近年來，3D打印技術逐漸應（yīng）用於實際產品的製造，其中，金屬材料的3D打印技術（shù）發展（zhǎn）尤其迅速。在國防領域（yù），歐美（měi）發達國家非常重視3D打印技術的（de）發展，不（bú）惜（xī）投入巨（jù）資加以研究，而3D打印（yìn）金屬零部件（jiàn）一（yī）直是研（yán）究和應用（yòng）的（de）重點。 不大能打（dǎ）印模具（jù）、自行車，還能打（dǎ）印出gun等武器，甚至能夠打印出汽車、飛（fēi）機等大型設備裝備。

 

作（zuò）為一種新型製造技術，3D打印已展現出了十分廣闊的應用前（qián）景（jǐng）,而且在裝備設計（jì）與製造、裝備保障、航空航天等更多的（de）領域展現出了強勁的發（fā）展勢頭。

 

 

1 3D打印概述  

1.1 基本（běn）概（gài）述  

3D打（dǎ）印技術的核心思想（xiǎng）最早起（qǐ）源19世紀末的美國，但是直到20世（shì）紀80年代（dài）中期才有了雛形，1986年美（měi）國人Charles  Hull發明了第一（yī）台3D打印機。我國是從1991 年開始研究3D打印技術的，2000年前後，這些工藝開始從實驗室研（yán）究（jiū）逐步向工程化、產品化方向發展。當時它（tā）的名字叫快速原型技術（RP），即（jí）開發樣品之前的實物（wù）模型。現在也有叫快速成型技（jì）術，增材製造。但為便於（yú）公眾接受，把這種新技術統（tǒng）稱為3D打印。  3D打印是快速成型技（jì）術的一種，它是一種以（yǐ）數字模型設計為基礎，運用粉末（mò）狀金屬或樹脂等可粘合材（cái）料，通過逐（zhú）層“增材”打印的方式來構造三維物體的技術。3D打印被稱作“上個世紀的思想和技（jì）術，這個世紀的市場”。而且我國在3D打印航（háng）空航天方麵最近還（hái）取得了突破，

 

1.2 3D打印特點

1）精度高。目前（qián）3D打印設備的精度基本都可控製在0.3mm以下。

2）周期短。3D打印無須模具的製作過程，使（shǐ）得模型的生產時間大大縮短，一般幾個小時甚至幾十分鍾就可以完成一（yī）個模型的打印（yìn）。  

3）可實現個（gè）性化。3D打印對於打印的模型（xíng）數量毫無限製，不管一個還是多個都可以以相同（tóng）的成本製（zhì）作出來。  

4）材料的多樣性。一個3D打印係統往往可以實（shí）現（xiàn）不（bú）同材料的打印（yìn），而這種材料的多樣性可以滿足不同領域的需要。

5）成本相（xiàng）對較低。雖然現在3D打印係統和3D打印材料比較貴，但（dàn）如果（guǒ）用來製作個性化產品，其製（zhì）作成本相對就比較低了。 

 

 

2 金屬3D打印技術

南極（jí）熊之（zhī）前就詳細的寫過各種金屬3D打印成型工藝（yì）

金屬零件（jiàn）3D打印技術作為整個3D打印體係中最為前（qián）沿和最有潛力的技術（shù），是（shì）先進製造技術的重（chóng）要發展方向（xiàng）。隨著科技發展及推廣應用的（de）需求，利用快速成型直接製造金屬功能零件成為了快（kuài）速成型主要的發展方向。目前可用於直（zhí）接（jiē）製造金屬功能零件的（de）快速成型方（fāng）法主要有：選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光（guāng）近淨成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。

 

2.1 激光工程（chéng）化淨成形技術( LENS) 

