金屬3D 打印技術(shù)概述

于忠斌， 張中標(biāo)， 尹婷婷， 郭 松

（1.海軍裝備部， 四川 成都 610000； 2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院， 四川 成都 610000）

引言

3D 打印技術(shù)是一種將建立的三維數(shù)字化模型通過(guò)切片軟件進(jìn)行路徑規(guī)劃，再使用粉末、線材、液體等材料逐層堆積完成三維實(shí)體模型制造的技術(shù)。作為對(duì)傳統(tǒng)加工方式的補(bǔ)充，3D 打印技術(shù)的主要特點(diǎn)是無(wú)需開(kāi)模、材料利用率高，并且可以制造傳統(tǒng)加工方式難以加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，因此在航空航天、工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)教育等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

金屬3D 打印技術(shù)成型工藝最為豐富、市場(chǎng)化應(yīng)用最多的有粉末床熔融技術(shù)（VBF）和定向能量沉積技術(shù)（DED）。其中，粉末床熔融技術(shù)代表工藝有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融（EBM），定向能量沉積技術(shù)代表工藝有激光凈成型技術(shù)（LENS）[4-6]。另外，還有原子擴(kuò)散3D 打印技術(shù)（ADAM）、納米顆粒噴射（NPJ）、大面積光刻（DiAM）等一些新興的金屬3D 打印技術(shù)不斷涌現(xiàn)。本文主要介紹這些相關(guān)的金屬3D 打印技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)。

1 金屬3D 打印技術(shù)

1.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）屬于粉末床熔融技術(shù)的一種。打印開(kāi)始前，先將粉末全部預(yù)熱至低于燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度，然后用鋪粉滾筒將粉末均勻地分布和散布，以形成一個(gè)水平、均勻的表面，完全覆蓋整個(gè)打印區(qū)域。接著將聚焦的激光束精確地對(duì)準(zhǔn)粉末層，并掃描零件的橫截面。降低打印平臺(tái)，并重復(fù)該過(guò)程，直到燒結(jié)所有層。該技術(shù)所采用的原材料粉末多為混合物，即在激光照射下，只有一部分低熔點(diǎn)的金屬熔化，會(huì)作為黏合劑將未熔化的金屬粉末粘結(jié)在一起。顯然，只需考慮讓作為黏合劑的金屬熔化，這使得SLS 的材料選擇廣泛，打印成本也更低。另外，SLS 還具有一個(gè)突出特點(diǎn)是沒(méi)有被激光燒結(jié)的粉末可以作為支撐，因此不需要打印額外支撐材料。即便如此，SLS 也有著不可忽視的一些缺點(diǎn)，像零件疏松多孔、致密度低，表面粗糙度較大，力學(xué)性能不足等[7-8]。這使得SLS 工藝在工業(yè)應(yīng)用甚至高端裝備領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定限制。

1.2 選擇性激光熔融（SLM）

選擇性激光熔融（SLM）也屬于粉末床熔融技術(shù)的一種，是在SLS 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的金屬3D 打印技術(shù)。它的成型原理與SLS 極為相似，不同點(diǎn)在于，SLM 的激光溫度較高，會(huì)完全熔化所有金屬粉末成型[9-11]。因此，在SLM 整個(gè)打印過(guò)程中需要在惰性氣體保護(hù)的腔體中進(jìn)行，以避免金屬發(fā)生氧化。這給SLM 帶了更好的成型性能，相比SLS 制造的金屬零件的致密度更高，力學(xué)性能更好，尺寸精度更高、表面粗糙度也更高，這也是SLM 應(yīng)用相比SLS 更為廣泛的原因。但同時(shí)，正是由于熱影響的作用，打印懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，最好設(shè)計(jì)有支撐結(jié)構(gòu)。因此，導(dǎo)致SLM 工藝參數(shù)復(fù)雜、制造速度偏低，尤其是面對(duì)需要大量支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件，SLM 的打印成本、時(shí)長(zhǎng)會(huì)明顯提高。

1.3 電子束熔融（EBM）

電子束熔融（EBM）與SLS、SLM 類似，不同之處在于，EBM 是采用高能量、高速度的電子束熔化金屬粉末層或金屬絲[12-13]。電子束由一組電磁線圈控制，這些線圈精確地將電子束指向需要熔化的區(qū)域，電子束在融化粉末時(shí)選擇性地移動(dòng)，使金屬粉末融合在一起。由于EBM 采用電子束加熱，產(chǎn)生的溫度較高，因此多用于打印鈦、鉻鈷合金。另外，相對(duì)于激光束熔化金屬粉末來(lái)說(shuō)，EBM 可以通過(guò)高能電子束本身的特性很好地創(chuàng)造一個(gè)真空環(huán)境，不用專門設(shè)置用于隔離材料粉末與外部空氣的環(huán)境。這也使得EBM 打印的零件密度高、強(qiáng)度高，變形風(fēng)險(xiǎn)低。

