金屬材料3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

夏張文，周偉民

（1.上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，上海 201200；2.上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，上海 2000237）

3D打印技術(shù)即增材制造，其指的是基于三維的模型數(shù)據(jù)，使用相應(yīng)的材料，通過逐層累加的方法，來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造方式相比較，3D打印技術(shù)在生產(chǎn)制造行業(yè)當(dāng)中所帶來的影響是顛覆性的，整個(gè)生產(chǎn)制造的工藝、流程、工廠模式以及產(chǎn)業(yè)鏈，都因此發(fā)生了改變，特別是在一些結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜而精密的構(gòu)件制造中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用更是具有突出優(yōu)勢。如在金屬材料領(lǐng)域當(dāng)中，目前的一些金屬構(gòu)件設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，而且精密度要求高。在這樣的情況下，金屬材料3D打印技術(shù)由于迭代速度快，成本日益降低、能力日益提升，所以應(yīng)用日益廣泛，醫(yī)療、軍工、模具乃至航天等諸多行業(yè)，都可見到金屬材料3D打印技術(shù)的身影。

1 粉末床熔融

粉末床熔融是應(yīng)用相對較多的一種金屬材料3D打印技術(shù)，其分為了若干的工藝類型，如選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)激光熔化、電子束熔融。

1.1 選區(qū)激光燒結(jié)

選區(qū)激光燒結(jié)這種金屬材料3D打印的技術(shù)工藝，是由美國研究人員所提出的，其可以將諸多類型的物質(zhì)作為打印材料，如塑料、陶瓷、尼龍、砂，以及本文主要探討的金屬材料等。選區(qū)激光燒結(jié)這種3D打印技術(shù)工藝需要用到二氧化碳激光器作為其能源，打印時(shí)要在工作臺上鋪上一層均勻的粉末，粉末大小為80um到300um。打印中，首先會將金屬材料預(yù)熱，接近于金屬的熔化點(diǎn)，然后通過激光對其進(jìn)行截面掃描，提高粉末的溫度，至其熔化點(diǎn)，并燒結(jié)形成粘接。通過對這個(gè)過程的不斷重復(fù)，便可以獲得所需的金屬構(gòu)件[1]。實(shí)際的制造中，選區(qū)激光燒結(jié)金屬粉末3D打印的方法可以分為直接燒結(jié)金屬原型件法和間接燒結(jié)原型件法，它們的原理雖然基本相同，但是也存在各自的特點(diǎn)。如間接燒結(jié)原型件法所使用的材料主要為聚合物與金屬的混合粉末，或者聚合物包覆金屬粉末，后處理工藝包括脫脂、高溫?zé)Y(jié)、浸漬等，主要的特點(diǎn)是打印完成的構(gòu)件，含有一定的未熔固相顆粒，因此成品的密度較低、孔隙率相對較高，并且表明粗糙，拉伸強(qiáng)度不是非常理想[2]。直接燒結(jié)金屬原型件法使用的材料為低熔點(diǎn)與高熔點(diǎn)金屬粉末混合，后處理工藝包括浸漬低熔點(diǎn)金屬、高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓等，其特點(diǎn)是成件的相對密度更高，可以超過82%。

1.2 選區(qū)激光熔化

在選區(qū)激光燒結(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展出了選區(qū)激光熔化技術(shù)，這是現(xiàn)階段最為主流的3D打印技術(shù)，該技術(shù)于1995年由德國的一所激光器研究所提出，選區(qū)激光熔化和選區(qū)激光燒結(jié)在技術(shù)原理上，具有很高的相似性。但選區(qū)激光熔化為了完全熔化金屬粉末，使用的激光能量密度更大，不低于106W/cm2，通常以光纖激光器作為其打印時(shí)所使用的激光器[3]。選區(qū)激光熔化所使用的打印材料，以金屬粉末為主，如各種貴金屬、鈷鉻合金、鈦基合金以及模具鋼、不銹鋼等等。該種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于，其能夠保持良好的成件表面光潔度，并且打印的尺寸精度較高，可以打印出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密構(gòu)建[4]。還有就是其打印成件具有冶金結(jié)合組織，所以密度高、力學(xué)性能優(yōu)良，在一些具有高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的金屬構(gòu)件生產(chǎn)制造中，尤為適用。不過其也有較為明顯的缺點(diǎn)，如設(shè)備的技術(shù)要求更高，因此價(jià)格較貴，而且打印速度緩慢，需有外部的支撐結(jié)構(gòu)。

