金屬3-D打印制造技術(shù)的發(fā)展

張春雨，陳賢帥，孫學(xué)通

（1.廣州中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所，廣州511458；2.廣州市健齒生物科技有限公司，廣州511458）

引 言

在人類歷史長河之中金屬材料是人類發(fā)展不可或缺的一員，而對(duì)其加工能力更體現(xiàn)出生產(chǎn)力的進(jìn)步和文明的發(fā)展。時(shí)至今日，雖然新型材料如雨后春筍般涌現(xiàn)，但是金屬材料依然憑借其優(yōu)良塑性、硬度、耐久性在各行各業(yè)展現(xiàn)出無可替代的作用，影響和促進(jìn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療及航天航空技術(shù)的發(fā)展。因此，人們?cè)絹碓狡诖滦徒饘偌庸ぜ夹g(shù)出現(xiàn)來滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展需求，解決傳統(tǒng)車銑刨磨、鍛壓、鑄造加工技術(shù)無法適用的問題，實(shí)現(xiàn)特殊產(chǎn)品低成本、低周期、高效率和可通用的設(shè)計(jì)制造。而激光3-D打印的出現(xiàn)必將為上述問題提供新型解決方案，并同時(shí)通過數(shù)字化技術(shù)為金屬制造賦予網(wǎng)絡(luò)化、定制化及個(gè)性化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)材料高效利用和零件近凈成型，融合云服務(wù)特點(diǎn)整合加工資源，締造新型、新時(shí)代、集群式金屬加工制造技術(shù)。

1 金屬3-D打印技術(shù)

3-D打印技術(shù)推廣應(yīng)用將極大加快全球工業(yè)設(shè)計(jì)理念的革新和傳統(tǒng)技術(shù)的改造升級(jí)，快速改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和人們的生活方式，從材料方面可將3-D打印分為金屬打印技術(shù)以及非金屬打印技術(shù)，常見3-D打印技術(shù)如表1所示。而本文中主要論述的是金屬激光3-D打印技術(shù)。

表1 部分3-D打印技術(shù)［1-4］

激光3-D打印技術(shù)熔合計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、材料學(xué)、激光立體成型技術(shù)等學(xué)科，通過“分層制造，逐層疊加”的原理進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)近凈成型，目前可用于直接制造金屬功能零件的3-D打印技術(shù)如圖1所示。其中激光選區(qū)熔化技術(shù)（selective lasermelting，SLM）、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（selective laser sintering，SLS）、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（direct metal laser-sintering，DMLS）、激光工程化凈成形技術(shù)（laser engineered net shaping，LENS）以及電子束選區(qū)熔化技（electron beam selectivemelting，EBSM）為金屬打印加工領(lǐng)域的佼佼者，根據(jù)各自技術(shù)成型特點(diǎn)，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

圖1 金屬激光快速成型技術(shù)分類［5-8］

1.1 成型原理

激光3-D打印技術(shù)是通過激光光束（或者電子束等）為能量源直接作用于金屬粉末，利用高能輸出能量快速熔化（半熔化）金屬粉末原料形成高溫熔池，并同時(shí)快速移動(dòng)冷卻形成固態(tài)熔道，通過熔道搭接相連形成金屬加工平面，并不斷在加工方向上累積最終完成加工，其基本工作原理分別如圖2、圖3所示。雖然各類技術(shù)加工過程（或能量源）不盡相同，但本質(zhì)原理一致，不同的加工過程使各技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域有獨(dú)特應(yīng)用，如LENS技術(shù)在大尺寸產(chǎn)品制造、零件修補(bǔ)領(lǐng)域見長，SLM技術(shù)適用于精密、機(jī)械性能要求高的零件制備。

圖2 選區(qū)金屬3-D打印成型原理圖［9-10］a—工作原理 b—電子束 c—激光

圖3 熔覆打印成型原理［10］

1.2 金屬打印技術(shù)特點(diǎn)