1.4 激光近凈成型技術(shù)（LENS）

激光近凈成型技術(shù)（LENS）是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合選擇性激光燒結(jié)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種金屬3D 打印技術(shù)[14]。該技術(shù)由激光系統(tǒng)、粉末輸送系統(tǒng)與惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)組成。與SLS 相似的是，激光系統(tǒng)也是加熱元件，但是區(qū)別在于LENS 是對(duì)金屬基體進(jìn)行加熱熔化。同時(shí)，粉末輸送系統(tǒng)會(huì)將金屬粉末從噴嘴噴射到熔池中，快速凝固沉積，反復(fù)堆疊直到零件成型。惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)可以在金屬熔池區(qū)域隔絕外部空氣，避免熔池金屬發(fā)生氧化。由于LENS 的熔池區(qū)域遠(yuǎn)大于粉末床熔融技術(shù)、激光系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)自由度更高、可以中途換粉，雖然犧牲了零件成型的精度，但也極大地提高了成型效率。這使得LENS 在一些內(nèi)腔復(fù)雜、結(jié)構(gòu)懸臂的金屬零件的成型技術(shù)上有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能對(duì)復(fù)雜零件和模具進(jìn)行修復(fù)，甚至可以制造出化學(xué)成分不同的功能梯度材料。

1.5 原子擴(kuò)散3D 打印技術(shù)（ADAM）

原子擴(kuò)散3D 打印技術(shù)在堆積成型過(guò)程中的原理，與擠出成型工藝的熔融沉積3D 打印技術(shù)幾乎一致。只不過(guò)該技術(shù)采用的原材料不是熔融沉積用的塑料、熱塑性樹(shù)脂，而是鈦、鋁、鐵等金屬材料。Markforged 公司推出的Matel X 金屬3D 打印機(jī)是這一技術(shù)的典型代表，技術(shù)方案是將金屬粉末、蠟、樹(shù)脂按照一定比例制成線材，樹(shù)脂起到黏合劑的作用，使得該線材可用于熔融沉積的金屬線材。線材經(jīng)過(guò)3D 打印噴嘴后，材料中的樹(shù)脂和蠟達(dá)到熔融溫度從而轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)，從而在打印平臺(tái)上堆積成零件。制成的零件由金屬粉末、樹(shù)脂、蠟組成，此時(shí)金屬粉末間僅靠樹(shù)脂的黏合力連接，因此整個(gè)零件的力學(xué)性能十分受限。接下來(lái)是原子擴(kuò)散3D 打印技術(shù)最關(guān)鍵的一步——“燒結(jié)”，就是將零件中的金屬粉末緊密粘結(jié)在一起。將零件放入清洗機(jī)中，用有機(jī)溶劑去除零件中的一部分黏合劑成分，再將零件在高溫熔爐中燒結(jié)，其中黏合劑全部去除，金屬粉末在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生原子擴(kuò)散，最終形成相當(dāng)致密的純金屬零件。由于黏合劑材料的去除，燒結(jié)前后的零件尺寸存在明顯差異，因此ADAM 技術(shù)需要在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮尺寸縮減的影響并進(jìn)行補(bǔ)償。

1.6 納米顆粒噴射技術(shù)（NPJ）

以色列Xjet 公司在“2016 年法蘭克福國(guó)際精密成形及3D 打印制造展覽會(huì)”上，展示了首創(chuàng)的可噴射納米顆粒材料的金屬3D 打印系統(tǒng)。該技術(shù)原理是先產(chǎn)生包含金屬納米顆粒的“油墨”，“油墨”中的液體介質(zhì)其實(shí)是一個(gè)載體，Xjet 公司提供的其中一種材料就是碳化鎢WC/鈷Co 打印“油墨”混合物，鈷溶解在油墨中以有機(jī)鈷化物的形式存在。打印機(jī)再將這些“油墨”以每秒上千滴的速度噴射在系統(tǒng)的托盤上，堆積形成零件。值得注意的是，其噴射頭在多次經(jīng)過(guò)的相同區(qū)域，每次經(jīng)過(guò)都給出微小的偏移，每個(gè)噴嘴在多個(gè)細(xì)微差異的區(qū)域噴射打印材料。因此，納米顆粒噴射技術(shù)能制造出具有極高的細(xì)節(jié)層次和表面光潔度的高質(zhì)量產(chǎn)品。在完成打印后，“油墨”組合零件成型部分工作完成，還需要通過(guò)燒結(jié)進(jìn)一步提升零件力學(xué)性能。“油墨”毛坯將在封閉的真空和高溫環(huán)境下進(jìn)行加熱，在這個(gè)過(guò)程中，極高的溫度可使包覆在納米顆粒周圍的液體蒸發(fā)，再以接近于材料熔點(diǎn)的溫度進(jìn)行液相燒結(jié)，產(chǎn)生的效果與傳統(tǒng)的金屬零件制造方法的冶金學(xué)原理一樣。燒結(jié)后的零件強(qiáng)度可以達(dá)到切削刀具所需要的強(qiáng)度和硬度。雖然Xjet 公司創(chuàng)造性的金屬3D 打印技術(shù)效果顯著，尤其是在精度與復(fù)雜度、零件性能方面有著突出優(yōu)勢(shì)，但是由于其材料受限、費(fèi)用較高方面的問(wèn)題，暫時(shí)難以在市場(chǎng)上進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用推廣。