LENS是一種（zhǒng）新的快速成形技術（shù），它由（yóu）美國Sandia國家實驗室首先提出。其特點是: 直接製造形狀結構複雜的金屬功（gōng）能零件或模具（jù）； 可加工的金屬或合金材料範圍廣泛並能實現異質材料零件的製造； 可方便加工熔點高、難（nán）加工的材（cái）料。

 

  LENS是（shì）在激光熔覆技術的基礎上（shàng）發展起來的一種金（jīn）屬零件3D打印技術。采用中、大功（gōng）率激光熔化同步供給的金屬粉末（mò），按照預（yù）設軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。1999年，LENS工藝獲得了美國工業界中“最富創造力的25項技術”之（zhī）一的（de）稱號。國外（wài）研究人員研究了（le）LENS工藝製備奧氏體不鏽鋼試件的硬度分布，結（jié）果表明隨著加工層數的（de）增（zēng）加，試件的維氏硬度降低。

 

  國外研究人員應用LENS工藝製備了載重植入體的多孔（kǒng）和功能梯度結構，采用的材料為Ni、Ti等與人體具有良好相容性的合金，製備的植入體的（de）孔隙率最高能達到70%，使（shǐ）用壽命達到7-12年。  Krishna等人（rén）采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金製備了多孔生物植入體，並研（yán）究了植入體的力學性能，發現（xiàn）孔隙率為10%時，楊氏模（mó）量達（dá）到90 GPa，當孔隙率為70%時，楊氏模量急劇降到2 GPa，這樣就可以通過改變孔隙率，使植入體的力學性能與生物體適配。   Zhang等製備（bèi）了網狀的 Fe 基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）組件，研究發現MG的顯微硬度達到9.52 GPa。Li通過LENS工藝修複定向凝固高溫合金GTD-111。國內的薛春芳等采用LENS工藝（yì），獲得微觀組織、顯微硬度和（hé）機（jī）械性能良（liáng）好的網（wǎng）狀的Co基高溫（wēn）合金薄（báo）壁零件。費群星等采用LENS工藝成型了無變（biàn）形的Ni-Cu-Sn合金樣品。

 

 

在（zài）LENS係統中，同軸送粉器包括送粉 器、送粉頭和保護氣路3部分。送粉器包括粉末料箱和（hé）粉末定量送給機構，粉末的流量由（yóu）步進電機的轉速決定。為使金（jīn）屬粉末（mò）在自（zì）重作用下增加流動性，將送粉器架設（shè）在2. 5 m的高度上。從送粉器流出的金（jīn）屬粉末經粉末分割器平均（jun1）分成4份並通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉（fěn）頭的噴嘴噴射到激光焦點的位置完成熔化堆積過程（chéng）。全部粉末路徑由保護氣體推動，保護氣體將金屬粉末與空氣隔離，從（cóng）而避免金（jīn）屬粉（fěn）末氧化。LENS 係統同 軸送粉器結（jié）構示意圖見圖1。 目前，快速原型技術已經（jīng）逐步趨於成熟，發達國家也將激光工程化（huà）淨成（chéng）形技術作為研究的重點，並取得了一些實質性成果（guǒ）。在實際應用中，可以利（lì）用（yòng）該技術製作出功（gōng）能複 合型材料，可以修複（fù）高附加值的鈦合金葉片，也（yě）可以運用到直升機、客（kè）機、導彈的製作（zuò）中。另外（wài），還能將該（gāi）技術運用於生物植入（rù）領域，采用與人體具有相容性的Ni、Ti材質製備植入（rù）體，有效提升了空隙（xì）率，延長了（le）植入體（tǐ）的使用時（shí）長。

 

 

2.2 激光選區熔化技術( SLM) 