SLS技術(shù)最初是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的DECKARD于1989年在其碩士論文中提出，并最終由美國DTM公司于1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterSation［11］，該技術(shù)通過半固態(tài)半液相燒結(jié)機(jī)制將件數(shù)粉末粘結(jié)在一起，雖從一定程度上減弱熱應(yīng)力對(duì)成型工件的影響，但由于粉末未完全融化，機(jī)體含有大量未熔金屬顆粒，直接導(dǎo)致制品致密度低、力學(xué)性能差和表面粗糙度高等缺點(diǎn)，需要進(jìn)行大量后續(xù)相關(guān)熱處理進(jìn)行性能和機(jī)體組織改善，極大提高了生產(chǎn)成本和制造周期［12-13］。DMLS技術(shù)是SLS技術(shù)的分支，相比SLS技術(shù)，DMLS省去了昂貴且費(fèi)時(shí)的預(yù)處理和后處理工藝步驟，基本實(shí)現(xiàn)金屬粉末完全熔化成型3維零部件［14］，但在燒結(jié)過程中會(huì)出現(xiàn)“球化”效應(yīng)和燒結(jié)變形等現(xiàn)象，導(dǎo)致該技術(shù)難以適用于具有力學(xué)性能要求和精度要求的形狀復(fù)雜的金屬零部件［15-16］。EBSM技術(shù)最初由瑞典ARCAM公司提出，該技術(shù)類似激光選區(qū)燒結(jié)和激光選區(qū)熔化技術(shù)［17］，采用高能高速的電子束為能量源選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成型的快速制造技術(shù)［18］，掃描成型過程通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈改變電子束運(yùn)動(dòng)方向沒有機(jī)械慣性［18］，且加工空間為真空環(huán)境可避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化，電子束與激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、穩(wěn)定及運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)［19］，但是該設(shè)備較昂貴，且在制造微小零件時(shí)精度不及激光加工［20-21］。LENS技術(shù)于20世紀(jì)90年代由美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室首次提出，與直接金屬沉積技術(shù)（directmetal deposition，DMD）和直接激光成型技術(shù)（directed laser fabrication，DLF）在原理上近似，并于1999年獲得美國工業(yè)中“最富創(chuàng)造力的25項(xiàng)技術(shù)”的稱號(hào)［22］；該技術(shù)成型過程中通過噴嘴將粉末聚集到工作平面上，同時(shí)激光束也聚集到該點(diǎn)，將粉光作用點(diǎn)重合，通過工作臺(tái)或噴嘴移動(dòng)，獲得堆積的熔覆實(shí)體［22］；LENS技術(shù)使用的是千瓦級(jí)的激光器，由于采用的激光聚焦光斑較大，一般精度在1mm以上，雖然可以得到冶金結(jié)合的致密金屬實(shí)體，但其尺寸精度和表面光潔度較差，需進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)加工后才能使用［23-24］。上述各技術(shù)在各領(lǐng)域零件制造有一定局限性和不足，各技術(shù)制品展示如圖4所示。

圖4 各打印技術(shù)制品［10］

SLM技術(shù)成型原理與SLS一致，不同在于SLM技術(shù)通過高能激光將金屬粉末完全熔化，生成液態(tài)熔池并快速冷卻形成固態(tài)熔道，制品機(jī)體組織穩(wěn)定、致密，加工精度較高、力學(xué)性能優(yōu)良符合使用要求。筆者通過所使用的德國SLM-125HL及 Concept Laser Mlab（GE）打印設(shè)備開展研發(fā)工作，根據(jù)材料具體屬性、零件的具體結(jié)構(gòu)匹配不同工藝的方法，探索制品制定最佳加工工藝及后處理工藝，積累了豐富的制造經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，逐漸將金屬打印技術(shù)引進(jìn)各行各業(yè)，部分制品如圖5所示。

