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3D打印，也稱(chēng)為增材制造（Additive Manufacturing，AM），是一個(gè)從三維模型數(shù)據(jù)出發(fā)，將材料逐層堆積制造物體的過(guò)程，而不是傳統(tǒng)的減法制造方法[1]。這種無(wú)需原胚和模具的制造方法可以給行業(yè)帶來(lái)新的設(shè)計(jì)靈活性，減少能源使用和縮短上市時(shí)間[2]。增材制造的主要應(yīng)用包括快速成形、快速模具、直接零件生產(chǎn)及塑料、金屬、陶瓷和復(fù)合材料的零件修復(fù)[3]。近年來(lái)，電子計(jì)算能力、材料和建?？茖W(xué)的進(jìn)步以及 AM 技術(shù)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，使 AM 從快速成型轉(zhuǎn)向直接制造金屬零件[4]。任何金屬的AM工藝都有兩個(gè)主要參數(shù)，分別是原料輸入和用于形成零件的能源[5]。輸入的原材料可以是金屬粉末或絲，而電子束或激光/電弧可作為能量源，如圖 1所示。AM 機(jī)器需要將 CAD模型轉(zhuǎn)換為.stl（stereo lithography）格式的文件，然后用專(zhuān)用切片軟件將該模型切成多個(gè)橫截面層，AM機(jī)器將逐一構(gòu)建這些橫截面層，形成一個(gè)完整的零件[6]。這些層的厚度取決于制造給定零件的原材料類(lèi)型和AM工藝。

圖1　一般金屬增材制造工藝

Fig.1 Common metal additive manufacturing process

 

1　金屬3D打印技術(shù)分類(lèi)及成形特點(diǎn)

 

金屬AM工藝可大致分為兩個(gè)主要大類(lèi)：粉末床熔合技術(shù)（Powder bed fusion，PBF）[7-8]和定向能量沉積技術(shù)（Directed energy deposition，DED）[9]。這兩種技術(shù)都可以根據(jù)所使用的能源類(lèi)型進(jìn)一步分類(lèi)。在PBF技術(shù)中，熱能選擇性地熔化粉末層區(qū)域。PBF技術(shù)的主要代表性工藝有：選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）、選擇性激光熔化成形（Selective Laser Melting，SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）和電子束熔化成形（Electron beam melting，EBM）。在DED技術(shù)中，通過(guò)使用聚焦的熱能來(lái)熔化材料（粉末或絲狀）而沉積。一些常用的DED技術(shù)包括激光工程化凈成形（Laser engineered net shaping，LENS）、直接金屬沉積（Direct metal deposition，DMD）、電子束自由成形制造（Electron beam free form fabrication，EBFFF）和電弧增材制造。本文主要介紹了 SLS、SLM、DMLS、EBM和LENS金屬3D打印技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用。

 

1.1　選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)作為一種增材制造技術(shù)，采用的冶金機(jī)制為液相燒結(jié)機(jī)制，成形過(guò)程中激光將粉末材料部分熔化，粉末顆粒保留其固相形態(tài)，并通過(guò)后續(xù)的液相凝固、固相顆粒重排粘接實(shí)現(xiàn)粉末致密化。SLS系統(tǒng)由激光器、掃描系統(tǒng)、鋪粉滾筒、粉末床和粉末輸送系統(tǒng)等組成，原理如圖2所示[10]。在計(jì)算機(jī)上繪制好CAD三維實(shí)體零件模型，將其轉(zhuǎn)換成STL文件格式，再利用切片軟件將文件切分成一定厚度的一系列有序片層，將切片數(shù)據(jù)傳送到 SLS系統(tǒng)中。燒結(jié)開(kāi)始前，將金屬粉末預(yù)熱到低于燒結(jié)點(diǎn)某一溫度后，一側(cè)的供粉缸上升至給定量，鋪粉滾筒將粉末均勻地鋪在粉末床上表面，激光束在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下，按照設(shè)定的功率及速度對(duì)第一層截面輪廓進(jìn)行掃描。激光束掃過(guò)之后，粉末燒結(jié)成給定厚度的實(shí)體輪廓片層，未被燒結(jié)的粉末作為支撐，這樣零件的第一層燒結(jié)完成。這時(shí)，粉末床下移一個(gè)分層厚度，供粉缸上移，鋪粉滾筒重新鋪粉，激光束進(jìn)行下一個(gè)分層的燒結(jié)，前后燒結(jié)的實(shí)體片層自然粘接為一體，如此循環(huán)往復(fù)，逐層堆疊，直至三維實(shí)體零件燒結(jié)完成。