1.3 電子束熔融

這種技術(shù)和選區(qū)激光熔化又具有一定的相似性，差別在于其所使用的能量源不同，以電子束作為打印的能量源。它的主要技術(shù)優(yōu)勢是在電子束下，材料的能量吸收、利用率更高，反射相當(dāng)小，不會造成過多的能源浪費(fèi)。再者是其粉末粒徑范圍寬，由于電子束具有更強(qiáng)的穿透力，所以可以將更厚的粉末層熔化，其鋪粉厚度往往需要達(dá)到75um到200um，金屬粉末的粒徑可在45um到105um，甚至更粗。并且其打印加工的效率高，利用磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生變化的磁場操縱電子束在粉末層上快速移動(dòng)，掃描頻率為20kHz。打印完成的構(gòu)件，殘余應(yīng)力小，不需要外部的其他支撐，可以在多個(gè)行業(yè)的金屬材料打印中得到應(yīng)用，以各種金屬作為加工材料。其缺點(diǎn)或者說技術(shù)限制，是需要保持真空狀態(tài)，對設(shè)備的氣密性具有特殊要求，而且會造成額外的能源消耗。成件完成后，熱量不能通過直接打開真空室排放，只能以輻射散失的方式排放，所以整體來說效率并不是非常理想。

2 定向能量沉積

作為另一種金屬材料3D打印技術(shù)，定向能量沉積工藝也得到了較高程度的關(guān)注和重視，其分為激光近凈成形、絲材電弧增材制造等具體工藝類型。

2.1 激光近凈成形

在激光近凈成形金屬材料3D打印中，激光束在底板或零件修復(fù)處形成熔池，與此同時(shí)將金屬粉末同步送入熔池中并快速熔化凝固，激光束按照掃描路徑由點(diǎn)到線、由線到面的順序熔覆，從而完成一層的打印工作。然后沿著垂直方向提升一定的高度，進(jìn)行下一層的打印工作，如此循環(huán)往復(fù)直至制造出近凈形的零部件實(shí)體。但是該項(xiàng)技術(shù)工藝對金屬材料的3D打印，只能夠制造出構(gòu)件毛坯，獲得毛坯之后，還需要進(jìn)步通過數(shù)控加工，來提高其制造精度，這樣才能最終達(dá)到制造要求。不過在某些行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，該項(xiàng)技術(shù)還是相當(dāng)適用的，如在磨損或破損葉片的修復(fù)和再制造中，通過該種技術(shù)的應(yīng)用，便可以大大降低修復(fù)、制造的成本，并提高作業(yè)效率。激光近凈成形的主要特點(diǎn)、優(yōu)勢，是能夠進(jìn)行無模金屬材料構(gòu)件打印制造，適應(yīng)多種金屬材料打印加工，在損壞、磨損金屬構(gòu)建的修復(fù)中，可以取得快速、低成本的作用效果。而且不論構(gòu)件的復(fù)雜程度和尺寸大小，加工難度均不受影響，成件的金屬力學(xué)性能良好，技術(shù)兼容性強(qiáng)，可以與智能化技術(shù)聯(lián)用。

2.2 絲材電弧增材制造

采用電子束或是激光作為能源的金屬材料3D打印技術(shù)，雖然應(yīng)用廣泛，在軍工、汽車以及航天領(lǐng)域當(dāng)中，都已經(jīng)得到了應(yīng)用實(shí)踐，可以制造出高精尖類型的金屬構(gòu)件，不過客觀來講，它們所存在的技術(shù)限制還較為明顯。如首先是成本較高，而且打印過程當(dāng)中金屬粉末容易受到污染，利用率低。以電子束為能源的電子束熔融金屬材料3D打印受真空室尺寸的限制。以激光為能量源的選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)激光熔化金屬材料3D打印，其打印生產(chǎn)制造效率又較慢，部分材料對激光的吸收率不高。所以，為了滿足航空航天領(lǐng)域大型化、整體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的需求，基于堆焊技術(shù)發(fā)展起來的低成本、高效率電弧增材制造技術(shù)受到研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。如絲材電弧增材制造作為金屬材料3D打印技術(shù)，它所使用的能源可以是鎢極氬弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等，通過逐層熔覆的基本工藝原理，將金屬絲材作為打印的原材料，按照設(shè)計(jì)的三維模型數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的進(jìn)行線-面-體打印。其主要的技術(shù)優(yōu)勢是對金屬絲材的利用效率高，成本低，而且打印獲得的成件，組織密度均勻，各種尺寸和復(fù)雜度的構(gòu)件，均可打印。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，通過該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)制造高質(zhì)量鈦金屬部件，能夠顯著降低生產(chǎn)制造成本，效率也可明顯提高。不過需要一提的是，該項(xiàng)技術(shù)的精度稍有欠缺，后期需要進(jìn)行一定的表面加工。

