金屬3D 打印技術(shù)研究綜述

許 洋

（泊頭職業(yè)學(xué)院，河北 泊頭 062150）

隨著首份國家級 3D 打印發(fā)展計劃《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃（2015—2016年）》的發(fā)布以及《中國制造 2025》規(guī)劃綱要的出臺，該技術(shù)以數(shù)字化制造和設(shè)計為基礎(chǔ)，與互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)服務(wù)和先進(jìn)材料技術(shù)的深度融合，必將為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來顛覆式變革。加快3D打印技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，對于提升我國制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力，搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點，推進(jìn)我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級與經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)制造業(yè)強(qiáng)國的建設(shè)目標(biāo)具有重要意義。金屬材料的3D打印技術(shù)作為3D打印制造體系中最前沿和最具工程應(yīng)用潛力的技術(shù)，是加快發(fā)展智能制造新技術(shù)、新裝備的重要發(fā)展方向之一。

1 3D打印技術(shù)及金屬3D打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)也叫增材制造技術(shù)，亦即是國內(nèi)稱之為快速成形的一種先進(jìn)制造技術(shù)。其本質(zhì)原理是離散與堆積，即在計算機(jī)的輔助下，通過對實體模型進(jìn)行切片處理，把三維實體的制造轉(zhuǎn)換成二維層面的堆積和沿成形方向上的不斷疊加，最終實現(xiàn)三維實體的制造。相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印具有制造周期短、成形不受零件復(fù)雜程度限制，以及節(jié)材、節(jié)能等優(yōu)勢。因此，無論是國內(nèi)還是國外，3D打印技術(shù)都備受推崇，甚至有人認(rèn)為它將引領(lǐng)新一輪工業(yè)革命的到來。如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、生物醫(yī)療、考古等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。3D 打印設(shè)備甚至也已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓家。

作為金屬制品3D打印的關(guān)鍵原料，金屬粉末的品質(zhì)質(zhì)量很大程度上決定了 產(chǎn)品最終的成型效果，因此高品質(zhì)粉末對金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。粉末材料作為金屬 3D 打印的基礎(chǔ)性、直接性、關(guān)鍵性原材料，高品質(zhì)、低成本粉末材料

2 金屬3D打印技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)自上世紀(jì)90年代初傳入我國起，一直深受國內(nèi)廣大科研工作者的高度重視。從 3D 打印設(shè)備到打印材料研發(fā)，以及3D打印與傳統(tǒng)成形相結(jié)合的復(fù)合成形技術(shù)，國內(nèi)都有深入的研究。如今，3D打印的節(jié)材、節(jié)能技術(shù)特點高度契合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

因此，國內(nèi)近期持續(xù)掀起3D打印熱，許多企業(yè)，甚至地方政府也都紛紛踏足到3D打印產(chǎn)業(yè)中。

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的逐漸興起，世界各國都將3D打印技術(shù)作為發(fā)展智能制造的切入點，通過政策規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)布局、科技創(chuàng)新和技術(shù)突破，實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的深度融合，從而樹立起本國制造業(yè)在全球競爭中的新優(yōu)勢。2012年，為重振先進(jìn)制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位，美國國家 科 學(xué) 和 技 術(shù) 委 員 會（ National Science and Technology Council，NSTC）發(fā)布了《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》，并宣布啟動“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計劃。隨后首家創(chuàng)新機(jī)構(gòu)——國家增材制造創(chuàng)新中心（National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII）的建立，標(biāo)志著美國率先啟動了 3D 打印技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。2013 年，德國推出了《德國工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略計劃實施建議》，提出通過“信息物理系統(tǒng)”（Cyber Physical Systems，CPS）實現(xiàn)生產(chǎn)過程中人與機(jī)器的實時互通，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的智能制造模式。為推動3D打印技術(shù)在實現(xiàn)工業(yè) 4.0 的建設(shè)過程中發(fā)揮更大的作用，德國政府通過《3D 打印技術(shù)的現(xiàn)實分析與發(fā)展綱要》總結(jié)并分析了本國 3D 打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對未來 10 年的發(fā)展方向做出了宏觀布局。為了對接德國的“工業(yè) 4.0”發(fā)展計劃，2015年歐盟發(fā)布了最新的“3D打印標(biāo)準(zhǔn)化路線圖”，明確了3D打印技術(shù)在歐盟發(fā)展戰(zhàn)略中的重要性，闡述了產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化對于降低能源消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和完善服務(wù)機(jī)制的重要作用，并對3D打印技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展方向做出了整體規(guī)劃，期望建立起歐盟在全球3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。其他一些科技強(qiáng)國，如英國、澳大利亞、日本和韓國等也紛紛出臺相關(guān)計劃、政策并成立專業(yè)機(jī)構(gòu)，旨在推動以3D打印技術(shù)為核心的先進(jìn)制造業(yè)快速發(fā)展，構(gòu)建完善的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化體系，提升各國在3D打印領(lǐng)域的國際競爭力?？偟恼f來，全球正在興起一輪以3D 打印為主要發(fā)展技術(shù)的科技與產(chǎn)業(yè)革命。

