金屬3D 打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景

張賽博，趙俊淞，李小海，高勝學(xué)，丁興平

（佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，金屬3D 打印技術(shù)以其材料利用率高以及制造周期短，靈活性高等特點(diǎn)迅速在金屬制造業(yè)中占據(jù)了重要的地位，金屬3D 打印技術(shù)可以打印一些體積小結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高精密的金屬零件，所以該技術(shù)對(duì)提高整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率起著關(guān)鍵的作用，改善了金屬零件制造的現(xiàn)狀，在制造金屬零件的過(guò)程中提供了更多的可能性，促進(jìn)了金屬制造業(yè)的發(fā)展[1，2]。

1 金屬3D 打印技術(shù)的應(yīng)用

目前，市場(chǎng)上主流的直接用于制造金屬零件金屬3D 打印技術(shù)有：選擇性激光燒結(jié)（selective laser sin原tering，SLS）技術(shù)、選擇性激光熔化（selec-tive laser melting，SLM）技術(shù)、直接金屬激光燒結(jié)（direct metal laser sintering，DMLS）技術(shù)、激光近凈成形（laser engi原neered net shaping，LENS）技術(shù)和電子束選區(qū)熔化（electron beam selective melting，EBSM）技術(shù)等。

1.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)是出現(xiàn)最早的金屬3D 打印技術(shù)，所采用的冶金機(jī)制為液相燒結(jié)機(jī)制，所使用的材料為高熔點(diǎn)金屬與低熔點(diǎn)金屬或者高分子材料的混合粉末，在熔融的過(guò)程中低熔點(diǎn)的金屬或者高分子材料粉末融化，而高熔點(diǎn)的金屬粉末不會(huì)融化，并且作為結(jié)構(gòu)金屬保留其固相核心。而被融化的材料作為粘結(jié)金屬在熔融過(guò)程中生成液相將固相金屬進(jìn)行包覆、潤(rùn)濕和粘結(jié)以此使燒結(jié)致密化。整個(gè)工藝裝置包括粉末缸和成型缸兩個(gè)部分，工作時(shí)左面的粉末缸上升一層，然后通過(guò)鋪粉輥將粉末在成型缸中均勻的鋪一層，再由計(jì)算機(jī)控制的激光束根據(jù)切片后的模型進(jìn)行在粉末上進(jìn)行掃描，使金屬粉末達(dá)到熔點(diǎn)并進(jìn)行燒結(jié)來(lái)完成零件的一層截面，完成后成型缸下降一層高度，鋪粉輥會(huì)在成型缸中重新鋪上一層均勻的粉末，進(jìn)行下一層的燒結(jié)，如此往復(fù)來(lái)完成整個(gè)零件的制作。工作原理如圖1 所示。

圖1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)原理圖

選擇性激光燒結(jié)的特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)有：（1）可以使用多種材料。包括高分子材料、金屬粉末、陶瓷粉末、尼龍粉末等，選擇性強(qiáng)。（2）不需要支撐。因?yàn)樵诖蛴∵^(guò)程中未經(jīng)燒結(jié)的粉末即可支撐生成的懸空層。（3）材料利用率高。打印過(guò)程中無(wú)需支撐，且材料價(jià)格低。劣勢(shì)有：（1）表面粗糙。SLS 工藝制造原型的表面是粉末進(jìn)行熔融粘結(jié)的，為粉粒狀，所以表面質(zhì)量不高。（2）工藝過(guò)程中有異味。這是因?yàn)楦叻肿硬牧匣蛘叻哿Ｔ跓Y(jié)時(shí)會(huì)散發(fā)異味。

1.2 選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)

選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)是在SLS 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其基本原理與SLS 相似，首先由計(jì)算機(jī)三維建模軟件建立模型，再由切片軟件調(diào)整參數(shù)并得出每一層的數(shù)據(jù)，再由計(jì)算機(jī)控制激光束進(jìn)行逐層掃描融化層層堆積成型，需要注意的是，SLM 工藝過(guò)程中為了防止金屬在高溫下與其他氣體反應(yīng)，需要在惰性氣體下進(jìn)行，與SLS 工藝不同的是，SLM 工藝中必須要求金屬粉末完全熔化再冷卻成型，所以需要高功率密度的激光器對(duì)粉末進(jìn)行掃描，工作原理如圖2 所示。

圖2 選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)原理圖

選擇性激光熔化的特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)有：（1）加工過(guò)程中粉末完全熔化且不需要粘結(jié)材料，所以，加工所形成零件的精度以及力學(xué)性能都要比SLS 成型的好。（2）致密度高。激光束光斑直徑細(xì)微，致密度接近100%，幾乎等于冶金。（3）可以簡(jiǎn)單并且直接的制造出復(fù)雜形狀的金屬件。劣勢(shì)有：（1）設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜。需要專業(yè)人員來(lái)操作。（2）后處理復(fù)雜。SLM 工藝需要添加支撐，需要對(duì)成型件進(jìn)行后處理來(lái)去掉支撐。

