金屬增材制造技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)

程俊廷，常天瑞

（黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

增材制造技術(shù)（又稱(chēng)3D打印技術(shù)）是20世紀(jì)80年代提出的一種離散層疊加工技術(shù)，是“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略中最主要的支撐技術(shù)之一。金屬增材制造是增材制造技術(shù)的重要組成部分，是通過(guò)原材料能夠直接成形為產(chǎn)品的一種技術(shù)手段。首先采用三維CAD軟件設(shè)計(jì)出物體的三維模型，再使用切片軟件把所設(shè)計(jì)的物體按照預(yù)定的加工參數(shù)進(jìn)行切片，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)控制每一層和每一片來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，真正實(shí)現(xiàn)所謂的無(wú)模具、無(wú)夾具加工。金屬增材制造技術(shù)現(xiàn)已用于眾多領(lǐng)域，如航空航天、船舶、醫(yī)療器械、汽車(chē)等高精尖行業(yè)領(lǐng)域。金屬增材制造技術(shù)主要有電子束選區(qū)熔化技術(shù)（Electron Beam Selective, EBSM）、選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting, SLM）、激光近凈成形技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、電弧絲材3D打印技術(shù)、低熔點(diǎn)合金油墨3D打印技術(shù)等。

1 金屬增材制造技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

金屬增材制造技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代后期的美國(guó)，隨后傳入了日本和歐洲，并于20世紀(jì)90年代傳入我國(guó)。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，我國(guó)取得了突破性發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全球金屬增材制造同比增長(zhǎng)35%，2016年我國(guó)金屬增材制造同比增長(zhǎng)17%。歐美在金屬增材制造領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位，而我國(guó)還處于跟隨階段。

我國(guó)現(xiàn)有的多支金屬增材制造技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)。其中華南理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)和華中科技大學(xué)主要從事SLM技術(shù)的研究，清華大學(xué)主要從事EBSM技術(shù)的研究，而西北工業(yè)大學(xué)主要從事LENS技術(shù)的研究。在金屬增材制造裝備領(lǐng)域，華中科技大學(xué)先后提出了2套SLM技術(shù)的設(shè)備，特別是在張海鷗教授的領(lǐng)導(dǎo)下，研發(fā)出了“智能微鍛造”的3D打印機(jī)，使增材制造技術(shù)邁上一個(gè)新臺(tái)階，華南理工大學(xué)也先后推出了3款自主研發(fā)的機(jī)型。另外西安鉑力特、湖南華曙高科、廣東漢邦激光等公司也逐漸開(kāi)發(fā)出成熟的SLM設(shè)備并完成商業(yè)化。

1.1 SLM技術(shù)

選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM)最早由德國(guó)Fraunhofer研究所在1995年提出，2003年英國(guó)MCP公司研制出世界第1臺(tái)SLM打印機(jī)。該技術(shù)是通過(guò)鋪粉輥把金屬粉末鋪在粉床上，然后激光通過(guò)電腦的控制，按照規(guī)劃好的軌跡，選擇性地使金屬粉末熔化凝固成所需物體。如圖1。

圖1 SLM成形原理圖

SLM成形不受所打印零件的形狀和尺寸的約束，每層金屬銜接好，成品質(zhì)量高于同等材料的鑄造件，而且越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)制造商的青睞。通過(guò)多年的發(fā)展，SLM激光束光斑直徑可以聚焦到0.1～0.5mm，致密度接近100%，其性能達(dá)到鍛件的程度，尺寸精度達(dá)到 10～50μm，表面粗糙度達(dá)到 20～30μm。在國(guó)內(nèi)，華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)和中北大學(xué)的設(shè)備硬件部分已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1.2 EBSM技術(shù)

EBSM技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為鋪粉電子束選區(qū)熔化技術(shù)。與SLM技術(shù)相比，主要是熱源不同，它的熱源為電子。不同于激光，電子是一種看不見(jiàn)、跑不快、有質(zhì)量、有電荷的粒子，而激光中的光子是一種看得見(jiàn)、跑的快、沒(méi)質(zhì)量、沒(méi)電荷的粒子，這也就是這兩種技術(shù)的區(qū)別。因此，EBSM技術(shù)具有打印速度更快、效率更高，可以打印難熔金屬等優(yōu)點(diǎn)。如圖2。

圖2 EBSM系統(tǒng)工作成型原理圖

該項(xiàng)技術(shù)的核心一直掌握在外國(guó)人的手里，像Arcam AB公司可通過(guò)該技術(shù)為病人量身定做可植入人體的關(guān)節(jié)等。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)機(jī)械學(xué)院對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并且已實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。