 

SLS技術(shù)具有可直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬制品并且制作時(shí)間短，使用材料廣泛，價(jià)格低廉，材料利用率極高，制造工藝比較簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化，應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)。此外，該工藝無(wú)需設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，未燒結(jié)的粉末直接支撐成形過(guò)程中的懸空部分，成形精度平均可達(dá)0.05～2.5 mm[11]，可以實(shí)現(xiàn)一定批量的個(gè)性化定制[12]。但 SLS工藝也存在很多不足：原材料和設(shè)備成本都很高；零件內(nèi)部疏松多孔，表面粗糙度較大，機(jī)械性能不足；零件質(zhì)量容易受到粉末的影響；成形時(shí)消耗大量的能量，需要比較復(fù)雜的輔助工藝；零件的最大尺寸受到限制。

圖2　選擇性激光燒結(jié)原理

Fig.2 Schematic of SLS

 

1.2　選擇性激光熔化成形（SLM）

選擇性激光熔化成形（SLM）是在SLS基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的一種快速成形技術(shù)。SLM 的基本原理[13-14]是利用計(jì)算機(jī)三維建模軟件（UG、Pro/E等）設(shè)計(jì)出零件實(shí)體模型，然后用切片軟件將三維模型切片分層，得到一系列截面的輪廓數(shù)據(jù)，輸入合適的工藝參數(shù)，由輪廓數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出激光掃描路徑，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將按照設(shè)計(jì)好的路徑控制激光束逐層熔化金屬粉末，層層堆積形成實(shí)體金屬零件。成形原理如圖3所示，激光束掃描開(kāi)始前，利用鋪粉輥均勻地在成形缸的基板上鋪上一層很薄的金屬粉末，計(jì)算機(jī)控制激光束對(duì)當(dāng)前層進(jìn)行選擇性激光熔化，熔化的金屬粉末冷卻固化后，成形缸降低一個(gè)單位高度，粉料缸上升一個(gè)單位高度，鋪粉輥在加工好的片層之上重新鋪好金屬粉末，激光束開(kāi)始掃描新一層，如此層層疊加，直至整個(gè)零件成形。SLM 的整個(gè)加工過(guò)程在惰性氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行，以避免在高溫下金屬發(fā)生氧化[15]。

 

SLM與SLS主要區(qū)別在于SLS并未完全熔化金屬粉末，而SLM將金屬粉末完全熔化后成形。SLM優(yōu)點(diǎn)是：金屬零件的致密度超過(guò)99%，優(yōu)良的機(jī)械性能與鍛造相當(dāng)[16-17]；粉末完全熔化，所以尺寸精度很高（可達(dá)±0.l mm），表面粗糙度較好（Ra為20～50 μm）[18]；選材廣泛，利用率極高并且省去了后續(xù)處理工藝。然而SLM也存在一些缺陷，如SLM設(shè)備昂貴，制造速度偏低，工藝參數(shù)很復(fù)雜，需要加支撐結(jié)構(gòu)。

圖3　選擇性激光熔化成形原理[19]

Fig.3 Schematic of SLM [19]

 

1.3　直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）

直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）是一種利用高能量的激光束（200 W），根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)直接燒結(jié)金屬粉末薄層（20～60 μm）形成致密的實(shí)體零件[20]。DMLS與SLS的原理基本相同，主要區(qū)別在于粉末的性質(zhì)。圖 4給出了 DMLS工藝中的重要部件有構(gòu)建平臺(tái)、分配器單元、重涂單元、激光系統(tǒng)、精密光學(xué)元件（如F-θ透鏡或聚焦單元）、高速掃描儀和計(jì)算機(jī)工藝軟件[21-22]。DMLS技術(shù)構(gòu)建原型零件/模具的步驟如下：①原型零件/模具三維 CAD模型的建立；②將 CAD模型轉(zhuǎn)換為 STL格式；③定義支撐結(jié)構(gòu)和需要平滑角/邊；④將STL模型切成薄層；⑤將文件層STL發(fā)送到DMLS-AM/快速成形機(jī)器。

 