SLM 是金屬 3D 打印領域的重要部分，其發展曆程經曆低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點粉（fěn）末燒（shāo）結、高熔點粉末直接熔化成形等階段。由美國德克薩斯大學（xué）奧斯汀分校在 1986年最早申請專利，1988年研製（zhì）成功了第1台SLM 設備，采用精細聚焦光斑快速熔化成30 ～51 μm 的預置粉末材料，幾乎可以直接獲（huò）得任意形狀以及具有完全冶金結合的功能零件（jiàn）。致密度可達到近（jìn）乎 100%，尺寸精度達（dá） 20 ～ 50 μm，表麵粗糙度達20 ～30 μm，是一種極具發展前景的快速成形技術。 

 

SLM成型材料多為單一組分金屬粉末，包括奧氏體不鏽鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷-鉻合金和貴重金屬等（děng）。激光束快速熔化金屬粉末並獲得連（lián）續的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結合、高精度的近乎致密（mì）金（jīn）屬零件，是極（jí）具發展前景的金屬零件3D打印（yìn）技術（shù）。其應用範圍已經擴展（zhǎn）到航（háng）空航天、微電子、醫療、珠寶首飾等行（háng）業。

 

SLM工藝有多達50多個影（yǐng）響（xiǎng）因素，對 成型效果具有重（chóng）要影響的六大類：材料屬（shǔ）性、激光與光（guāng）路係統、掃描特征、成型氛圍、成型幾何特征和設備因素。目前，國內外研（yán）究人員主要針對以（yǐ）上幾個影響因素進行工藝研究（jiū）、應用研究（jiū），目的都是為了解決成型過程中出現的缺陷，提高（gāo）成型零件的質量。工藝研究方麵，SLM成型過程中重要工藝參數有激光功率、掃描速度（dù）、鋪粉層厚、掃描間距（jù）和掃描策（cè）略等，通過組合不同（tóng）的（de）工藝參數， 使成型質量最優。

 

 

SLM成型過程（chéng）中的主要缺 陷有球化、翹曲變形。球化是成型過程中（zhōng）上下兩層熔化不充分，由於表麵張（zhāng）力的作用，熔化的液滴會迅速卷成球形，從而導（dǎo）致球化現象，為了避免球（qiú）化，應該適當（dāng）地增大輸入 能量。翹曲變形是由於SLM成型過程（chéng）中存在的熱應力超過材料（liào）的強度，發生塑性變形引（yǐn）起，由於殘餘應力的測量比較困難，目（mù）前對 SLM工藝的翹（qiào）曲變形的研（yán）究主要是采用有限元方法進行，然後通過實驗驗證模擬結果（guǒ）的可靠性。  SLM 技術的基本原理是: 先（xiān）在計（jì）算機上利用Pro /e、UG、CATIA 等三維造型軟件設計出零件的三維實（shí）體模型，然後通過切片軟件對該三維（wéi）模型進行切片分層，得到（dào）各截麵（miàn）的輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，控製激光束選區熔化各層的金屬粉末（mò）材（cái）料，逐步堆（duī）疊成三維金屬零件。

 

圖 2 為其成形原理圖： 激光束開始掃描前，鋪粉裝置先（xiān）把金屬粉末（mò）平推到成形缸的基（jī）板上，激光束再按當（dāng）前層的填充掃描線，選區（qū）熔化基板上（shàng）的粉末，加工出當前層，然後成形缸（gāng）下降1 個層厚的距離，粉料缸上（shàng）升一定厚度（dù）的距離，鋪粉裝置再（zài）在已加工（gōng）好的當（dāng）前層上鋪好金屬粉（fěn）末，設備調入下一層輪（lún）廓的數據（jù）進（jìn）行加工（gōng），如此層層加工，直到整（zhěng）個零件加工完畢。整個加工（gōng）過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體（tǐ）發（fā）生（shēng）反應。  廣泛應用激光選區熔化技術的代表國家有德（dé）國、美國等。他們都開發出了不同的製造機型，甚至（zhì）可以根據實際情況專門打造零件，滿足個性化的需要（yào）。利（lì）用EOSING M270設備成形的金屬零件尺寸較小，將其應用到牙橋、牙冠的批量生產中既不會影響人們對其的使用，也不會產生不適感，且它（tā）的致密度接近100%，精細度較好。與此（cǐ）同時，利用 SLM 技術生產出的鈦合金零件還能夠運用（yòng）到醫學植入體中，促進了醫學工作的發展。

