金屬增材制造研究現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

劉繼常

（1.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082；2.長(zhǎng)沙嘉程機(jī)械制造有限公司，湖南長(zhǎng)沙410082）

增材制造俗稱(chēng)“3D打印”，它是把實(shí)體的3D模型文件通過(guò)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成STL文件（或直接）進(jìn)行分層切片，并形成掃描路徑，計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描路徑向機(jī)器發(fā)出指令，把材料逐層堆積融合，最終形成一個(gè)實(shí)體零件或原型[1]；然后把零件或原型從基板上除下來(lái)并進(jìn)行后處理后進(jìn)行使用。一般的增材制造過(guò)程見(jiàn)圖1[2]。本文將對(duì)增材制造中的金屬增材制造工藝進(jìn)行研究分析。

圖1 通常的增材制造流程

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.1 單工藝金屬增材制造

增材制造自20世紀(jì)80年代問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，出現(xiàn)了多種金屬增材制造工藝[1-17]，包括：粉末床熔融、能量直接沉積、薄片疊層制造、金屬熔融三維直寫(xiě)、粘結(jié)劑噴射成形、液體金屬擠出成形等，如圖2～圖7所示。其中，粘結(jié)劑噴射成形、液體金屬擠出成形還處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未出現(xiàn)商業(yè)系統(tǒng)；而粉末床熔融、能量直接沉積已是當(dāng)前商業(yè)化最好的金屬增材制造工藝。能量直接沉積工藝的材料又分為粉末和絲材，其中激光直接沉積（熔覆）材料以粉末為主，而電子束、電弧直接沉積工藝一般選用絲材作為沉積材料。此外，金屬熔融三維直寫(xiě)工藝用絲材作為成形材料，且目前金屬熔融三維直寫(xiě)和液體金屬擠出成形工藝只能成形熔點(diǎn)較低的金屬材料。

圖2 金屬粉末床增材制造工藝

圖3 能量直接沉積工藝

圖4 薄片疊層成形工藝

圖5 金屬熔融三維直寫(xiě)

目前，金屬增材制造工藝最常用的二種工藝為金屬粉末床激光熔融（選區(qū)激光熔化）和金屬粉末激光直接沉積（激光熔覆）。國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、湖南大學(xué)等高校及中科院、航空總公司、航天總公司所屬科研院所和大型企業(yè)都進(jìn)行了大量研究；國(guó)際上，美國(guó)密歇根大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)、桑地亞國(guó)際實(shí)驗(yàn)室、比利時(shí)魯汶大學(xué)、英國(guó)利茲大學(xué)、英國(guó)利物浦大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)、日本大阪大學(xué)、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、德國(guó)弗朗和夫射線研究所、EOS公司等高校、科研院所和大型企業(yè)也進(jìn)行了大量研究，這兩種工藝已在生物醫(yī)療、航空航天、模具制造等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用[18-45]。

圖6 粘結(jié)劑噴射成形

圖7 液體金屬擠出成形

近年來(lái)，用金屬絲材進(jìn)行增材制造的工藝不斷興起。例如：美國(guó)NASA Langley Research Center的M Taminger等開(kāi)發(fā)了電子束直接沉積絲材成形系統(tǒng)[10]；美國(guó) University of Kentucky的 Yuming Zhang等提出了氣體金屬電弧焊工藝成形金屬零件[11-12]，如圖3b、圖3c所示；國(guó)內(nèi)也開(kāi)發(fā)了金屬熔融三維直寫(xiě)技術(shù)，也是用絲材作為成形材料（圖5）。

1.2 復(fù)合工藝金屬增材制造

上述幾種工藝都是單一能源且單一成形工件的增材制造工藝。為了提高制件質(zhì)量、節(jié)約能源、提升效率，研究人員又提出了一些復(fù)合工藝。例如：華中科技大學(xué)張海鷗、英國(guó)Cranfield University的Colegrove等提出了能量沉積+連續(xù)微鍛壓復(fù)合直接金屬制造方法（圖8）。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，該復(fù)合工藝能提高制件致密度，并已在飛機(jī)上有所應(yīng)用[46-49]。