圖5 SLM復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造（工業(yè)和醫(yī)療）

筆者多年來一直從事純鈦選區(qū)激光熔化成型工作，利用純鈦公認(rèn)優(yōu)良的生物相容性廣泛開展3類醫(yī)療器械設(shè)計(jì)制造，并通過加工工藝優(yōu)化以及相應(yīng)后處理工藝開發(fā)，成功將打印純鈦金屬零件性能提升到和鍛件性能相當(dāng)?shù)乃?，為進(jìn)一步純鈦打印應(yīng)用做好基礎(chǔ)。目前主要開展涉及各類骨、關(guān)節(jié)、個(gè)性化牙科種植體等相關(guān)植入修補(bǔ)、修復(fù)材料。典型案例包含自2017年至今，經(jīng)過兩年多努力，筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功與某大學(xué)附屬醫(yī)院合作開發(fā)出顱頜面內(nèi)固定鈦板，該產(chǎn)品克服傳統(tǒng)鈦板固定不貼合、手術(shù)耗時(shí)長及對(duì)醫(yī)生個(gè)人技術(shù)要求高等不利于病患治療的因素，以客觀的科學(xué)數(shù)據(jù)分析法替代主觀的經(jīng)驗(yàn)法，提升手術(shù)成功率，減少并發(fā)癥的發(fā)生，經(jīng)過兩年多的臨床植入觀察，恢復(fù)效果良好，受到業(yè)內(nèi)醫(yī)生好評(píng)，為口腔癌、面部修復(fù)等患者提供了一種更優(yōu)良、優(yōu)質(zhì)的治療方法，目前該手術(shù)方法在該醫(yī)院獲得推廣。圖6為設(shè)計(jì)植入模型及用于植入打印產(chǎn)品（圖中固定釘非骨釘）。

圖6 模擬植入

2 SLM技術(shù)成型材料

近年來隨著打印技術(shù)的發(fā)展，越來越多的金屬材料可被應(yīng)用于金屬激光3-D制造中，人們熱衷于打印所帶來的設(shè)計(jì)上的思想解放，通過打印柔性加工的特點(diǎn)解決行業(yè)瓶頸、促進(jìn)科技發(fā)展及解決醫(yī)療民生。但并非所有材料均適用于3-D打印，對(duì)于活性比較大（如活性金屬M(fèi)g）、熔點(diǎn)低（金屬Hg）等均不適用此項(xiàng)技術(shù)［25-26］。而在具體加工過程中為避免球化、孔隙、裂紋等缺陷，減弱熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律下對(duì)制品負(fù)面的影響，均需要針對(duì)相應(yīng)材料物理屬性制定相應(yīng)的加工工藝，而對(duì)于激光吸收率（或其它能量源）較低的金屬，也需要通過材料優(yōu)化進(jìn)行相應(yīng)處理（如在不影響制品使用前提下混入對(duì)激光吸收率較高材料）［27-29］。

根據(jù)業(yè)界形成的一定共識(shí)，針對(duì)不同金屬3-D打印技術(shù)，由于其工作原理、加工成本等因素，筆者認(rèn)為不同打印技術(shù)所使用的原材料要求和種類也有所不同，如針對(duì)貴金屬加工，LENS技術(shù)不宜選用。因此在一定程度上講，由于SLM技術(shù)加工空間封閉保護(hù)加工條件優(yōu)良、加工精度高及工藝可控性高，SLM技術(shù)具有更廣泛的金屬材料選擇性、更高的性價(jià)比及更高的加工精度和質(zhì)量。以下根據(jù)業(yè)內(nèi)使用情況對(duì)SLM技術(shù)常用材料特點(diǎn)介紹如下，具體材料分類如表2所示。

（1）鐵基合金：鐵基合金使用家和低廉、硬度高、韌性好，機(jī)械加工性能良好，該類材料廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域，其中316L不銹鋼粉末和M2高速鋼等粉末材料應(yīng)用已較為成熟（如口腔類制品［30］）。研究表明：純鐵粉直接激光熔化時(shí)容易伴隨大量孔洞產(chǎn)生，而通過合金化可以提升成型動(dòng)力學(xué)、改善性能、提高致密度［29，31］。

