光選區(qū)熔化工藝的關(guān)鍵原材料，其品質(zhì)直接關(guān)系到產(chǎn)品的性能。與傳統(tǒng)的粉末冶金相比，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)對(duì)粉末的品質(zhì)要求更為嚴(yán)格，控制指標(biāo)更多，主要指標(biāo)有粉末粒度分布、化學(xué)成分、球形度、衛(wèi)星粉空心粉比例、流動(dòng)性、松裝密度、振實(shí)密度和高密低密夾雜。以AlSi10Mg粉末為例，典型粒徑D10(累積粒度分布達(dá)到10%所對(duì)應(yīng)的粒度，即粒徑小于它的的顆粒占10%。一般用于表征細(xì)粉的比例)越小，則細(xì)粉比例越大，粉末流動(dòng)性變差，影響打印效果。根據(jù)筆者對(duì)多家增材制造粉末供應(yīng)商的走訪，目前國(guó)內(nèi)15～53 μm鈦合金粉末的收得率只有35%左右，超過(guò)40%的基本沒(méi)有，這就意味著，15 μm以下的超細(xì)粉和53 μm以上的粗粉(在SLM工藝中，一般定義53μm以上的粉末為粗粉)基本為副產(chǎn)品，躺在庫(kù)房里。盡管53 μm以上的粉末可用于電子束選區(qū)熔化(electron beam melting簡(jiǎn)稱EBM)工藝，但受限于該技術(shù)的普及程度，需求量較少。類似的，鋁合金粉末、模具鋼粉末和高溫合金粉末也存在這樣的問(wèn)題，這無(wú)疑推高了粉末的成本，因此，收得率問(wèn)題已然成為影響激光選區(qū)熔化上游企業(yè)發(fā)展的攔路虎[7]。

1.2 超細(xì)粉和超粗粉需求較小，有效利用率低

防爆防燃是粉末冶金行業(yè)常抓不懈的主題。激光選區(qū)熔化成形所涉及的粉末種類比較多，有普通的鋼鐵粉末、高溫合金粉末，還有化學(xué)活性高的鋁合金粉末、鈦合金粉末，根據(jù)筆者的調(diào)研，由于激光選區(qū)熔化成形粉末制備工藝的特殊性，每生產(chǎn)1 kg粉末，大約產(chǎn)生1.5～2 kg的超細(xì)粉+粗粉，對(duì)于不銹鋼等鋼鐵粉末，20 μm以下的超細(xì)粉可用于金屬注射成形(metal injection molding，簡(jiǎn)稱MIM)工藝，對(duì)于高溫合金，53 μm以上的粗粉可回收或做等靜壓成形用粉，但對(duì)于TC4、TA15鈦合金粉末和AlSi10Mg、AlSi7Mg等鋁合金粉末，超細(xì)粉+粗粉基本是作為副產(chǎn)品，處于“無(wú)人用、無(wú)人回收”的狀態(tài)，只能積壓在粉末制備企業(yè)的庫(kù)房里，以1個(gè)年產(chǎn)50 t激光選區(qū)熔化成形鈦合金粉末的企業(yè)為例，每年的鈦合金超細(xì)粉+超粗粉就有75 t之多，粉末管理的安全壓力可想而知。因此如何消耗和處理這些粉末是擺在粉末制備企業(yè)面前的一個(gè)重要的任務(wù)和課題。

1.3 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉末管理難度大，污染風(fēng)險(xiǎn)大

激光選區(qū)熔化成形粉末的生產(chǎn)管理難度之大，主要體現(xiàn)在以下三方面：

(1)流動(dòng)性好易混料。不同種類的粉末，都具有粒度小、流動(dòng)性好的特征，一旦其它材料的粉末混入，基本無(wú)法分離和去除，直接造成粉末的降級(jí)或報(bào)廢，使用時(shí)會(huì)嚴(yán)重惡化性能，甚至打印失敗。。

(2)顏色相近易混淆。激光選區(qū)熔化所涉及的粉末有高溫合金粉末、鋼鐵粉末、鈦合金粉末、鋁合金粉末，這些粉末外觀均為銀灰色，單從外觀上很難區(qū)分(如圖2)，稍有不慎就有可能造成粉末誤領(lǐng)誤用。

(a)316L(b)AlSi10Mg(c)TC4(d)GH4169

(3)清理困難易污染。近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界對(duì)打印高效化和打印尺寸大型化的呼聲越來(lái)越高，大幅面、高縱深的激光選區(qū)熔化成形設(shè)備層出不窮。與小型設(shè)備相比，這類設(shè)備的顯著特點(diǎn)是：儲(chǔ)送粉回路及機(jī)械傳動(dòng)復(fù)雜，存在一定的視野和操作盲區(qū)，設(shè)備內(nèi)部粉末清理較為困難。因此，在采用大型設(shè)備進(jìn)行打印時(shí)，設(shè)備內(nèi)部殘粉清理是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