目前的研究熱點(diǎn)之一是激光+熱絲復(fù)合增材制造工藝。例如：美國(guó)Chalmers University of Technology提出了機(jī)器人激光+金屬熱絲復(fù)合沉積工藝（圖9）[5，50]；清華大學(xué)采用側(cè)向送電阻加熱的絲材+激光熔覆（沉積）的方法，對(duì)馬氏體沉淀硬化的不銹鋼件進(jìn)行修復(fù)[51]；美國(guó)南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)了側(cè)向送電阻加熱的絲材+激光熔覆（沉積）過(guò)程，其試驗(yàn)裝置中除了側(cè)向送電阻加熱的絲材+激光熔覆系統(tǒng)外，用一個(gè)綠色激光束側(cè)向照射熔池，一個(gè)CCD在另一側(cè)接收綠色激光與熔池作用后發(fā)射的信號(hào)（圖 10）[52]。

圖8 能量沉積+連續(xù)微鍛壓復(fù)合直接金屬制造

圖9 機(jī)器人激光+金屬熱絲復(fù)合沉積

圖10 激光+金屬熱絲復(fù)合沉積及其檢測(cè)裝置示意圖

2 金屬增材制造存在的問(wèn)題

眾所周知，增材制造有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于其他金屬零件制造工藝，增材制造適用于生產(chǎn)復(fù)雜程度中度或高度的零件，但只適合于制造少量的零件（圖11）[5-6]。目前，由于金屬增材制造還存在一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：制件質(zhì)量缺陷、成本過(guò)高、效率太低，所以在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用還很少。

圖11 增材制造與其他金屬制造工藝生產(chǎn)能力比較

2.1 制件質(zhì)量問(wèn)題

制件質(zhì)量問(wèn)題包括二個(gè)方面：制件質(zhì)量缺陷和工藝過(guò)程不穩(wěn)定而導(dǎo)致的質(zhì)量不穩(wěn)定。

（1）質(zhì)量缺陷

增材制造的金屬零件存在的主要質(zhì)量缺陷為致密度不高、裂紋與變形、表面粗糙及精度不高。致密度不高的缺陷主要發(fā)生在以粉末為材料的增材制造零件中，用絲材增材制造的零件致密度較好。圖12是選區(qū)激光熔化（粉末床熔融）的Ti-6Al-4V零件的兩個(gè)截面及其孔洞[53-54]?？煽闯觯诹慵煌孛嫔隙汲霈F(xiàn)了一些孔洞，產(chǎn)生的原因主要有兩種：第一種為加熱過(guò)度，金屬液溫度過(guò)高，氣化形成金屬氣體，由于來(lái)不及排出而滯留在零件中，導(dǎo)致孔洞的出現(xiàn)（圖12c）；第二種為加熱不夠，一些金屬粉末不能熔化或與其接觸的材料（前一道熔覆帶或基板）不能融合，也導(dǎo)致孔洞的出現(xiàn)（圖12d）。

所有的金屬增材制造工藝都存在著相同程度的制件可能產(chǎn)生變形與裂紋的問(wèn)題[1，2，4，7，45，54，55]。 變形與裂紋來(lái)源于成形過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的根源是溫度梯度不合理。如圖13所示，不同溫度梯度導(dǎo)致的裂紋形成與破壞程度有所不同[55]。

所有的增材制造工藝成形的金屬零件表面都比機(jī)械加工的零件表面粗糙。在現(xiàn)有的金屬增材制造工藝中，相對(duì)而言，選區(qū)激光熔化（金屬粉末床熔融）的零件表面粗糙度值較小，可達(dá)Ra5 μm以下，經(jīng)表面噴丸處理后，表面粗糙度值會(huì)更低；能量直接沉積的零件表面粗糙度值較大，有時(shí)甚至?xí)^(guò)Ra100 μm。

關(guān)于金屬增材制造的制件尺寸精度，相對(duì)而言，選區(qū)激光熔化（金屬粉末床熔融）的零件精度較高，誤差小至25 μm，而能量直接沉積的零件精度較低；同軸送絲或送粉工藝的制件形狀、尺寸精度比側(cè)向供料的高，激光直接沉積的制件精度表面質(zhì)量比其他能量沉積的都好[5]。

（2）工藝過(guò)程不穩(wěn)定

所有的金屬增材制造工藝都存在或多或少的過(guò)程不穩(wěn)定問(wèn)題。但相比較而言，以粉末為材料的增材制造工藝過(guò)程的不穩(wěn)定現(xiàn)象更嚴(yán)重。

