3D打印技術(shù)研究概況

供稿|陳志茹，夏承東，李龍，楚瑞坤，周德敬 / CHEN Zhi-ru, XIA Cheng-dong, LI Long, CHU Rui-kun,ZHOU De-jing

作者單位：1. 銀邦金屬復(fù)合材料股份有限公司技術(shù)研究院，江蘇 無錫 214145；2. 飛而康快速制造科技有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 無錫 214145

3D打印的思想起源于19世紀的美國，20世紀80年代得到發(fā)展和推廣。相對于傳統(tǒng)生產(chǎn)過程所用的“減材加工”方法而言，3D打印是一種“增材制造”技術(shù)，其結(jié)合了計算機軟件、材料、機械等多領(lǐng)域的系統(tǒng)性、綜合性特點，運用粉末金屬或線材塑料等可黏合材料，通過選擇性黏結(jié)逐層堆疊積累的方式來制造實體零件，可省去繁瑣的工序，快速打印出形狀復(fù)雜的零件[1-3]。3D打印技術(shù)以其獨特優(yōu)勢，使其成為“第三次工業(yè)革命”的重要標(biāo)志。隨著科技的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)、航天、汽車、電子、生物、建筑、藝術(shù)等領(lǐng)域都得到了實際應(yīng)用[4-5]，如圖1所示。

圖1 3D打印應(yīng)用領(lǐng)域

2011年，英國南安普頓大學(xué)的工程師使用3D打印技術(shù)制造出世界首架無人駕駛飛機[6]。2013年，美國普惠·洛克達因公司采用選擇性激光熔覆技術(shù)制造了J-2X火箭發(fā)動機的排氣孔蓋，并試驗成功[7]。近幾年，中國在3D打印技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，主要研究團隊有：西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西北有色金屬研究總院、中航重機研究團隊、北京航空制造工程研究所和材料研究所等為代表的高校、科研院所以及企業(yè)研發(fā)團隊。由SOOPAT統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在2013年至2017年公開專利1.3萬項，專利年公開數(shù)量具體如圖2所示。2016年4月在北京成立的全國增材制造標(biāo)準化技術(shù)委員會，以及計劃制定的“增材制造技術(shù)工藝和材料分類”“增材制造技術(shù)主要特性和測試方法”等8項國家標(biāo)準，對于中國3D打印技術(shù)的快速發(fā)展將起到重要的促進和引領(lǐng)作用。3D打印技術(shù)涉及內(nèi)容廣泛，主要包括3D打印中的CAD建模、切片軟件、數(shù)控程序、打印工藝、打印材料等，文章對3D打印技術(shù)的研究概況及應(yīng)用進行了概括總結(jié)。

圖2 2013—2017年專利數(shù)量趨勢圖

3D打印技術(shù)研究概況

1988年，美國3DSystem公司推出的首臺商用“液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型機”SLA-250，采用光固化成型技術(shù)(Stereo Lithography Appearance，SLA)開啟了現(xiàn)代3D打印技術(shù)的大門。1992年美國麻省理工學(xué)院的Saches和Cima首先提出了“3D打印技術(shù)”的概念，3D打印自此日益受到關(guān)注[8]。隨著快速成型技術(shù)的推進，逐漸發(fā)展出了熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laster Sintering，SLS)、分層實體造型(Laminated Object Manufacturing，LOM)、三維打印(3 Dimensional Printing，3DP)、激光選區(qū)熔化成型技術(shù)(Selective Laster Melting，SLM)、電子束熔化沉積成型技術(shù)(Electron Beam Melting，EBM)等十幾種3D打印技術(shù)，常用3D打印技術(shù)及優(yōu)缺點見表1[9-15]。

3D打印技術(shù)簡介

光固化成型技術(shù)(SLA)

光固化成型技術(shù)是最早發(fā)展的快速成型技術(shù)，主要以液態(tài)光敏樹脂為原料(如丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂等)，控制紫外線掃描液態(tài)的光敏樹脂，使其有序累加固化成型[16]。光固化成型工藝制作的立體樹脂?？梢蕴娲荑T造中的蠟?zāi)＿M行結(jié)殼，可提高澆鑄件模型密度，從而獲得表面光潔度好的合金鑄件[17]。陸紅紅等[7]提出光固化成型技術(shù)的樹脂片模型作為熔模進行熔模鑄造葉片，葉片模型尺寸精度高、表面質(zhì)量好、制備效率高。機械制造中，SLA技術(shù)制造的模具可用于注塑件的生產(chǎn)，這些模具可以重復(fù)的使用幾百甚至上千次，對于模具中復(fù)雜部分可降低生產(chǎn)周期和加工難度[18-20]。

表1 常用3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點對比

熔融沉積成型技術(shù)(FDM)