1.4 后處理自動(dòng)化程度低，工作環(huán)境差

激光選區(qū)熔化工藝所制造的零件均為精密零件，具有形狀復(fù)雜、尺寸精度高、批量小的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)階段所添加的加工余量較小，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)并不友好，殘粉清理和打磨等工序幾乎全靠操作工人手工完成，不僅效率低，而且粉塵多、噪聲大，勞動(dòng)環(huán)境差。以蒙皮點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例，受限于零件功能，出粉口較小，清粉工序全靠超聲振動(dòng)平臺(tái)+氣槍吹掃，連續(xù)交叉進(jìn)行，非常耗費(fèi)人力，筆者曾遇到過(guò)一個(gè)蒙皮點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)零件清粉工序花費(fèi)了2天多時(shí)間的情況。再以蒙皮結(jié)構(gòu)為例，蒙皮厚度通常在1 mm左右，有些區(qū)域還是曲面，工人打磨全靠經(jīng)驗(yàn)，一點(diǎn)一點(diǎn)的下量，唯恐打磨過(guò)量導(dǎo)致蒙皮破損，且生產(chǎn)車間噪聲和粉塵大，對(duì)操作工人的人身安全造成了嚴(yán)重的影響。上述情況在激光選區(qū)熔化的后處理工序非常突出，是影響生產(chǎn)效率和操作人員人身安全的一大挑戰(zhàn)。

1.5 成形過(guò)程控形難度大，后處理基準(zhǔn)定位困難多

與傳統(tǒng)的減材加工相比，激光選區(qū)熔化成形的控形難度大，主要體現(xiàn)在：

(1)激光選區(qū)熔化成形是一個(gè)快速熔化和凝固的過(guò)程，成形中激光束與金屬材料的作用時(shí)間極短，在材料逐層堆積的過(guò)程中，材料不斷經(jīng)歷急熱和急冷的交替過(guò)程，致使熔池及其附近部位的加熱熔化、凝固和冷卻的速度比周圍的區(qū)域快，構(gòu)件的殘余應(yīng)力水平較高[8]。當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件發(fā)生變形，當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件發(fā)生斷裂(如圖3)。因此，成形過(guò)程的應(yīng)力及變形量控制是激光選區(qū)熔化工程師的一項(xiàng)重要工作，相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究[9-11]，在實(shí)踐應(yīng)用方面取得了一定的成果。

(2)激光選區(qū)熔化所制備的零件一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，存在薄壁、連續(xù)曲面等結(jié)構(gòu)(如圖4)，傳統(tǒng)加工工藝成本高、周期長(zhǎng)，雖然激光選區(qū)熔化成形工藝可打印出毛坯，但仍需后處理工序進(jìn)行少量的機(jī)械加工，以達(dá)到理想的表面質(zhì)量、尺寸和公差，在數(shù)控加工中，這類零件加工較為困難，對(duì)于薄壁零件，局部位置壁厚甚至只有0.5 mm，零件局部剛度低，機(jī)加裝夾困難，裝夾用力過(guò)大，零件變形；裝夾用力過(guò)小，零件易出現(xiàn)竄動(dòng)跳動(dòng)問(wèn)題，尺寸亦受影響。對(duì)于復(fù)雜曲面零件，加工基準(zhǔn)線及基準(zhǔn)面的確定比較困難，筆者曾多次遇到過(guò)零件在數(shù)控機(jī)床上找基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面耗時(shí)三四天甚至一周的情況。因此，如何合理高效的控制零件變形是業(yè)界的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

圖3 成形應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋(鈦合金)

圖4 具有復(fù)雜曲面的蒙皮+點(diǎn)陣構(gòu)件(壁厚0.5 mm)

2 建議

2.1 加大技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新力度，著力提高粉末收得率

技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的原動(dòng)力，是企業(yè)占領(lǐng)市場(chǎng)的制勝法寶。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，原材料粉末的成本占整個(gè)激光選區(qū)熔化零件總成本的20%～30%，尤其以鈦合金、鈷基合金等金屬材料最為明顯。目前主流的增材制造粉末制備工藝有真空感應(yīng)氣霧化工藝(vacuum induction-melting gas atomization, VIGA)、電極感應(yīng)氣霧化工藝(electrode induction-melting gas atomization, EIGA)、等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝(plasma rotating electrode process，PREP)和射頻等離子體球化工藝(radio frequency plasma, RF)，德國(guó)、加拿大、俄羅斯等國(guó)對(duì)此類設(shè)備及工藝研究較多，國(guó)內(nèi)總體起步較晚，相關(guān)理論及工程實(shí)踐尚不完善，74 μm以下的細(xì)粉的收得率偏低，這些勢(shì)必會(huì)造成粉末成本的高漲，不利于增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？上驳氖?，國(guó)內(nèi)的威拉里、眾遠(yuǎn)新材料等企業(yè)結(jié)合大量的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐，已開(kāi)始自主設(shè)計(jì)制粉設(shè)備，逐漸走上了設(shè)備大型化、成本精細(xì)化的道路，未來(lái)仍需持續(xù)加大技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新，節(jié)能降耗，提高粉末收得率。