（2）鎳基合金：該類材料綜合性能較好，高溫下具有優(yōu)良的抗氧化性及抗腐蝕性，主要應(yīng)用于航天航空、石油化工等領(lǐng)域，其中waspaloy（R）合金、Ineonel625、Inconel718、Inconel 939合金和Ni-Ti形狀記憶合金的應(yīng)用相對(duì)較為成熟，激光3-D打印的出現(xiàn)為其應(yīng)用開辟了新的方向［29-33］。

（3）鈦基合金：該類材料比強(qiáng)度高、耐熱性高、耐腐蝕，同時(shí)還具有較好的生物相容性，因此在醫(yī)療領(lǐng)域鈦基合金應(yīng)用較為廣泛。目前市場(chǎng)在售醫(yī)療產(chǎn)品已出現(xiàn)純鈦、Ti-6Al-7Nb與Ti-6Al-4V為材料用于骨骼修復(fù)的產(chǎn)品，具備較為成熟的市場(chǎng)，而3-D打印鈦及鈦合金應(yīng)用制品的研究也較為深入，并且部分已經(jīng)完成設(shè)計(jì)制造將進(jìn)入航天航空實(shí)際使用階段［29］。

（4）鈷基合金：該類材料在高溫狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和抗氧化腐蝕能力，但因?yàn)橘Y源匱乏，應(yīng)用受到限制，由于其優(yōu)于鈦合金的生物相容性，近年來更多的用于牙科及骨植入物的制造［29］。

（5）鋁合金：該類材料密度低，耐蝕抗氧化較強(qiáng)，具有較好的比強(qiáng)度、比剛度，廣泛應(yīng)用于國防、航空航天，尤其在輕量化領(lǐng)域是一種較為受歡迎的金屬材料。

表2 國內(nèi)外常用金屬粉末材料［28-29］

3 SLM技術(shù)制造缺陷

作為金屬3-D打印技術(shù)家族的佼佼者，SLM技術(shù)以其精度高、性能好的特點(diǎn)正率先逐漸進(jìn)入人們的視野，在航天航空、生物醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的作用，但和其它加工技術(shù)相同，不可否認(rèn)在其成型過程中也會(huì)出現(xiàn)一些加工缺陷（諸如球化、多孔和宏觀裂紋等），這些缺陷也都會(huì)嚴(yán)重影響金屬零件的成型質(zhì)量和使用壽命。因此，尋求并設(shè)法減弱或者消除此類制造缺陷的方法是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

球化現(xiàn)象是指當(dāng)激光掃描金屬粉末后在金屬熔道上或者熔道搭接處形成金屬熔球的一種現(xiàn)象。研究指出，引起該種現(xiàn)象的原因在于表面潤濕能較低，即液態(tài)熔池和固態(tài)金屬之間服從吉布斯自由能最小原理，在表面張力的作用下液態(tài)熔池通過減少與固態(tài)金屬接觸面保證能量守恒，致使連續(xù)熔池中斷逐漸形成獨(dú)立金屬球狀固體［33-34］。球化問題是影響SLM成型質(zhì)量的主要問題之一，尤其對(duì)于用于植入醫(yī)療器械產(chǎn)品，球化現(xiàn)象不但極大降低植入產(chǎn)品的加工精度，同時(shí)所形成的金屬球體極易脫落進(jìn)入人體，造成未可知的影響。因此，球化現(xiàn)象已成為一個(gè)亟待解決的問題，目前業(yè)內(nèi)通常采用控制粉末顆粒大小、降低含氧量和進(jìn)行加工參量?jī)?yōu)化來減小或消除球化現(xiàn)象，然而效果并不是十分理想［33］。

多孔是SLM技術(shù)另外一個(gè)重要的加工缺陷，從某種程度上說球化可以導(dǎo)致多孔，多孔進(jìn)一步將導(dǎo)致金屬零件產(chǎn)生宏觀裂紋，嚴(yán)重降低金屬零件使用壽命［35］。研究表明，產(chǎn)生多孔的主要原因如下：（1）球化；（2）掃面間距過大；（3）冷卻過程中內(nèi)部殘余應(yīng)力過大［36］。多孔的成因非常復(fù)雜，熔池形成和后續(xù)熔道搭接都對(duì)多孔的產(chǎn)生有巨大的影響，目前在實(shí)際生產(chǎn)過程中，人們一般通過結(jié)合粉末原材料屬性優(yōu)化加工參量和掃描方案的方法尋求降低多孔缺陷的方法［36-38］。