熔融沉積成型技術(shù)是將絲狀的熱塑性材料從加熱的噴頭擠出，按照設(shè)定好的平面軌跡和速率進行溶體的逐層沉積，凝固成型[21]，如圖3所示。FDM成型技術(shù)中填充率、層厚、填充量、打印速度等對打印試樣的性能有重要的影響。Spisak E等[22]通過規(guī)劃新的掃描路徑來優(yōu)化制品的力學(xué)性能，表明合適的掃描路徑可以增強制品主受力方向的拉伸強度。朱晨穎[23]對PepGo Transformers打印機工藝參數(shù)的優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)打印速度對水平方向的尺寸精度有顯著的影響，較小的層高可以提高成型件的表面精度，尤其是成型方向的尺寸精度，因此可以根據(jù)所需要的精度調(diào)整打印方向。

圖3 熔融沉積成型技術(shù)示意圖

選擇性激光燒結(jié)(SLS)

圖4 選擇性激光燒結(jié)原理圖

選擇性激光燒結(jié)的工作原理是將零件的三維實體模型按照一定的厚度進行分層，由計算機控制高能激光束逐層的掃描燒結(jié)攤鋪在工作腔表面的粉末，從而固結(jié)成致密件[24]，如圖4所示。SLS技術(shù)制造金屬部件時，可分為間接法(聚合物覆膜金屬粉末)和直接法(直接金屬粉末燒結(jié)法，DMLS)[25]。燒結(jié)件的質(zhì)量取決于燒結(jié)工藝的優(yōu)化，科研工作者對此進行了大量的實驗研究。Bai[26]研究了選擇性激光燒結(jié)工藝對聚乙烯機械性能的影響，指出增強激光掃描的強度可以強化燒結(jié)件，優(yōu)化表面質(zhì)量；冷卻速度對燒結(jié)件的機械性能有顯著的影響，冷卻速度越慢，聚乙烯的強度越高。楊來俠[27]等對機械混合后的PS/ABS復(fù)合粉末進行SLS燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)激光功率的增加可以提高燒結(jié)件的彎曲強度，而掃描速度、掃描間距、單層厚度的增加會降低燒結(jié)件的彎曲強度。Fatemi[28]對DLMS燒結(jié)制備316鋼的工藝參數(shù)的實驗研究指出：激光掃描速度一定時，增加激光頻率可以增加層厚；激光頻率一定時，增加掃描速度會降低層厚。因此增加激光頻率及電流，降低掃描速度，可以制備高致密的燒結(jié)件，這為DLMS燒結(jié)工藝優(yōu)化指出了明確的方向。

選擇性激光熔化(SLM)

選擇性激光熔化是對三維實體模型切片分層后，將各層輪廓數(shù)據(jù)生成激光掃描填充路徑，控制激光束沿掃描路徑逐層進行金屬粉末的選區(qū)熔化，粉末床下降一個粉末層厚度的高度，鋪設(shè)新的粉末，層層加工直至整個零件完成，整個制備在真空環(huán)境下進行[29]。以華南理工大學(xué)等為代表的科研團隊研發(fā)的可通惰性保護氣選擇性激光熔化成型設(shè)備，制備零件精度達到0.01 mm，表面粗糙度達到30~50 μm，致密度接近100%[30，31]。相比傳統(tǒng)精密鑄造，整個零件的生產(chǎn)周期由30 d左右縮減到2~5 d，例如汽車離合器殼體、發(fā)動機缸體的鑄造。SLM技術(shù)大大減少了新產(chǎn)品的研制周期、降低了生產(chǎn)成本，提高了鑄造水平[32]。張冬云[33]的研究表明SLM工藝優(yōu)化后制備的AlSi10Mg拉伸試樣的力學(xué)性能超過了該合金鑄造后經(jīng)時效的拉伸試樣性能，證明了SLM技術(shù)是直接制造金屬模型和零件的有效方法。史金光[34]、李文賢[35]等對SLM燒結(jié)制備的試樣進行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚?，發(fā)現(xiàn)試樣成形后的裂紋和孔隙明顯減少，強度得到提高。Hengsbach[36]對SLM技術(shù)制備的雙相不銹鋼的組織性能研究中發(fā)現(xiàn)，SLM技術(shù)的快速冷卻可以抑制奧氏體相的生成，且TEM觀測到高密度位錯，試樣經(jīng)熱處理后，組織內(nèi)再結(jié)晶形成奧氏體-鐵素體雙相鋼，但其抗拉強度要明顯低于鐵素體相試樣。

電子束熔化技術(shù)(EBM)