3 金屬3D粉末的種類及用途

鈦及鈦合金作為新型輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，憑借比強(qiáng)度高、耐蝕性能良好等一系列優(yōu)異性能，在航空航天、石油能源、船舶、化工、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得較廣泛的應(yīng)用。作為金屬3D打印的重要體系和研究熱點，3D打印鈦合金既可以提高材料利用率又可以解決鈦合金難熔煉易污染等難題。據(jù)不完全統(tǒng)計，以TC4為代表的鈦合金在金屬3D 打印中占比超過26%，隨著3D打印技術(shù)和粉末制備技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印粉末鈦合金在醫(yī)療、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷推進(jìn)和拓展。研究表明，3D打印鈦合金工件組織致密，力學(xué)性能良好，成型質(zhì)量甚至超過鍛件水平，湯慧萍等通過電子束增材制造的高鈮鈦鋁構(gòu)件表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)2750MPa。

近年來，隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和完善，鈦合金3D打印已成為航空航天領(lǐng)域的重點研究對象，以航空航天用鈦合金為例，3D 打印甚至可以比傳統(tǒng)工藝節(jié)省30%的材料成本，一些3D打印鈦合金大型件、復(fù)雜件已完成汽車制造及航空領(lǐng)域的工程驗證。由于良好的生物相容性，3D打印鈦基材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，對患者的CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)一步建模，通過3D打印技術(shù)設(shè)計制作個性化假體，已在國內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域取得豐碩的成果，3D打印顱骨、胸骨、牙齒、關(guān)節(jié)等在臨床手術(shù)中已有多起成功的案例，以髖臼杯為代表的部分產(chǎn)品已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

高性能鐵基合金材料的制備是當(dāng)下國內(nèi)外科研研究的焦點。由于來源廣泛、價格便宜，以不銹鋼材料為代表的鐵基合金材料是最早應(yīng)用于3D 打印的金屬材料之一，在3D 打印領(lǐng)域得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)鑄造鍛造技術(shù)，3D打印不銹鋼具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能如高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐高溫、耐磨性和耐蝕性等，加之高的尺寸精度和材料利用率，在航空航天、汽車、船舶、機(jī)械制造等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。Fujieda等利 用 3D打印技術(shù)制備 ALCOCRFENI合金，研究表明該合金延展性良好，斷裂強(qiáng)度達(dá)1400Mpa，是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)用304不銹鋼的6倍。Khairul等通過3D 打印技術(shù)制備出孔隙率為10%的316 L多孔電池支架，研究表明，該多孔電極支架可以用作電化學(xué)裝置中的電極，有望提高電化學(xué)裝置如電池和燃料電池裝置的性能和壽命。Wang等通過3D打印技術(shù)制備316L不銹鋼取得突破性進(jìn)展，研究表明該材料除了具備良好的屈服強(qiáng)度外還具有良好的延展性，顛覆性解決了傳統(tǒng)工藝材料強(qiáng)度和延展性“魚與熊掌不可兼得”的難題，為高性能合金制備提供了新思路。

高溫合金因良好的高溫蠕變性能，優(yōu)異的抗腐蝕和耐磨性能，適合長時間在高溫、高壓振動、腐蝕等極端工況下服役工作，在航空航天、汽車發(fā)動機(jī)葉片、定子、燃燒室、渦輪盤以及刀具、煤電、核電、石油等領(lǐng)域受到科研工作者的廣泛青睞，以現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)為例，其高溫合金材料應(yīng)用占比甚至達(dá)到50%以上。Incone1718鎳基高溫材料通常具有卓越的力學(xué)性能，但I(xiàn)ncone1718航空零部件常因形狀復(fù)雜，室溫下傳統(tǒng)工藝方法加工難度極大，且生產(chǎn)效率極低。劉錦輝等通過3D打印技術(shù)獲得了具有良好表面質(zhì)量和致密度的Incone1718合金，并通過調(diào)整優(yōu)化工藝參數(shù)，保證工件同時擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能。Nandwana等，利 用 3D 打印技術(shù)制備出完全致密化的Incone1718合金，為傳統(tǒng)Incone1718合金需要通過鑄造和機(jī)械加工等大量后續(xù)處理才能達(dá)到理想幾何形狀提供了新的思路。唐楊杰等制備出晶粒細(xì)小的Ti2A1Nb輕質(zhì)高溫合金，研究表明該合金具有良好的力學(xué)性能，750℃下抗拉強(qiáng)度為665M Pa，可達(dá)到室溫的65%。目前，Incone1625、Incone1718 以及Incone1738等高溫合金體系研究和應(yīng)用已較為成熟。

作為重要的輕質(zhì)合金材料，鋁合金通常具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕性等優(yōu)點，在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域扮演極為重要的角色，開發(fā)鋁合金3D打印技術(shù)成 為研究熱點之一。因成本低、周期短、精度高、無需模具、凈盡成型等一系列優(yōu)異性能，當(dāng)傳統(tǒng)工藝無法滿足復(fù)雜精密構(gòu)件的輕量化、復(fù)合化制造時，3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。研究表明，3D打印鋁合金可以做到零件致密、組織細(xì)小，力學(xué)性能則堪比鑄件甚至優(yōu)于鑄造成型零件，且相較于傳統(tǒng)工藝零部件其質(zhì)量可減少22%，成本卻可減少30%。

此外，Cu、Mg、Sn等金屬及合金材料也已經(jīng)在航空、軍工、汽車、藝術(shù)品等領(lǐng)域得到較為廣泛的研究和應(yīng)用。