通過(guò)DMLS打印的零部件具有不同的材料結(jié)構(gòu)/機(jī)械性能，然而常規(guī)技術(shù)要獲得這樣的結(jié)果取決于材料。DMLS工藝最大的優(yōu)勢(shì)在于不需要昂貴且費(fèi)時(shí)的預(yù)處理和后續(xù)處理工藝[23]，且制作精度高（±0.05 mm），零件整體致密度達(dá)到理論密度的90%以上，可用于小批量生產(chǎn)。然而由于金屬粉末在 DMLS中的“球化”效應(yīng)和燒結(jié)變形，使形狀復(fù)雜的金屬零件很難精確成形[24]。成形過(guò)程中需要支撐結(jié)構(gòu)，成形后需要用電火花線(xiàn)切割機(jī)從基板上切下金屬零件。

圖4　直接金屬激光燒結(jié)原理[25]

Fig.4 Schematic of DMLS [25]

 

1.4　電子束熔化成形（EBM）

電子束熔化成形（EBM）是另一種以 PBF為基礎(chǔ)的增材制造工藝，在真空環(huán)境中，采用高能高速的電子束選擇性地熔化金屬粉末層或金屬絲，熔化成形，層層堆積直至形成整個(gè)實(shí)體金屬零件[26]?；驹砣鐖D5a所示，在EBM中加熱的鎢絲發(fā)射高速電子，然后由兩個(gè)磁場(chǎng)控制，即聚焦線(xiàn)圈和偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈。聚焦線(xiàn)圈作為磁性透鏡，將光束聚焦到所需直徑至 0.1 mm，而偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈使聚焦光束在所需點(diǎn)偏轉(zhuǎn)以?huà)呙杞饘俜勰27]。當(dāng)電子高速撞擊金屬粉末時(shí)，它的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，熔化金屬粉末。EBM的工藝步驟如圖5b所示，先將平臺(tái)加熱到一定溫度后，按預(yù)設(shè)厚度均勻地將金屬粉末鋪在平臺(tái)上，每個(gè)粉末層掃描分為預(yù)熱和熔化兩個(gè)階段。在預(yù)熱階段，通過(guò)使用高掃描速度的高電子束多次預(yù)熱粉末層（預(yù)熱溫度高達(dá)0.4～0.6Tm）；熔化階段，使用低掃描速度的低電子束來(lái)熔化金屬粉末。當(dāng)一層掃描完成后，臺(tái)面下降，重新鋪放金屬粉末層，重復(fù)該過(guò)程直到形成所需的金屬部件。EBM整個(gè)工藝在10-2～10-3 Pa的高真空下進(jìn)行。

圖5　電子束熔化成形技術(shù)

Fig.5 Electron beam melting technology a) schematic of EBM [29], b) steps of EBM proces

 

電子束熔化成形（EBM）工藝類(lèi)似于 SLM，唯一的不同之處是熔化粉末層的能量源，這里使用電子束代替激光[7]。EBM技術(shù)具有成形速度快、無(wú)反射、能量利用率高、在真空中加工無(wú)污染和可加工傳統(tǒng)工藝不能加工的難熔、難加工材料等優(yōu)點(diǎn)[28]。而 EBM技術(shù)的缺點(diǎn)是：需要專(zhuān)用的設(shè)備和真空系統(tǒng)，成本昂貴；打印零件尺寸有限；在成形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的X射線(xiàn)，需要采取有效的保護(hù)措施，防止其泄露對(duì)實(shí)驗(yàn)人員和環(huán)境造成傷害。

 

1.5　激光工程化凈成形（LENS）

激光工程化凈成形（LENS）是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合選擇性激光燒結(jié)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種金屬3D打印技術(shù)[30]。LENS工作原理同選擇性激光燒結(jié)技術(shù)相似，采用大功率激光束，按照預(yù)設(shè)的路徑在金屬基體上形成熔池，金屬粉末從噴嘴噴射到熔池中，快速凝固沉積，如此逐層堆疊，直到零件形成。如圖6所示，LENS系統(tǒng)主要由激光系統(tǒng)、粉末輸送系統(tǒng)和惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)組成。首先通過(guò)三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維CAD實(shí)體模型，然后將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成 STL格式的文件，再利用切片軟件將實(shí)體模型的 STL文件切分成一定厚度的薄層，并得到每一層掃描軌跡，最后把生成的數(shù)據(jù)傳送到LENS系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)給定的數(shù)據(jù)，層層沉積形成致密的金屬零件[31]。

 