1.3 LENS技術(shù)

LENS是一種被稱(chēng)為航空航天修復(fù)神器的技術(shù)，該技術(shù)是以激光為熱源，材料以粉末或絲狀直接送入高熔區(qū)進(jìn)行層疊加工的方法。該技術(shù)只能制造毛坯，要想得到更高精度的物體，只能通過(guò)后期處理。該技術(shù)與SLM技術(shù)相比，就在于送料的方式不同，一個(gè)是事先鋪好，一個(gè)是直接送過(guò)去，如圖3。

圖3 LENS系統(tǒng)同軸傳粉器結(jié)構(gòu)示意圖

美國(guó)公司Optomec采用該技術(shù)生產(chǎn)出了高性能的金屬部件。該技術(shù)能利用激光的高能，在瞬間將材料變成凝結(jié)層，使打印出的物體在微觀組織上達(dá)到無(wú)雜質(zhì)、無(wú)氣泡、無(wú)凹陷、無(wú)裂縫，致密程度達(dá)到接近100%，力學(xué)性能優(yōu)于同等鍛造件。

1.4 新技術(shù)

目前出現(xiàn)了很多新的金屬增材制造技術(shù)，比如Arconic公司提出的液體石墨3D打印、大阪鈦業(yè)推出的新型金屬3D打印、ORNL開(kāi)發(fā)的強(qiáng)大的永磁性能的3D打印、電弧絲材3D打印、俄羅斯鋁業(yè)聯(lián)合Sauer開(kāi)發(fā)的新型鋁金屬3D打印等。

2 存在的問(wèn)題

介紹的上述技術(shù)，都是材料的熔化凝結(jié)過(guò)程。因此在此過(guò)程中，微觀結(jié)構(gòu)上材料熔化會(huì)發(fā)生流淌,勢(shì)必會(huì)對(duì)加工精度造成影響，而且材料內(nèi)部的金相組織是否符合要求，都是金屬增材制造技術(shù)所面臨的問(wèn)題。另外，打印物體表面也無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)加工粗糙度的要求。目前存在的主要問(wèn)題包括如下。

（1）加工物件力學(xué)性能不足。3D打印機(jī)是將分子等細(xì)小顆粒直接形成產(chǎn)品，沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱處理，所以很難保證其強(qiáng)度、硬度和韌性等性能。

（2）打印尺寸的限制?，F(xiàn)已知金屬3D打印機(jī)的打印范圍，很難滿足在建筑等大型工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

（3）加工材料的限制。世界上有成千上萬(wàn)種的材料，但可用于3D打印的材料很少。目前以色列object公司可以3D打印的材料最多，包括14種材料和107種混合材料，而且部分還不能用于工業(yè)生產(chǎn)。

（4）嚴(yán)重缺乏專(zhuān)業(yè)人才。目前缺乏增材制造專(zhuān)門(mén)人才的培養(yǎng)機(jī)制與體制，因此市場(chǎng)上增材制造技術(shù)的專(zhuān)門(mén)人才嚴(yán)重缺乏，而同時(shí)熟悉模具加工等技術(shù)的復(fù)合型應(yīng)用人才就更加有限。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，金屬增材制造技術(shù)作為世界上先進(jìn)的制造技術(shù)之一，各國(guó)都在加大研發(fā)力度，均想拔得頭籌或分到第一杯羹。我國(guó)應(yīng)該繼續(xù)加大投入力度，不論該技術(shù)是作為新的技術(shù)革命，還是傳統(tǒng)技術(shù)的補(bǔ)充，都應(yīng)大力支持，攻克難關(guān)。在未來(lái)應(yīng)從以下幾方面推進(jìn)。

（1）增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相融合?，F(xiàn)階段金屬增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，但在與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合上仍有所脫節(jié)，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)工業(yè)的良好銜接。

（2）高性價(jià)比產(chǎn)品的生產(chǎn)。目前的金屬增材制造產(chǎn)品，在一定程度上還沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)品質(zhì)量，而且成本較高，生產(chǎn)的產(chǎn)品不能真正得到實(shí)際應(yīng)用。

（3）打印產(chǎn)品的尺寸大小問(wèn)題。增材制造技術(shù)成熟之后，生產(chǎn)的產(chǎn)品大小應(yīng)該不受尺寸的限制，才能實(shí)現(xiàn)自由化定制。

因此，若能達(dá)到上述要求，未來(lái)的金屬增材制造技術(shù)必定能起到促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的積極作用。