金屬3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及其趨勢*

黎志勇，楊 斌，王鵬程，李 俏，莫玉梅

(廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動化系，廣東 肇慶 526100)

摘 要：作為工業(yè)4.0時代最具發(fā)展前景的制造技術(shù)之一的金屬3D打印技術(shù)，提供了一種高效低成本的金屬加工實現(xiàn)手段，減少了制造流程，提高了生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。通過大量查閱和研究國內(nèi)外金屬3D打印技術(shù)最新資料，分析歸納了當前國內(nèi)外金屬3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀，包括電子束熔融技術(shù)、電子束焊接技術(shù)、選擇性激光熔融技術(shù)、數(shù)字光處理技術(shù)、激光凈型制造和熔滴打印等，論述了制約其發(fā)展的主要因素及其發(fā)展趨勢，可為進一步深入金屬3D打印技術(shù)科學(xué)研究和企業(yè)發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：金屬3D打印；金屬絲材；激光快速成型

增材制造技術(shù)(又稱3D打印技術(shù))作為工業(yè)4.0時代最具發(fā)展前景的制造技術(shù)之一，是一種基于離散堆積成形思想的新型成形技術(shù)。該技術(shù)以計算機預(yù)先設(shè)計好的三維實體圖為基礎(chǔ)，通過計算機軟件對實體圖進行切片分層，用逐層變化的截面來制造三維形體，在制造每一層片時都和前一層自動實現(xiàn)聯(lián)接，無需專用的模具或夾具，零件的形狀和結(jié)構(gòu)可不受任何約束，節(jié)省了工裝和專用工具設(shè)計制造的時間，減少了制造流程，提高了制造效率。金屬3D打印技術(shù)是技術(shù)最為密集，最有潛力的3D打印技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)療器械、造船、汽車和航空航天等高精尖領(lǐng)域中形狀復(fù)雜、價格昂貴的零件制造。目前，可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有電子束熔融(EBM)技術(shù)、電子束焊接(EBW)技術(shù)、選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)、數(shù)字光處理(DLP)技術(shù)、激光凈型制造(LENS)技術(shù)和熔滴打印技術(shù)。

1 金屬3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

金屬3D打印技術(shù)是20世紀80年代后期產(chǎn)生于美國，并很快擴展到日本及歐洲，于20世紀90年代初引入我國，是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一項重大突破。近年來，金屬3D打印領(lǐng)域得到快速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，2015年全球金屬3D打印機銷量增長了35%，2016年上半年同比增長了17%。歐美國家在3D打印產(chǎn)業(yè)中一直處于領(lǐng)先地位，而國內(nèi)的研究主要集中在基礎(chǔ)的工藝。華南理工大學(xué)的研究重點是SLM技術(shù)；清華大學(xué)以EBSM技術(shù)為主；南京航空航天大學(xué)和華中科技大學(xué)主要研究SLM技術(shù)；西北工業(yè)大學(xué)深入研究了LENS工藝；中北大學(xué)則在SLM技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了變長線掃描SLS RPT[1]。

1.1 EBM技術(shù)

EBM技術(shù)是近年來一種新興的先進金屬快速成型制造技術(shù)。其原理是將零件的三維實體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入EBM設(shè)備，然后在EBM設(shè)備的工作艙內(nèi)平鋪一層微細金屬粉末薄層，利用高能電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)聚焦后在焦點所產(chǎn)生的高密度能量，使被掃描到的金屬粉末層在局部微小區(qū)域產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致金屬微粒熔融，電子束連續(xù)掃描將使一個個微小的金屬熔池相互融合并凝固，連接形成線狀和面狀金屬層[2]。

EBM技術(shù)具有如下特點：1)成型區(qū)可以同時進行多個零件的制造，只要它們都固定在成型臺上；2)金屬粉末粒子大小、形狀和雜質(zhì)都會影響零件成型后的密度、微結(jié)構(gòu)、純度、力學(xué)性能和熱學(xué)特性；3)不需要額外的輔助儀器，原料處理高效，后續(xù)加工處理過程簡單，設(shè)計不受限，適用于高熔點、高活性材料；4)設(shè)計時間減少，可快速面向市場；5)成品密度高，力學(xué)性能好，熱壓少。但該技術(shù)制造速度較慢，成本高，目前只適用于鈦合金、鈷鉻合金、鋁和鋁合金、超耐熱不銹鋼、金屬間化合物以及高熔點合金等部分金屬。