1.7 大面積光刻技術(shù)（DiAM）

大面積光刻技術(shù)是由美國(guó)LLNL 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的一種效率極高的金屬3D 打印技術(shù)。該技術(shù)使用多路復(fù)合器，激光二極管和Q 開(kāi)關(guān)激光脈沖來(lái)選擇性熔化每層金屬粉末。首先將零件的三維模型進(jìn)行二維切片，形成每一層的激光掃描圖像。激光隨后閃爍一次即可打印整層金屬粉末，這也是該技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)激光掃描成型技術(shù)SLS、SLM 的主要特點(diǎn)。顯而易見(jiàn)，大面積光刻可以顯著提高金屬3D 打印的制造效率。另外，DiAM 工藝通過(guò)投影圖像中微調(diào)灰度梯度的能力，意味著能更好地控制殘余應(yīng)力和材料微觀結(jié)構(gòu)，這或許將顛覆粉末床選擇性激光熔融技術(shù)。

2 金屬3D 打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 效率和質(zhì)量的平衡

3D 打印技術(shù)一個(gè)突出的矛盾點(diǎn)就是效率與質(zhì)量的共生問(wèn)題。對(duì)于每一項(xiàng)金屬3D 打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，如果一味提高效率，那么質(zhì)量問(wèn)題就無(wú)法避免，反之亦然。以SLM 技術(shù)為例，加工參數(shù)、粉末質(zhì)量、激光掃描策略、光斑大小等一系列條件均與成型效率和零件的質(zhì)量息息相關(guān)。如果提高粉末顆粒尺寸、單層厚度增加、掃描速度加快，無(wú)疑會(huì)提高成型效率，但隨之而來(lái)的是零件表面粗糙、殘余應(yīng)力、致密度等因素會(huì)影響零件質(zhì)量。在優(yōu)化成型工藝及設(shè)備方面需要不斷探索，使得效率和質(zhì)量達(dá)到一個(gè)完美的平衡點(diǎn)，甚至共同改進(jìn)，這樣3D 打印技術(shù)有望在更多行業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品制造全覆蓋。

2.2 打印材料的成熟制備

金屬3D 打印技術(shù)雖然在不斷豐富，但是最大的制約因素?zé)o疑是材料問(wèn)題。即使對(duì)于SLM、EBM這些較為成熟的3D 打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，存在著諸多困難。包括一些難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬，在激光選區(qū)熔融過(guò)程中，吸收率低、成型困難、質(zhì)量難以控制。即便是已經(jīng)成熟應(yīng)用的材料，也存在材料制備困難、價(jià)格高昂的難題。因此，降低原材料制備成本、拓展材料體系是目前金屬3D 打印技術(shù)的發(fā)展焦點(diǎn)。

2.3 基于3D 打印技術(shù)的設(shè)計(jì)方法

3D 打印技術(shù)拋不開(kāi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，因?yàn)?D 打印的突出特點(diǎn)就是讓“制造引領(lǐng)設(shè)計(jì)”改為“功能引領(lǐng)設(shè)計(jì)”。以創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化等設(shè)計(jì)方法為主導(dǎo)，基于3D 打印制造的產(chǎn)品有了更多可能性，像中空夾層、鏤空點(diǎn)陣、異性拓?fù)鋬?yōu)化、一體化等結(jié)構(gòu)都給產(chǎn)品設(shè)計(jì)注入了新的活力，這使得產(chǎn)品減重、減零件數(shù)量等設(shè)計(jì)都變?yōu)榭刹僮鞯?。但目前基?D 打印技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件尚未完全成熟，在未來(lái)融合人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)后，會(huì)將設(shè)計(jì)變得更加智能，進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)門檻。

3 結(jié)語(yǔ)

與廣泛研究的減材制造工藝相比，新興的金屬3D 打印技術(shù)具有更多可能性，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)。金屬3D 打印技術(shù)如果能在材料、工藝、設(shè)備、設(shè)計(jì)各方面取得突破，將極大地改變各領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及制造，推動(dòng)生產(chǎn)方式的進(jìn)步。