2.2 發(fā)掘培育粉末新用途，提高制粉環(huán)節(jié)粉末利用率

激光選區(qū)熔化工藝的一大優(yōu)點(diǎn)是粉末可回收利用、原材料利用率高，就目前主流的激光選區(qū)熔化制粉工藝而言，EIGA和VIGA的細(xì)粉收得率均較低，通粉(從霧化制得的全粒度范圍的粉末)總體利用率并不高，產(chǎn)生大量的粗粉和超細(xì)粉積壓，這種現(xiàn)象在鈦合金和鋁合金粉末中最為突出，因此發(fā)掘這些粉末新用途是一個(gè)非常有意義的課題。結(jié)合粉末冶金工藝特點(diǎn)，消化和處理這些超細(xì)粉和粗粉的主要有以下方向有。

(1)金屬注射成形。對(duì)于20 μm以下的超細(xì)粉，適合于金屬注射成形，市面上激光選區(qū)熔化用316L奧氏體不銹鋼和17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼粉末之所以便宜，很大一部分原因是這些材料的超細(xì)粉可大量用于金屬注射成形，有效的均攤了制造成本。20 μm以下的鈦合金粉末雖然也可用于金屬注射成形，但工程化的材料牌號(hào)與激光選區(qū)熔化的鈦合金牌號(hào)重合度低[12]，可消化的量較少，如能發(fā)掘TA15、TC11等高性能鈦合金的MIM注射應(yīng)用場(chǎng)景，必將消化大量的20 μm以下的粉末，對(duì)粉末制備企業(yè)、增材制造企業(yè)和金屬注射成形企業(yè)均非常利好。

(2)FDM、EBM等其它增材制造技術(shù)。EBM類似于激光選區(qū)熔化成形技術(shù)，但采用的熱源是電子束，其顯著優(yōu)點(diǎn)是粉末床預(yù)熱溫度高、成形效率高，適合于制造殘余應(yīng)力大的金屬材料和脆性材料，如鈦合金和高熵合金。因此，理論上EBM技術(shù)可消化大量的45～106 μm的鈦合金粗粉，但是根據(jù)筆者的調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)EBM的應(yīng)用推廣度低于激光選區(qū)熔化，設(shè)備裝機(jī)量遠(yuǎn)不及激光選區(qū)熔化，相應(yīng)的，粉末需求也較少。鈦合金的FDM工藝也存在與鈦合金MIM工藝同樣的問(wèn)題，即力學(xué)性能差，工程化應(yīng)用受限。近期Desktop Metal通過(guò)優(yōu)化FDM工藝，獲得了塑性和強(qiáng)度均較好的TC4構(gòu)件，其性能可滿足醫(yī)療植入物的性能要求。相信隨著EBM、FDM等增材制造技術(shù)的發(fā)展，20 μm以下細(xì)粉及45～106 μm粉末的使用需求會(huì)有質(zhì)的跨越，也將推動(dòng)激光選區(qū)熔化鈦合金粉末價(jià)格的平民化。

2.3 推進(jìn)精細(xì)化生產(chǎn)管理，提升增材制造過(guò)程智能化水平

粉末管理是一項(xiàng)事關(guān)生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量的系統(tǒng)工程，精細(xì)化管理、智能化管理是未來(lái)的大趨勢(shì)和大方向。生產(chǎn)管理者應(yīng)著力在以下優(yōu)化和提升：

(1)推行顏色視覺(jué)管理，提高生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉末的辨識(shí)度。粉末誤領(lǐng)誤用是非常嚴(yán)重的事件，為避免此類事件的發(fā)生，粉末包裝可采用不同的顏色加以區(qū)分，首先，對(duì)同一牌號(hào)粉末，在不同工序流轉(zhuǎn)時(shí)采用不同顏色的包裝，以嚴(yán)格區(qū)分狀態(tài)。在同一工序內(nèi)，不同大類的粉末采用不同的包裝，以嚴(yán)格區(qū)分材料大類，這樣可最大限度地降低誤領(lǐng)誤用的風(fēng)險(xiǎn)，目前筆者所在公司及一些粉末制備企業(yè)均在推行包裝視覺(jué)管理，效果良好。