電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)與激光選區(qū)熔化成形技術(shù)相似，只是熱源由激光束換成了電子束，也是一種基于粉末床的鋪粉成形技術(shù)。EBM技術(shù)制造的產(chǎn)品精度好，致密度高，通常用來制造鈦合金件，用于航空航天部件或醫(yī)療植入件。清華大學(xué)郭超科研團隊[37]自主研發(fā)的雙金屬EBM技術(shù)制備的鈦合金Ti6Al4V和鈦鋁基合Ti47Al2Cr2Nb梯度材料，過渡區(qū)致密無裂紋，滿足了發(fā)動機葉片與榫頭的過渡結(jié)合。Biamino[38]等人的研究工作表明，EBM成形的鈦鋁基合金在經(jīng)過熱處理后獲得雙態(tài)組織，在經(jīng)過熱等靜壓后獲得等軸組織，材料具有與鑄件相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。葛文君[39]對電子束能量輸入、相組成和微觀組織結(jié)合起來討論，分析了電子束選區(qū)熔化Ti6Al2V微觀組織的形成和工藝參數(shù)對微觀組織的影響，對EBM成形鈦合金的組織控制工藝具有指導(dǎo)作用。由于電子束選區(qū)熔化成形過程冷卻速度較快和成形過程中的熱循環(huán)作用，Ti-47Al-2Nb-2Cr合金的片層晶團及片層寬度不一致，楊廣宇等進行后續(xù)1250℃油淬后1200℃保溫2 h熱處理工藝，最終獲得細小均勻的片層組織結(jié)構(gòu)[40]。郭超[41]同樣運用EBM技術(shù)實現(xiàn)了316L不銹鋼的成形，發(fā)現(xiàn)p/v值是影響上表面形貌的關(guān)鍵因素，并提出電子束功率遞增、多遍掃描的方法改善上表面形貌，制備成形件表面粗糙度低于8 μm，致密度高達99.96%。

分層實體制造(LOM)

分層實體制造技術(shù)是指以紙、金屬箔、塑料等薄片材料為原材料，并在其表面涂上熱熔膠，通過熱壓輥碾壓黏結(jié)成一層，用激光束按照分層處理后的CAD模型對截面輪廓進行掃描切割，最終實現(xiàn)零件的立體成形[42]，示意圖見5。Ahn[43]對LOM制備零件的表面粗糙度質(zhì)量進行研究，通過數(shù)值計算分析了表面傾斜角、層厚度、切割形狀及激光切割深度對表面質(zhì)量的影響。

圖5 分層實體制造燒結(jié)原理圖

現(xiàn)有3D打印技術(shù)對比

現(xiàn)有3D打印技術(shù)在打印材料、應(yīng)用領(lǐng)域以及3D打印設(shè)備代表服務(wù)商方面的對比情況如表2所示[44-47]。

國內(nèi)主要3D打印服務(wù)商

國內(nèi)3D打印服務(wù)商代表、打印設(shè)備及產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域如表3所示。

總結(jié)與展望

3D打印的不斷發(fā)展深化，促進了大批新技術(shù)、新設(shè)備、新材料的開發(fā)應(yīng)用，推動了工業(yè)智能化的快速發(fā)展。目前盡管科研團隊在3D打印方面做了大量的實驗研究，但與發(fā)達國家的技術(shù)相比，仍需要在3D打印技術(shù)及材料研發(fā)的廣度、深度和實際應(yīng)用方面繼續(xù)努力。我國的3D打印產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，需要通過“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合，實現(xiàn)3D打印的產(chǎn)業(yè)化與規(guī)模化；完善3D打印及3D打印技術(shù)標(biāo)準等，指導(dǎo)3D打印工業(yè)化發(fā)展；促進3D打印設(shè)備的實時監(jiān)視系統(tǒng)的研發(fā)，可以監(jiān)視熔池的尺寸波動及成形質(zhì)量，從而提高打印設(shè)備的精度；提高3D打印技術(shù)在材料成型過程中基礎(chǔ)理論的研究深度，如3D打印過程中材料對能量的吸收利用、熔池的凝固行為及內(nèi)應(yīng)力的演化規(guī)律等。

表2 現(xiàn)有3D打印技術(shù)對比

表3 國內(nèi)主要3D打印服務(wù)商

攝影 錢大益

[40] 楊廣宇，賈文鵬，趙培. 電子束選區(qū)熔化成形及后續(xù)熱處理后Ti-47Al-2Nb-2Cr合金顯微組織. 稀有金屬材料與工程，2016，45(7)：1683

[41] 郭超，林峰，葛文君. 電子束選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的工藝研究. 機械工程學(xué)報，2014，50(21)：152

[42] 于冬梅. LOM(分層實體制造)快速成型設(shè)備研究與設(shè)計[學(xué)位論文]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2011

[43] Ahn D，Kweon J，Choi J. Quantification of surface roughness of parts processed by laminated object manufacturing. Journal of Materials Processing Technology，2012，212(2)：339

[44] 馬北越，張博文，于景坤. 3D打印技術(shù)及先進應(yīng)用研究進展. 材料研究與應(yīng)用，2016，10(4)：233

[45] 張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍. 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù). 材料工程，2016，44(2)：122

[46] 張希平，蘇健強，高健. 3D打印技術(shù)及我國的發(fā)展?fàn)顩r. 信息技術(shù)與標(biāo)準化，2015(6)：17

[47] 錢毅杰，白昊天，劉宇恒. 3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 科技資訊，2017 (3)：1