激光工程化凈成形技術(shù)與常規(guī)的零件制造方法相比，極大地降低了對(duì)零件可制造性的限制，提高了設(shè)計(jì)自由度，可制造出內(nèi)腔復(fù)雜、結(jié)構(gòu)懸臂的金屬零件，能制造出化學(xué)成分連續(xù)變化的功能梯度材料，并且還能對(duì)復(fù)雜零件和模具進(jìn)行修復(fù)。由于使用的是高功率激光器進(jìn)行熔覆燒結(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)零件體積收縮過(guò)大，并且燒結(jié)過(guò)程中溫度很高，粉末受熱急劇膨脹，容易造成粉末飛濺，浪費(fèi)金屬粉末。

圖6　激光工程化凈成形原理[32]

Fig.6 Schematic of LENS[32]

 

2　金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用

 

2.1　選擇性激光燒結(jié)（SLS）的應(yīng)用

SLS技術(shù)在金屬零件制造中占有重要地位，它的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括汽車(chē)制造、航空航天、建筑橋梁、海洋、醫(yī)學(xué)和模具等領(lǐng)域。據(jù)德國(guó) EOS公司透露，新一代戰(zhàn)機(jī) F-35Lighte-ningⅡ飛機(jī)中有 1600個(gè)零部件使用 SLS技術(shù)快速成形制造出來(lái)的，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）公司已經(jīng)在研究使用SLS技術(shù)制造飛機(jī)[33]。美國(guó)采用SLS技術(shù)制備AIM-9響尾蛇導(dǎo)彈制導(dǎo)部分的基座[34]。此外EOS公司用SLS技術(shù)制造不銹鋼（316L）內(nèi)腔鏡、鎳合金（IN625/IN718）高溫渦輪部件、鈦合金（Ti64）醫(yī)療植入和鋁合金（AlSi10Mg）賽車(chē)零件等[35]。

 

2.2　選擇性激光熔化成形（SLM）的應(yīng)用

近年來(lái)，各國(guó)加大了對(duì)SLM工藝的研究及設(shè)備投入，使得SLM技術(shù)制造金屬部件快速商業(yè)化，開(kāi)始應(yīng)用于航空、汽車(chē)、醫(yī)療器械和武器裝備等領(lǐng)域。2012年美國(guó)通用電氣公司（GE）收購(gòu)了Morris Technologies公司，利用該公司 SLM 設(shè)備與工藝技術(shù)成功制造出LEAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴[36]。歐洲空中客車(chē)集團(tuán)創(chuàng)新中心（Airbus Group Innovations）用Ti-6Al-4V合金，采用SLM技術(shù)制備空客320和380飛機(jī)的艙門(mén)托架和發(fā)動(dòng)機(jī)艙門(mén)鉸鏈[37]。在醫(yī)療領(lǐng)域，SLM 技術(shù)也有廣泛的應(yīng)用，西班牙薩拉曼卡大學(xué)利用澳大利亞科學(xué)協(xié)會(huì)研制的Arcam型SLM儀器制造出了鈦合金胸骨與肋骨，并成功植入罹患胸廓癌的患者體內(nèi)[38]。

 

2.3　直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）的應(yīng)用

目前，DMLS技術(shù)在航空、船舶、機(jī)械和模具制造及修復(fù)行業(yè)應(yīng)用廣泛。美國(guó)奧斯汀大學(xué)用INCONEL625超級(jí)合金和 Ti-6Al-4合金，成功制造出 F1戰(zhàn)斗機(jī)和AIM-9導(dǎo)彈的金屬零部件[39]。DMLS技術(shù)可對(duì)大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備重要零部件，如齒輪、軸、葉片、閥門(mén)及模具等，進(jìn)行磨損、腐蝕和沖蝕后的修復(fù)。德國(guó)EOS公司研發(fā)出DMLS的高階模具技術(shù)，可直接燒結(jié)各種金屬粉末，如銅基合金、鋁硅鎂、鈷基超級(jí)合金、鎳基超級(jí)合金、模具鋼、不銹鋼及鈦合金（TiCP/Ti64）等，來(lái)發(fā)展高階模具技術(shù)。EOS研發(fā)DMLS技術(shù)用于設(shè)計(jì)異型冷卻水路，達(dá)到了最佳的冷卻效果，提升了射出效率。此外，在高度復(fù)雜的模具工業(yè)中，DMLS非常適用于對(duì)局部的模具制造，尤其在大型模具制造中，異型冷卻水路與DMLS結(jié)合可以將模具制作的效益發(fā)揮到最大[40]。

 