瑞典Arcam AB公司發(fā)明了世界首臺利用電子束來熔融金屬粉末，并經(jīng)計算機輔助設(shè)計的精密鑄造成型設(shè)備。它能用于加工專為病人量身定做的植入手術(shù)所需的人工關(guān)節(jié)或其他精密部件等。由于鈦粉末在真空中熔融并成型，故可避免在空氣中熔融所帶來的氧化缺陷等質(zhì)量事故。

1.2 EBW技術(shù)

EBW技術(shù)的原理是將金屬粉末噴射到高功率激光器的聚焦激光束中，聚焦激光束熔化靶材料的表面，并產(chǎn)生基體材料的一小熔池，噴射的粉末被吸收入熔池，通過逐層堆積，金屬沉積，成形零件。該技術(shù)可以用于各種金屬材料的零件生產(chǎn)制造或金屬零部件的修理，包括鎳、鈷、鋼，以及鋁和鈦及其合金。

以EBW技術(shù)專長的美國芝加哥焊接公司Sciaky成立于1939年，其EBW技術(shù)制造的最大零件為5.8 m×1.2 m×1.2 m，且具有超高的打印速度，每小時可打印4.5～18 kg的金屬鈦，而大多企業(yè)每小時的打印量僅為2.3 kg。

1.3 SLM技術(shù)

SLM技術(shù)的成型原理與EBM技術(shù)相同，都是使用激光照射預(yù)先鋪展好的金屬粉末，金屬零件成型后完全被金屬粉末覆蓋。兩者的主要區(qū)別是熱源不同[3]。

SLM技術(shù)成型的零件不受零件形狀和尺寸限制，每層金屬的接合性好，成品力學(xué)性能優(yōu)于同等材料的鑄造件，應(yīng)用越來越廣泛，是一項非常有發(fā)展?jié)摿Φ某尚图夹g(shù)。目前，發(fā)達歐美國家在SLM技術(shù)方面的工藝研究、原材料制備等都處于較領(lǐng)先地位。德國EOS、ConceptLaser、SLMSolutions和ReaLizer等公司將激光束光斑直徑聚焦到0.1～0.5 mm，大幅提高了激光掃描的速度，減少了成形時間，致密度近100%，其成型零件性能與鍛件相當，尺寸精度達20～50 μm，表面粗糙度達20～30 μm；近年來，美國3DSystems、DM3D、Exone和EFESTO等公司先后開發(fā)出高溫合金精密激光選區(qū)熔化成形技術(shù)商業(yè)化設(shè)備；華南理工大學(xué)、北京航空制造工程研究所、西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司、西北工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)等單位陸續(xù)開展的相關(guān)研究不斷向廣度及深度推進，SLM技術(shù)的硬件系統(tǒng)、工藝特性和成型件力學(xué)性能等方面部分達到或接近國際先進水平[4]。

1.4 LENS技術(shù)

LENS技術(shù)原理是在計算機上設(shè)計CAD模型，然后使CAD模型離散為一系列二維平面圖形，計算機由此獲得掃描軌跡指令，激光束與金屬基體發(fā)生交互作用形成熔池，金屬粉末進入小熔池中，熔化、凝固結(jié)晶，逐層堆積成型零件。與SLM技術(shù)相似，成型零件不受形狀和尺寸限制，每層金屬的接合性好，力學(xué)性能優(yōu)。SLM技術(shù)與LENS技術(shù)的主要區(qū)別在于送粉方式不同。美國Optomec公司在LENS技術(shù)工藝研究方面走在前列，生產(chǎn)的生產(chǎn)設(shè)備能生產(chǎn)多種高性能金屬部件。LENS技術(shù)沉積系統(tǒng)使用高功率激光的能量，在瞬間直接將金屬粉末變成結(jié)構(gòu)層。成型后的零件微觀組織中無夾雜、無氣孔、無凹陷、無裂紋，致密度達到100%，力學(xué)性能優(yōu)于相應(yīng)的鑄件及鍛件。

1.5 金屬3D打印+金屬切削混合制造技術(shù)