1.3 電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)

EBSM 設(shè)備中兩最個(gè)重要的部分包括電子槍、真空室。電子槍包括陽(yáng)極、陰極、柵級(jí)，燈絲、偏轉(zhuǎn)線圈以及聚焦線圈。真空室包括鋪粉器、活塞以及儲(chǔ)粉箱等組成。工作原理是電子槍最上面的燈絲（一般為鎢絲）在高溫條件下其表面產(chǎn)生大量的熱電子，并通過(guò)陰極進(jìn)行發(fā)射，柵級(jí)頂端開(kāi)有小孔，通過(guò)與陰極的相對(duì)位置可以控制電子束的通過(guò)量，在陽(yáng)極的加速作用下獲得很高的動(dòng)能，可加速到光速的一半至三分之一左右。在聚焦線圈的作用下對(duì)電子束進(jìn)行聚焦，隨即進(jìn)入偏轉(zhuǎn)線圈，在偏轉(zhuǎn)線圈的作用下可以對(duì)電子束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)粉末進(jìn)行選擇性掃描。粉末放置在儲(chǔ)粉箱內(nèi)，工作時(shí)通過(guò)鋪粉器在粉床上均勻的鋪上一層粉末，利用低能量、低掃描速度電子束對(duì)粉床進(jìn)行預(yù)熱，使得溫度在金屬粉末熔點(diǎn)溫度以下，隨即采用更大的能量和掃描速度對(duì)粉末進(jìn)行熔化，在電子束與金屬粉末撞擊時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬粉末熔化。在完成一層的掃描之后，活塞下降一層，鋪粉器重新鋪粉，對(duì)新的粉末層進(jìn)行預(yù)熱和熔化，如此往復(fù)，直到金屬零件完全成型。需要注意的是，EBSM 過(guò)程中需在真空條件下進(jìn)行，零件制作完成后，需要裝置移入后處理設(shè)備中通過(guò)吹壓縮氣體來(lái)去除周圍粉末，得到最終的打印件，同時(shí)剩余的粉末可以重新進(jìn)行利用[3，4]。工作原理如圖3 所示。

圖3 電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)原理圖

電子束選區(qū)熔化的特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)有：（1）EBSM 技術(shù)在真空條件下預(yù)熱溫度很高，可以熔解高熔點(diǎn)金屬，減小了熱應(yīng)力集中，避免了成型件產(chǎn)生彎曲變形的現(xiàn)象。（2）成型過(guò)程中不需要支撐。未燒結(jié)的粉末作為支撐，制作完成后只需吹去粉末即可。劣勢(shì)有：（1）“吹粉”現(xiàn)象。鋪粉器鋪在粉床上的粉末在電子束的作用下離開(kāi)預(yù)先的鋪設(shè)位置。出現(xiàn)的原因是電子束使導(dǎo)電性差的粉末帶上靜電，由于靜電的排斥力導(dǎo)致粉末產(chǎn)生潰散。（2）“球化”現(xiàn)象。指金屬未完全熔化而形成了一群彼此分開(kāi)的金屬球。（3）設(shè)備需要真空條件下完成，維護(hù)成本高，且電子束沉積過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生伽瑪射線，可能會(huì)導(dǎo)致泄漏，污染環(huán)境等。

1.4 激光近凈成形（LENS）技術(shù)

該技術(shù)上世紀(jì)于美國(guó)Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室率先推出的工藝，該工藝結(jié)合了激光熔覆技術(shù)與選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，采用同軸送粉方法，與激光形成熔池，熔池中粉末熔化再凝固來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的制作。

激光近凈成形的特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)有：（1）LENS 技術(shù)采用金屬快速熔凝，成型得到的零件致密度高，力學(xué)性能好。（2）不需要采用模具，節(jié)約成本，可以實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)材料的加工。劣勢(shì)有：（1）成型件表面質(zhì)量不高，表面粗糙，成型過(guò)程中熱應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋。（2）成型過(guò)程中需采用保護(hù)性氣體，同時(shí)由于采用的是鈦合金粉末等，使得成本較高。

1.5 直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）技術(shù)

DMLS 技術(shù)是SLS 技術(shù)的一個(gè)分支，于20 世紀(jì)90年代開(kāi)始形成，DMLS 技術(shù)直接采用金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)，與SLM 技術(shù)的區(qū)別是，SLM 技術(shù)要求金屬粉末完全熔化，而DMLS 只需要達(dá)到燒結(jié)就可以[5]。

直接金屬激光燒結(jié)的特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)有：（1）可以直接對(duì)金屬件進(jìn)行燒結(jié)（2）可以使用多種材料。例如不銹鋼，鈷基，鎳基等。（3）加工形成的工件組織致密，結(jié)合強(qiáng)度高。劣勢(shì)有：（1）“球化”現(xiàn)象。（2）容易燒結(jié)變形，致密度不高。

1.6 新技術(shù)