2.4　電子束熔化成形（EBM）的應(yīng)用

目前，從事EBM技術(shù)研究的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)有橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、瑞典Arcam公司、意大利AVIO公司、清華大學(xué)、北京航空制造工程研究所和中航工業(yè)制造所等。EBM 技術(shù)在航天航空、生物醫(yī)療及汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。意大利 AVIO公司利用EBM技術(shù)成功地制備出了TiAl基合金的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片，比傳統(tǒng)方法制造的葉片質(zhì)量減輕了20%以上，并且制造時(shí)間也大大縮短[41]。中航工業(yè)制造所利用BEM技術(shù)對(duì)鈦合金、鈦鋁金屬間化合物在航空上的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，將Ti-6Al-4V合金的性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)進(jìn)水平，并成功研制出多個(gè)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)工藝試驗(yàn)件[42]。生物醫(yī)學(xué)植入方面，用EBM技術(shù)打印的顱骨、脊椎骨、髖臼杯和鈦合金關(guān)節(jié)頭等骨科植入物已經(jīng)成功得到臨床應(yīng)用[37]。

 

2.5　激光工程化凈成形（LENS）的應(yīng)用

LENS技術(shù)主要應(yīng)用于國(guó)防、航空航天和醫(yī)療器械等方面，可制備功能梯度材料，修復(fù)鈦合金葉片和整體葉盤(pán)等部件，并且其力學(xué)性能達(dá)到鍛造水平，也可運(yùn)用到直升機(jī)、客機(jī)、導(dǎo)彈和 F-22戰(zhàn)斗機(jī)的制造中[19]。北京航空航天大學(xué)王華明教授團(tuán)隊(duì)用 LENS技術(shù)研究出高含碳量（9%～12%）的激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫自潤(rùn)滑特種耐磨涂層的新材料，并成功應(yīng)用到我國(guó)某新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵熱端高溫耐磨運(yùn)動(dòng)副零部件上[43]。此技術(shù)還用在醫(yī)療植入，采用與人體相容性良好的 Ni、Ti合金材料，制備出空隙率達(dá)70%的植入體，延長(zhǎng)了植入體的使用壽命[44]。

 

3　總結(jié)與展望

 

金屬3D打印技術(shù)具有諸多的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、石油天然氣、海洋、汽車(chē)、制造工具和醫(yī)療領(lǐng)域開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。首先，它可以大大減少買(mǎi)飛比（輸入材料質(zhì)量與最終零件質(zhì)量之比）。對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和結(jié)構(gòu)部件的買(mǎi)飛比分別高達(dá) 10:1和20:1，金屬 3D打印可以根據(jù)零件要求逐層添加材料成形所需要的構(gòu)件，將買(mǎi)飛比降低到 1:1。其次金屬3D打印可以生產(chǎn)高度復(fù)雜的零件和自由設(shè)計(jì)的零件，它可以使用有限元分析（FEA）來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出具有低密度、高強(qiáng)度、高能量吸收和良好熱性能的晶體結(jié)構(gòu)，可用于輕量化和更好的散熱。金屬 3D打印還可以減少制造零件所需的模具，降低裝配要求，將裝配所需的零件數(shù)量集成到單個(gè)零件中，以減少制造時(shí)間，降低制造工藝要求并優(yōu)化所需的機(jī)械性能。雖然金屬3D打印技術(shù)取得了重大進(jìn)展和技術(shù)進(jìn)步，但在速度、準(zhǔn)確性、工藝控制和成本效益等方面的表現(xiàn)仍有待提高。現(xiàn)今研究和開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)是解決儀器成本、構(gòu)建速度、原料成本、表面光潔度、零件尺寸以及質(zhì)量和認(rèn)證等突出問(wèn)題。

 

目前3D打印金屬零件昂貴，隨著金屬3D打印技術(shù)的逐步發(fā)展，預(yù)計(jì)制造成本會(huì)下降，表面光潔度的提升、零件質(zhì)量的改進(jìn)及零件尺寸的增加將會(huì)使其在各行各業(yè)開(kāi)辟應(yīng)用空間。未來(lái)可以根據(jù)材料的屬性-結(jié)構(gòu)-加工關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)零件性能，實(shí)現(xiàn)前期工藝質(zhì)量缺陷監(jiān)測(cè)，節(jié)省所需的原材料和制造時(shí)間。預(yù)測(cè)工藝模型化，更好地了解物理和冶金機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)性能變化，可將金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到淋漓盡致。