 

 

2.3 電子束選區（qū）熔化技術( EBSM) 

EBSM是采用高能電（diàn）子束（shù）作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉線（xiàn）圈進行，且電（diàn）子束具有的真空環境，還可以避免金屬粉末在液相燒結或熔（róng）化過程中被氧化。鑒於電子束具有的上述優點，瑞（ruì）典 Arcam公司、清華大學、美國麻省理工學院和美（měi）國 NASA 的Langley 研究（jiū）中心，均（jun1）開發出了各自的電子束快（kuài）速製造係統 ，前兩家利用電（diàn）子束熔化（huà）鋪在（zài）工作台麵上的金（jīn）屬（shǔ）粉末，與激光選區燒結技術類似；後兩家（jiā）利用（yòng）電子（zǐ）束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送（sòng）絲裝（zhuāng）置和（hé）工作（zuò）台移動，與激光淨成形製造技（jì）術類似。 

 

EBSM技術是20世紀90年代中期發展起來的一種金屬零3D打印技術，其（qí）與SLM/DMLS係統的差別主要是熱源不同，在成型原理上（shàng）基本相似。與（yǔ）以激光為能（néng）量源（yuán）的金屬零件3D打印技術相比（bǐ），EBSM 工藝具有（yǒu）能量利（lì）用率高、無反射、功率密度高、聚焦方（fāng）便等（děng）許多優（yōu）點。在目前3D打印技術的數十種方法中，EBSM技（jì）術因其能夠直接成型金（jīn）屬零部件而受到人們的（de）高度關注。

 

 

國外對（duì）EBM工藝理論研究相（xiàng）對較早，瑞典的Arcam AB公司研發了商品化的EBSM設備EBM S12係列，而國內對EBSM工藝的研究（jiū）相對較晚。Heinl等采（cǎi）用Ti6-Al4-V、Ramirez采用Cu、Murr采用Ni基和Co基高溫合金（jīn）、Hernandez等人采用TiAl製備了一係列的開放（fàng）式蜂巢結構。通過改變預設置彈性模量E，可以獲得（dé）大小不同的孔隙，降低結（jié）構的密度，獲得輕量化（huà）的結構。K.N.Amato等人利用Co基高（gāo）溫合（hé）金（jīn）矩陣顆粒製備了柱狀碳化物沉（chén）積結構。

 

Ramirez等（děng）采用Cu2O製備了（le）新型定向微結構，發現在製備過程中，柱狀Cu2O沉澱在高純銅中這一現（xiàn）象。劉海濤等（děng）研究了工藝參數對電（diàn）子束選區熔化工藝過程的影響，結果表明掃描線寬與電子束電（diàn）流、加（jiā）速（sù）電壓和掃描速度呈明顯的線性關係（xì），通過調節搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層麵質量。鎖紅波等研究了EBSM製備的Ti-6Al-4V試件的硬度和拉（lā）伸強（qiáng）度等力學性能，結果表明（míng）成型過程中（zhōng）Al元素損失明顯，低的氧（yǎng）氣含量及Al含量有利 於塑性提高；硬（yìng）度在同一（yī）層麵內和沿熔（róng）積高 度方向沒有明顯差別，均高於退火軋製板的硬度水（shuǐ）平。 利用金屬粉末在電子束（shù）轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平麵上鋪展一（yī）層粉末並（bìng）壓實； 然後，電子束在計算機的控製下按照截麵輪廓的信息進行有選擇的熔化/燒結，層層堆積，直（zhí）至整個零件全（quán）部熔化/燒結（jié）完成。

 

 