金屬3D打印+金屬切削混合制造技術(shù)是在一臺設(shè)備上完成金屬3D打印和切削這2種加工，通過整合2種加工技術(shù)的優(yōu)點，取長補短，實現(xiàn)難加工材料的加工。日本松浦公司生產(chǎn)的金屬3D打印機LUMEXAvance—25，是世界上首個將金屬激光燒結(jié)增材制造技術(shù)和高速銑削工藝結(jié)合在一起的綜合制造設(shè)備；日本馬扎克公司開發(fā)出的金屬3D打印機Integrexi—400am采用的是激光燒結(jié)增材制造方法，除了直接生產(chǎn)零件外，也可以用于零部件的修復(fù)；德國DMGMORI公司開發(fā)出的金屬3D打印機LASERTEC65，通過粉末噴嘴進行激光堆焊與銑削加工共同構(gòu)成獨特的復(fù)合技術(shù)，是將激光堆焊與五軸銑削結(jié)合在一起的復(fù)合加工技術(shù)，該技術(shù)比在粉床中成形速度最高可快20倍[5]；華中科技大學(xué)張海鷗教授主導(dǎo)研發(fā)的“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術(shù)，以金屬絲材為原料，材料利用率>80%，使用高效廉價的電弧作熱源，生產(chǎn)的零件表面比激光3D打印的零件表面光潔50%，零件的形狀尺寸和組織性能可以控制，同時生產(chǎn)效率更高，處于國際領(lǐng)先水平。

1.6 超聲波3D打印(UAM)技術(shù)

UAM設(shè)備原理上是一個內(nèi)置了超聲波焊接技術(shù)的數(shù)控銑床，薄薄的金屬箔被一層一層放置，用超聲波焊接在一起，然后用銑床切割密集堆放的金屬片，以創(chuàng)建出最終零件。UAM超聲波增材制造金屬不被高溫熔化，基體金屬溫度≤200 ℉(93 ℃)。德國Fabrisonic公司是一家以UAM技術(shù)為核心的工業(yè)金屬3D打印機生產(chǎn)商。

1.7 金屬微滴3D打印技術(shù)

金屬微滴3D打印技術(shù)是基于噴墨打印的思維發(fā)展起來的，其機理是將CAD實體模型離散為二維平面圖形，通過數(shù)控系統(tǒng)控制，將熔融的金屬滴液逐層堆積成實物。西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和北京航空制造工程研究所等將熔滴按需噴射、增材制造和快速凝固三大技術(shù)集成起來，研發(fā)了一種金屬微滴3D打印技術(shù)。金屬微滴噴射器將金屬微滴噴射出來后，精確地控制金屬微滴逐點、逐層堆積在運動平臺上；與此同時，控制運動平臺的軌跡，從而形成復(fù)雜的金屬零件。

2 制約金屬3D打印技術(shù)發(fā)展的主要因素

2.1 金屬3D打印材料

金屬3D打印市場潛力無限，但因金屬粉末材料技術(shù)壁壘較高、生產(chǎn)困難，導(dǎo)致市場產(chǎn)量不足。目前，金屬3D打印僅能打印十幾種金屬，主要包括鋁合金、鈦合金、模具鋼、鈷鉻合金、不銹鋼、鐵鎳合金和銅合金等。金屬3D打印技術(shù)不能有效推廣的主要原因是材料的種類少及其制備還未能滿足設(shè)計要求，并且國內(nèi)金屬3D打印材料大部分依賴進口，價格昂貴，開發(fā)專用的、廉價的金屬3D打印原材料是推動金屬3D打印發(fā)展的必然因素。

2.2 金屬3D打印產(chǎn)品質(zhì)量

目前，金屬3D打印出的產(chǎn)品致密度還比較低，最高能達到鑄造件致密度的98%，遠低于鍛造件的力學(xué)性能，產(chǎn)品力學(xué)性能約處于鑄件和鍛件之間；打印制品表面質(zhì)量差，精度為2～10 μm，需要打磨、拋光和機加工等后處理；3D打印具有復(fù)雜曲面的零部件時，支承材料難以去除。目前，金屬3D打印產(chǎn)品極少能作為零部件直接組裝應(yīng)用。

2.3 金屬3D打印效率低，打印設(shè)備昂貴

層層疊加、激光熔化的加工方式?jīng)Q定了金屬3D打印機打印出成品所需的時間比較長，效率不高，這是3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化必須解決的一個難題，各類3D打印材料直接影響打印產(chǎn)品性能和后續(xù)工藝是由于3D打印技術(shù)采用在水平面內(nèi)逐行成型。

金屬打印3D設(shè)備價格高，主流的250 mm×250 mm×325 mm、400 W激光器規(guī)格的設(shè)備，國產(chǎn)設(shè)備價格約為200～300萬元，國外設(shè)備價格約為500～600萬元。