由于激光加工是一個(gè)快速熔化快速冷卻的過程，導(dǎo)致成型件中含有大量的殘余應(yīng)力，對(duì)最終成型零件的使用造成極大影響，成為業(yè)內(nèi)技術(shù)發(fā)展瓶頸［38］。尤其在一些復(fù)雜薄壁零件加工過程中，SLM成型過程中易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致零件開裂、翹曲變形等成型缺陷［30］，極大影響了零件的成型質(zhì)量和使用壽命［39］；而產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因在于SLM加工過程中快速降溫過程，內(nèi)部應(yīng)力來不及釋放造成的［40-41］，業(yè)內(nèi)對(duì)于此類問題一般采用加工參量?jī)?yōu)化、后處理等方式來解決減輕該缺陷的影響，已取得較好成果［42］。

4 結(jié)束語

近年來，隨著人們對(duì)金屬3-D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)的深入，該技術(shù)得到理性認(rèn)知并伴隨著迅猛發(fā)展——更接近市場(chǎng)，更趨于民用。它的異軍突起，正在強(qiáng)勁地驅(qū)動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)群的快速崛起，引領(lǐng)設(shè)計(jì)、制造、材料三位一體模式的發(fā)展，順應(yīng)了新技術(shù)革命的大趨勢(shì)，促使金屬加工制造業(yè)由大規(guī)模、批量生產(chǎn)的模式向個(gè)性化、定制化、小批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型［41］，并逐漸形成以數(shù)字化制造技術(shù)、新材料技術(shù)、新型裝備技術(shù)為一體的智能化、網(wǎng)絡(luò)化新型3-D打印產(chǎn)業(yè)鏈［42］。但是，為了進(jìn)一步促進(jìn)我國先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展壯大，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：（1）材料本土化方面：改善目前主要依賴進(jìn)口的局面，提升材料研發(fā)力度與投入，實(shí)現(xiàn)和打造本土原材料高質(zhì)量、高性能、低成本的最終目標(biāo)，解決束縛企業(yè)金屬3-D打印產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸；（2）高性能制造設(shè)備方面：加快本土高性能高性價(jià)比設(shè)備的研發(fā)，縮短與國際主流品牌設(shè)備在使用穩(wěn)定性上的差距；（3）在加工制造可控性方面：對(duì)原材料純凈度的一致性、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、打印過程工藝穩(wěn)定性進(jìn)行把控；對(duì)如何提高產(chǎn)品的精度、力學(xué)性能、降低內(nèi)部殘余應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性措施，解決實(shí)際加工制造中制約該技術(shù)難題；（4）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：注意打印工藝特點(diǎn)與零件本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，避免難加工或者不可加工結(jié)構(gòu)，同時(shí)針對(duì)打印設(shè)備本身局限性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)；（5）與傳統(tǒng)加工結(jié)合方面：在實(shí)際生產(chǎn)加工中注重與傳統(tǒng)加工的結(jié)合，利用金屬3-D打印技術(shù)和金屬傳統(tǒng)加工技術(shù)有各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)制品達(dá)到傳統(tǒng)加工的加工精度和3-D打印的柔性外形，降低加工周期。

未來隨著打印工藝的進(jìn)步、制造效率提升、加工成本控制、產(chǎn)品精確度和可靠性的改善以及新材料研究的突破，金屬零部件直接3-D打印的應(yīng)用必將會(huì)覆蓋更多金屬制造產(chǎn)業(yè)，而其柔性制造和解放設(shè)計(jì)者思維的特點(diǎn)，也必將引領(lǐng)金屬3-D打印技術(shù)成為未來最重要、最具戰(zhàn)略意義的制造技術(shù)。