例如電弧增材制造（WAAM），納米顆粒噴射金屬成型（NPJ）以及超聲波固結(jié)（UAM）等等，這些技術(shù)在將來(lái)都有很大的發(fā)展空間[6]。

2 金屬3D 打印技術(shù)的發(fā)展前景

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域范圍擴(kuò)大

如今金屬3D 打印不再局限于機(jī)械模具加工和制造領(lǐng)域，也可以應(yīng)用與其他領(lǐng)域。可以應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，利用金屬3D 打印技術(shù)可以替換掉一些已損壞的零件，從而避免大成本的整機(jī)替換，延長(zhǎng)了其使用壽命；還可以打印飛機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件，例如2018年11月，GE 研發(fā)的金屬3D 打印發(fā)動(dòng)機(jī)支架獲批應(yīng)用于飛機(jī)制造中[7]?？梢詰?yīng)用于教育教學(xué)領(lǐng)域，金屬3D打印可以作為教學(xué)儀器來(lái)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)這項(xiàng)技術(shù)，還可以打印教學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生更直觀的了解模型，提高教學(xué)質(zhì)量?？梢詰?yīng)用于汽車領(lǐng)域，2017年大眾汽車打印出的制動(dòng)鉗通過(guò)了專業(yè)測(cè)試，滿足了重量最小和強(qiáng)度最高的目標(biāo)；還可以用于汽車零部件修復(fù)等。除此之外，還可以應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，鈦合金作為一種最常用的牙種植體的材料，傳統(tǒng)的制造方法不僅價(jià)格昂貴，而且尺寸單一，不能進(jìn)行個(gè)性化生產(chǎn)，如今可以直接使用通過(guò)掃描患者口腔，通過(guò)建立牙種植體模型然后利用金屬燒結(jié)技術(shù)直接打印，大大降低了加工的成本和步驟，還有潛在的應(yīng)用領(lǐng)域例如制作一些家居、玩具以及動(dòng)漫模型等等。

2.2 打印機(jī)設(shè)備以及材料專業(yè)化

我國(guó)的金屬3D 打印技術(shù)處于剛開(kāi)始的階段，打印設(shè)備較少而且也不完善，發(fā)展處于瓶頸期。如需改善這種情況就需要打造高性價(jià)比的設(shè)備，持續(xù)拓展打印機(jī)理，例如需要對(duì)并行打印[8，9]、多材料打印、多噴頭打印、大件打印、連續(xù)打印等金屬3D 打印機(jī)理進(jìn)行深入研究，并以此為基礎(chǔ)應(yīng)用于產(chǎn)品制造。打印材料的局限性也在一定程度上制約著金屬3D 打印的發(fā)展，在打印材料方面應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種材料進(jìn)行打印，打印不同的材料以應(yīng)用于不同的地方。例如鈷材料可以用于燃?xì)廨啓C(jī)；鎳材料可以應(yīng)用于燃燒室；貴金屬可以用于電子器件集成，以及一些難熔的金屬材料如鎢。新型的打印方式以及新型金屬材料的打印將會(huì)是今后的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)，目的是提高金屬3D 打印的質(zhì)量和產(chǎn)量以滿足不同場(chǎng)景和條件的生產(chǎn)[10，11]。

2.3 打印技術(shù)更加完善

金屬3D 打印技術(shù)目前發(fā)展迅速，目前金屬3D打印機(jī)分為桌面級(jí)和工業(yè)級(jí)，桌面級(jí)主要是打印體積較小、精度要求較低的產(chǎn)品，工業(yè)級(jí)主要是用于對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求高的生產(chǎn)領(lǐng)域。金屬3D 打印技術(shù)的本質(zhì)是金屬焊接，在生產(chǎn)過(guò)程中避免不了產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。這些打印件在應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中之前必須進(jìn)行檢測(cè)，所以對(duì)打印件的精度、強(qiáng)度等進(jìn)行了一定的要求[12，13]。為保證產(chǎn)品的合格性，需制定金屬3D 打印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)以及進(jìn)行相關(guān)認(rèn)證工作，對(duì)設(shè)備、材料、打印技術(shù)、質(zhì)量、安全等多個(gè)方面進(jìn)行規(guī)范，只有這樣才能保證金屬3D 打印技術(shù)健康持續(xù)的發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

金屬3D 打印技術(shù)在我國(guó)取得了一些成就，但由我國(guó)對(duì)于金屬3D 打印技術(shù)的起步比較晚，發(fā)展的水平較國(guó)外相對(duì)落后，但是總的來(lái)說(shuō)我國(guó)在金屬3D 打印技術(shù)方面有著很大的發(fā)展前景，所以我國(guó)必須加快對(duì)金屬3D 打印方面的研究，突破工藝、效率等瓶頸問(wèn)題，這樣才能更好推動(dòng)金屬3D 打印技術(shù)的發(fā)展，并且將一些比較完善、比較成熟的技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中去，在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新，推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)的蓬勃發(fā)展。