EBSM 技術主要（yào）有（yǒu）送粉、 鋪粉、 熔化 等工藝步（bù）驟，因此（cǐ），在其真空室應具備鋪送粉機構、粉末回收箱及成形平（píng）台。同（tóng）時，還應（yīng）包括電子槍係統、真空係統、電源（yuán）係統和控（kòng）製係統。其中，控製（zhì）係統包括掃描控製係統、運動控製係統、電源控製係統、真空控製係統和溫度（dù）檢測係統（tǒng），如圖 3 所示。 瑞典 Arcam 公（gōng）司製造生產的 S12 設備是電子束選（xuǎn）區熔化技術在實際應用中的最好實例。該公司在 2003 年就開始研（yán）究該（gāi）項技術（shù），並與多種領域結（jié）合探（tàn）究。目（mù）前，EBSM技術在生物醫學中得到了大量（liàng）應用，相關單位正積極研究它在航空航天領域中的應用，美國在空間飛（fēi）行器方麵的研究重點是飛行器和火（huǒ）箭發動機的結構製造以及月球或空間站環境下的金屬直接成形製造。 

 

 

3 3D打印材料突破是發展基礎 

3D打印材料是3D打印技術（shù）發展的重要物質基礎，在某種程度上，材料的發展決定著3D打印能否有更廣泛的應用。目前，3D打印（yìn）材料主要包括工程塑料、光敏樹（shù）脂、橡膠類材料（liào）、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領域得到了應（yīng）用。3D打印（yìn）所用的這些原材料都是專（zhuān）門針（zhēn）對3D打印設備和工藝而研發的（de），與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別，其（qí）形態一般有粉末狀（zhuàng）、絲狀、層片（piàn）狀、液體狀等。通常，根據打印設備的（de）類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑（jìng）為1～100μｍ不等，而為了使（shǐ）粉（fěn）末保持良好的流動性，一般要求（qiú）粉末要具有高球形度。  

 

 

3D 打印材料的研發和突破（pò）是3D打印（yìn）技術推廣應用的基礎， 也是滿足打印的根本（běn）保證。 一是加強材料的研製，形成完備的打（dǎ）印材料體係。 近幾年，3D 打印材料（liào）發展比較（jiào）快，2013年，金屬材料打印增長了28%，2014年（nián）達到30%多， 約占 3D打印（yìn）材料的12%， 金屬材料以鈦、鋁、鋼和鎳等合金為主（zhǔ），鈦合金、高溫合金、不鏽鋼（gāng）、模具鋼、高強鋼、合金鋼和鋁合金等均可作為打印（yìn）材（cái）料，已經廣泛應用於裝備製造和修複再製造。  但（dàn）目前還沒有一個 3D 打印材料體（tǐ）係， 現有材料還遠不能滿足 3D 打印的需求。

 

 

用於激光立（lì）體成形的材（cái）料主要是金（jīn）屬惰性（xìng）材料， 下一步需要嚐試其他活潑的金屬（shǔ）打印材料。  傳統用於粉末冶金的金（jīn）屬粉末（mò）尚（shàng）不能完全適應3D打印的要求（qiú），且目前能運用於（yú）打印的金屬材料種類少（shǎo），價格偏高。國外已出現少數幾家專供3D打印（yìn）的金屬粉末的公司，如美國Sulzer Metco、瑞典的Sandvik等，但也隻能提供少數幾種常規金屬粉末。國內（nèi）材料研發相對滯後，打印粉末太貴。因（yīn）為材料研發周期長，研發難度較設備大，企業出於利益的最大化不願（yuàn）進行材料研（yán）發。黃河旋風股份有限公司（sī）是國內為數不多的（de）從事（shì）金剛石微粉、CBN微粉生產的企業。高校研究又熱衷於3D打印裝備及軟件配套（tào）等，因此打印材料在很大（dà）程度上製約著（zhe）金（jīn）屬3D打印技術的發展及應用。