(2)專機(jī)專用，避免交叉污染。首先，篩粉設(shè)備要專機(jī)專用，即每臺(tái)篩粉設(shè)備只處理1個(gè)固定牌號(hào)的粉末，嚴(yán)禁處理其它粉末。其次，打印設(shè)備要專機(jī)專用，即每臺(tái)打印設(shè)備只打印1個(gè)牌號(hào)的構(gòu)件，關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)管理，粉末交叉污染的可能性就大大降低。

2.4 提高后處理自動(dòng)化水平，改善勞動(dòng)環(huán)境

殘粉清理是激光選區(qū)熔化成形的重要工序，如不能去除干凈，一則會(huì)造成熱處理過(guò)程粉末燒結(jié)，形成粉塊沾附在零件上難以去除，二則形成封閉于構(gòu)件內(nèi)部的多余物，嚴(yán)重影響航天產(chǎn)品的服役安全。隨著增材構(gòu)件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的人工清粉將變得更加困難，工作效率更低，工作環(huán)境更惡劣。因此急需開(kāi)發(fā)面向激光選區(qū)熔化工藝的自動(dòng)化清粉設(shè)備，提高清粉工序的自動(dòng)化水平，可喜的是，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已研制出此類設(shè)備(圖5)。以筆者所在公司為例，從成立之初的氣槍吹粉，到后來(lái)的超聲振動(dòng)平臺(tái)清粉，到現(xiàn)在的360°旋轉(zhuǎn)+振動(dòng)的自動(dòng)化清粉，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，工作環(huán)境更整潔，有效的釋放了勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)效率。

2.5 堅(jiān)持結(jié)構(gòu)仿真與工藝路線優(yōu)化并重，提高控形定位精度

仿真分析是低成本、高效率解決激光選區(qū)熔化成形過(guò)程零件變形開(kāi)裂的重要手段，也是近年來(lái)業(yè)界的研究熱點(diǎn)，一些知名工業(yè)仿真軟件服務(wù)商也推出了針對(duì)激光選區(qū)熔化工藝的軟件包(Simufact Additive, ANSYS Additive, ABAQUS Additive, Autodesk Netfabb, ESI)，但目前還存在計(jì)算效率和準(zhǔn)確性偏低的問(wèn)題，因此，應(yīng)不斷完善仿真算法和材料數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿足大型激光選區(qū)熔化構(gòu)件的控形要求。其次，后處理是激光選區(qū)熔化構(gòu)件制備的重要一環(huán)，為保證產(chǎn)品的尺寸要求，應(yīng)不斷探索嘗試先進(jìn)的光電檢測(cè)手段(如柔臂、三坐標(biāo)掃描儀)，并持續(xù)優(yōu)化工藝路線，以測(cè)量數(shù)據(jù)指導(dǎo)加工生產(chǎn)，以加工效果修正測(cè)量模型，同時(shí)結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主元分析、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)，不斷提高定位裝夾的效率和準(zhǔn)確性，建立基于激光選區(qū)熔化成形工藝的產(chǎn)品加工裝夾定位準(zhǔn)則和方法，提高產(chǎn)品的合格率。

圖5 天津鐳明公司開(kāi)發(fā)的自動(dòng)清粉設(shè)備

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著激光選區(qū)熔化成形技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于大型精密復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造，與產(chǎn)業(yè)化密切相關(guān)的成本和效率問(wèn)題將更加突出，這些應(yīng)引起工程技術(shù)人員和研究學(xué)者的高度重視。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作：

(1)深化產(chǎn)學(xué)研用合作模式，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。高校研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)具有不同的優(yōu)勢(shì)，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)，聯(lián)合攻關(guān)，不僅針對(duì)性強(qiáng)，且可實(shí)現(xiàn)研究工作的高效高質(zhì)量推進(jìn)。

(2)加強(qiáng)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的工程技術(shù)的跨界融合，提升激光選區(qū)熔化產(chǎn)業(yè)全鏈條的自動(dòng)化、集成化水平。人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)已在鋼鐵、有色金屬、能源等行業(yè)實(shí)現(xiàn)了深度融合，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效

益顯著，這些成功實(shí)踐對(duì)激光選區(qū)熔化產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級(jí)具有重要的借鑒意義。

(3)不斷提升生產(chǎn)過(guò)程精益管理水平，提升生產(chǎn)工序的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化水平。標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化是提升過(guò)程制程能力和產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑和手段，工程技術(shù)人員應(yīng)不斷將好的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)升華提煉，形成操作可行、技術(shù)放心、產(chǎn)品狀態(tài)可控的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。相信，通過(guò)產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的共同努力，我國(guó)的增材制造業(yè)技術(shù)水平和創(chuàng)新能力一定會(huì)提升一個(gè)新臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)新突破。