2.4 金屬3D打印人才

金屬3D打印集機械工程、CAD/CAM技術(shù)、計算機、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、精密伺服驅(qū)動和激光技術(shù)等技術(shù)于一身，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性也很強，不僅要能生產(chǎn)打印機，還要能解決打印機的其他附加難題，這需要專門的金屬3D打印人才。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)很多企業(yè)專業(yè)金屬3D打印人才缺乏。

3 金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 金屬3D打印材料將成為研究開發(fā)的焦點

隨著金屬3D打印需求的增加，金屬3D打印材料的種類和形態(tài)得到了迅速拓展，價格下降可期，精度、強度、穩(wěn)定性和安全性也將更加有保障。

金屬3D打印對材料的形態(tài)有嚴格的要求，一般為粉末狀、絲狀等，價格比較昂貴，無法滿足個人與工業(yè)化生產(chǎn)的需要，適價材料才能為技術(shù)的發(fā)展提供足夠大的選擇空間、為應(yīng)用的擴展提供足夠大的想象空間。

3.2 金屬3D打印機理進一步得到拓展

深入研究并行打印、連續(xù)打印、大件打印和多材料打印的工藝方法以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造，金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點。

3.3 工業(yè)級金屬3D打印機快速發(fā)展

金屬3D打印機可分為桌面級和工業(yè)級，桌面級金屬3D打印機主要用于教學(xué)以及對產(chǎn)品精度要求不高的產(chǎn)品，而工業(yè)級金屬3D打印機用于對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域。經(jīng)過前幾年的高速增長，桌面級金屬3D打印機趨向飽和，加上桌面級打印機精度低和效率低的局限性，未來工業(yè)級金屬3D打印機將得到長足發(fā)展，這也與智能制造、工業(yè)4.0相契合。據(jù)統(tǒng)計，目前領(lǐng)頭級的3D打印機制造商都轉(zhuǎn)向了金屬3D打印機的研發(fā)和生產(chǎn)。

3.4 金屬3D打印產(chǎn)品質(zhì)量得到提升

未來，隨著金屬3D打印機理的拓展深化和金屬3D打印工藝的深入研究，金屬3D打印的效率將會得到明顯改善，金屬3D打印零件的致密度會得到大大提升，零件的力學(xué)性能會得到提高，表面質(zhì)量和其他物理性能也會得到改善；另外，金屬3D打印設(shè)備性能會朝著使用方便和耐用性高的方向發(fā)展，成本也會朝著低廉的方向發(fā)展。

4 結(jié)語

作為引領(lǐng)生產(chǎn)方式變革的關(guān)鍵技術(shù)之一的金屬3D打印技術(shù)將會在成型方式和工藝上進一步優(yōu)化，在各個領(lǐng)域應(yīng)用取得突破，將極大地改變?nèi)藗兊纳詈蜕a(chǎn)方式。本文詳述了當前金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，供相關(guān)企業(yè)、科研人員以及相關(guān)部門參考，以便更好地為金屬3D打印技術(shù)服務(wù)，主動對接生產(chǎn)方式變革，推動社會進步。

參考文獻：

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* 廣東省教育教學(xué)改革項目(2015770) 廣東省教指委質(zhì)量工程項目(jd2013334)

責任編輯 鄭練

Research Status and Trend of Metal 3D Printing Technology

LI Zhiyong, YANG Bin, WANG Pengcheng, LI Qiao, MO Yumei

(Department of Industrial Automation, Guangdong Institute of Technology, Zhaoqing 526100, China)

Abstract：As one of the most promising manufacturing technology in industry 4.0 times, metal 3D printing technology provides a metal processing method with high efficiency and low cost means to reduce the manufacturing process, improve production efficiency and extend the broad range of people making production. Through analyzing a large number of data and the latest printing technology of metal research of 3D at home and abroad, the current domestic and foreign research status of metal 3D printing technology is introduced, including electron beam melting technology, electron beam welding, selective laser melting technology, digital light processing technology, laser net manufacturing and droplet printing. The main factors restricting the development and the trend of development are discussed, for the further development of metal 3D printing technology research and development enterprises to provide reference.

Key words：metal 3D printing, metal wire, laser rapid prototyping

中圖分類號：TF 124

文獻標志碼：A

作者簡介：黎志勇(1979-)，男，碩士，講師，主要從事金屬材料成型加工等方面的研究。

收稿日期：2017-01-04