圖12 選區(qū)激光熔化（粉末床熔融）Ti-6Al-4V零件

圖13 不同溫度梯度導(dǎo)致的裂紋形成與破壞

如圖14所示，在送粉激光熔覆 （激光直接沉積）工藝過(guò)程中，通常因?yàn)槟硞€(gè)工藝參數(shù)的波動(dòng)，導(dǎo)致工件表面狀態(tài)惡化，如果不能及時(shí)補(bǔ)償、修正，將進(jìn)一步導(dǎo)致工藝過(guò)程無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，甚至使工件報(bào)廢[55]。因此，如何檢測(cè)、控制工藝過(guò)程十分重要。

圖14 送粉激光熔覆（激光直接沉積）過(guò)程不穩(wěn)定的問(wèn)題

就選區(qū)激光熔化（金屬粉末床熔融）工藝而言，球化是最常出現(xiàn)的問(wèn)題（圖15）。一旦在成形過(guò)程中出現(xiàn)球化現(xiàn)象，問(wèn)題就會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，鋪粉動(dòng)作會(huì)受阻，成形工藝將無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行[25，56，57]。

圖15 球化累積阻礙鋪粉

2.2 成本過(guò)高

金屬增材制造的成本包括設(shè)備等固定成本及運(yùn)行成本。金屬增材制造設(shè)備價(jià)格相對(duì)昂貴，進(jìn)口的金屬粉末床熔融設(shè)備最少也超過(guò)100萬(wàn)元，通?？蛇_(dá)400萬(wàn)元左右；激光直接沉積（熔覆）設(shè)備也需200萬(wàn)元左右。目前，激光器價(jià)格下跌，特別是500～1000 W光纖激光器價(jià)格下跌很大，使整套設(shè)備成本也相應(yīng)降低。但因?yàn)槠渌匾考r(jià)格仍較高，所以金屬增材制造設(shè)備價(jià)格還是相對(duì)昂貴。

運(yùn)行成本主要包括材料、輔助材料、水電消耗、人工等。金屬粉末的價(jià)格比一般型材貴10倍左右，而絲材的價(jià)格僅約粉末的一半。輔助材料主要為保護(hù)氣體，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，消耗越大。水電消耗與設(shè)備的電光轉(zhuǎn)化效率、運(yùn)行功率、運(yùn)行時(shí)間等有關(guān)。在作為能源的激光器中，以光纖激光器（半導(dǎo)體激光器因?yàn)楣獍吣Ｊ絾?wèn)題而較少應(yīng)用于增材制造）的電光轉(zhuǎn)化效率最高；若直接用電作為加熱能源，則能源利用率最高。人工不僅包括增材制造作業(yè)人工，還包括前后處理人工。目前，增材制造作業(yè)及前后處理的時(shí)間都較長(zhǎng)，從而使輔助材料、水電消耗、人工等成本升高，加之材料價(jià)格昂貴，所以金屬增材制造運(yùn)行成本高。

2.3 生產(chǎn)效率低

目前的金屬增材制造效率還很低。除去增材制造前后處理時(shí)間，成形一個(gè)零件一般需要幾小時(shí)，有時(shí)需要幾十天。這么長(zhǎng)的成形時(shí)間，不僅降低了效率、增加了成本，對(duì)設(shè)備也是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

在常用的金屬增材制造工藝中，選區(qū)激光熔化（金屬粉末床激光熔融）的效率最低，每小時(shí)的成形體積僅為5～20 cm3。相對(duì)而言，同一種工藝，用絲材成形的效率較高。效率最高的是絲材的能量直接沉積增材制造工藝，每小時(shí)可成形超過(guò)2500 cm3[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已涌現(xiàn)了不少金屬增材制造工藝，根據(jù)不同的能源、不同形態(tài)的材料、不同的供料方式，可將其分為多種類(lèi)型，并出現(xiàn)了復(fù)合增材制造工藝。對(duì)比以金屬粉末為成形材料的增材制造工藝和以金屬絲為成形材料的增材制造工藝，前者尺寸精度和表面質(zhì)量較好，材料利用率和生產(chǎn)效率較低。由于受到激光器等價(jià)格下降的影響，增材制造設(shè)備成本也有所降低，但質(zhì)量和效率兩大問(wèn)題依舊沒(méi)有解決。從金屬增材制造的發(fā)展歷程看，為了進(jìn)一步推廣應(yīng)用，必須開(kāi)發(fā)全新的工藝。

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