3 粘合劑噴射

粘合劑噴射這種金屬材料3D打印技術(shù)，也會使用到粉床但不同的是，粘合劑噴射在打印過程當(dāng)中，是采用噴墨打印頭，在打印物體的成形截面粉末當(dāng)中，噴入粘合劑，從而使截面與粉末粘合起來，這樣一來，一層、一層的粉末，就可以通過粘合劑的作用，最終形成一個(gè)整體，打印出具有三維結(jié)構(gòu)的物件。粘合劑噴射3D打印技術(shù)可以打印出多種材料的物件，如陶瓷材料、高分子材料，以及金屬材料。就金屬材料的打印而言，用于進(jìn)行3D打印的原型件，需要在高溫?zé)Y(jié)下，去除粘合劑，并將粉末顆粒之間，牢固的連接、融合起來，最終獲得強(qiáng)度、密度符合需求的打印成品。這種技術(shù)的主要優(yōu)勢，是可以在燒結(jié)工藝的配合下，生產(chǎn)出100%密度的金屬部件，而且打印生產(chǎn)的設(shè)備成本、過程成本都較低，打印生產(chǎn)的速度也相當(dāng)快，具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 材料噴射

這種金屬材料3D打印技術(shù)方法是將材料以微滴的形式按需噴射沉積的增材制造工藝，其固化方式主要有三種，分別是冷卻凝固、光照固化和低溫?zé)Y(jié)。以金屬納米顆粒噴墨技術(shù)為例，其基本的打印流程為將大分子金屬顆粒在打印機(jī)內(nèi)部粉碎成納米級顆粒，然后將納米級金屬顆粒注入到粘合劑之中，形成打印墨水，在墨水中金屬顆粒以懸浮態(tài)均勻分布。通過特制的噴頭將墨水噴出，逐層噴射打印零件，層厚可小于2μm。成形后，在構(gòu)建室內(nèi)通過高溫將粘合劑蒸發(fā)，只留下金屬部分。它的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是能使用普通的噴墨打印頭作為工具，成件機(jī)械性能良好，組織和化學(xué)成分更均勻，適應(yīng)的材料種類多，顆粒度可調(diào)節(jié)。

5 薄材疊層

以薄層材料逐層粘結(jié)以形成實(shí)物的增材制造，便是薄材疊層金屬材料3D打印技術(shù)?，F(xiàn)階段，超聲波增材制造是主要的薄材疊層金屬材料3D打印工藝，其基本的打印生產(chǎn)制造原理，是通過超聲波的連續(xù)振動(dòng)帶來的壓力，使金屬箔相互之間發(fā)生高頻率的摩擦，剝離表面的污染物、氧化物。再通過超聲波的能量輻射，或是通過外部的其他加熱，來軟化金屬材料，并填充至已焊接完成的金屬箔片的表面兩層金屬箔片的分子相互滲透融合，焊接面的強(qiáng)度進(jìn)一步提高，周而復(fù)始，層層疊加，最終成形。薄材疊層金屬材料3D打印技術(shù)的主要優(yōu)勢是，可以在低溫的狀態(tài)下進(jìn)行打印生產(chǎn)制造，其初始溫度僅為150℃，后期摩擦、塑形變形等過程中，局部溫度也只在200攝氏度左右，而且可以適應(yīng)各種尺寸的構(gòu)件打印，表面光潔度良好，打印速度快。

6 金屬材料3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段，金屬材料3D打印技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、參數(shù)處理等方面的專業(yè)性要求較高。除了增加工作人員的負(fù)擔(dān)外，也帶來了入門門檻高的問題。因此，隨著AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，未來的3D打印技術(shù)將會向智能化、簡便化方向發(fā)展，為用戶提供更加良好的使用體驗(yàn)。具體發(fā)展路徑包括兩方面：其一是硬件方面，即金屬材料3D打印設(shè)備。除了進(jìn)一步降低設(shè)備價(jià)格外，還應(yīng)當(dāng)提供更多人性化的功能，例如可視化功能，向用于展示整個(gè)3D打印流程，用戶可以根據(jù)實(shí)時(shí)畫面隨時(shí)調(diào)節(jié)打印參數(shù)，有利于獲得想要的打印產(chǎn)品；其二是軟件方面，提供設(shè)計(jì)軟件、打印控制軟件等多種功能性軟件，支持更多類型的打印需求。再者，金屬材料3D打印技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，在市場規(guī)模不斷擴(kuò)大的背景下，要想讓3D打印可以得到規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，必須加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、健全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由政府相關(guān)部門，或者是行業(yè)內(nèi)的權(quán)威機(jī)構(gòu)，盡快編制并出臺統(tǒng)一的制度標(biāo)準(zhǔn)，包括材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)評估標(biāo)準(zhǔn)等。有了完善的標(biāo)準(zhǔn)制度，為3D打印技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。

在如今的金屬材料領(lǐng)域當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)將3D打印技術(shù)的應(yīng)用作為一項(xiàng)關(guān)鍵課題，積極加強(qiáng)研究、探討與實(shí)踐，既要客觀認(rèn)識3D打印技術(shù)在金屬材料領(lǐng)域中的優(yōu)勢，更要根據(jù)金屬材料生產(chǎn)制造需求，合理的選擇金屬材料3D打印技術(shù)類型，從而將其優(yōu)勢切實(shí)的發(fā)揮出來，提高金屬材料生產(chǎn)制造的綜合效益。