近年（nián）來，3D打印技術逐漸應用於實際產品的製造，其中，金屬材料的3D打印技術發展（zhǎn）尤其迅速。在國防領域，歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展，不惜（xī）投入巨資加（jiā）以研究，而3D打印金屬零部件一（yī）直是研究和應用的重點。 不大能打印模具、自行車，還能打印出gun等武器，甚（shèn）至（zhì）能夠打印出汽車、飛機等大型設備裝備。

 

作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景,而且在（zài）裝備設計與製造、裝備保障、航空航天等更多的領域展現出了強勁的發展勢（shì）頭。

 

 

1 3D打印概述  

1.1 基（jī）本概述  

3D打印技術（shù）的核心（xīn）思想最早起源19世紀（jì）末的美國（guó），但是直到（dào）20世紀80年代中期才有了雛形（xíng），1986年美國人Charles  Hull發明了第一台3D打印機。我（wǒ）國是（shì）從1991 年開始研究3D打印技術的，2000年前後，這些（xiē）工藝開始從實驗室研究逐步向工程化、產品化方向發展。當時它的名字叫快速原（yuán）型技術（RP），即開發樣品之前的實物（wù）模型。現在也有叫快速成型技術（shù），增材製造。但為便於公眾接受（shòu），把（bǎ）這種（zhǒng）新技術統稱為3D打印。  3D打印是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型設計為基（jī）礎，運（yùn）用粉末（mò）狀金屬或樹脂等可（kě）粘合材料，通過逐層“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（de）市場”。而且我國在3D打（dǎ）印航空航天方麵最近還（hái）取得了突破，

 

1.2 3D打（dǎ）印特點

1）精度高。目前3D打印設（shè）備的精（jīng）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個模（mó）型的打印。  

3）可實（shí）現個性化。3D打印對於打印的（de）模型數量毫無限製，不管一個（gè）還是多個都可以以相同的成本製作（zuò）出來。  

4）材料的多樣性。一個3D打印係統往（wǎng）往可以實現不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足（zú）不同領（lǐng）域的需要。

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

 

 

2 金屬3D打印（yìn）技（jì）術

南極（jí）熊之前就詳（xiáng）細（xì）的寫過各種金屬3D打印成型工藝

金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體係中（zhōng）最為前沿和最有潛力的技術，是（shì）先進製造技術的重要發（fā）展（zhǎn）方向。隨著科技發展及推廣應用的需求，利用快速成型直接製造（zào）金屬（shǔ）功（gōng）能零件成為了快速成型（xíng）主要的發展（zhǎn）方向。目前可用於直接（jiē）製造金屬功（gōng）能零件的快速成型方法主要有：選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光近淨成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。

 

2.1 激光工程化淨成形技術( LENS) 

LENS是一種新的快速成形技術，它由美國Sandia國家實驗（yàn）室首先提出。其特點是: 直接製造形狀結構複雜的金屬功能零件（jiàn）或模具； 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（biàn）加（jiā）工熔（róng）點高、難加工的材料。

 

  LENS是在激（jī）光熔覆技術的基礎上（shàng）發（fā）展起來的一種金屬零件3D打印技術。采用中（zhōng）、大功率激光熔化同步供（gòng）給的金（jīn）屬粉（fěn）末，按照預設軌跡逐層沉積在基板上（shàng），最終（zhōng）形成金屬（shǔ）零件。1999年，LENS工藝獲得了美國工業界中“最富（fù）創造力的25項技術”之一的稱號。國外研究人員研究了LENS工藝製備奧氏（shì）體不鏽鋼試件的硬度（dù）分布，結果表明隨著加工層（céng）數的增加，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和功能梯度結構，采用的材料為Ni、Ti等與人體（tǐ）具有良好相容性的合金，製備的植入體的孔隙率最高能（néng）達到70%，使用壽命達到7-12年。  Krishna等人采（cǎi）用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金製備了多孔生物植入體，並研究了植（zhí）入（rù）體的力學（xué）性能，發現（xiàn）孔隙（xì）率為（wéi）10%時，楊氏模量達到90 GPa，當孔隙率為（wéi）70%時，楊氏模量急劇（jù）降（jiàng）到2 GPa，這樣就可以通過改變孔隙率，使植（zhí）入體的力學性能與生物體適配。   Zhang等製備了網狀的 Fe 基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬（shǔ）玻璃（MG）組件，研（yán）究發（fā）現（xiàn）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（chūn）芳等采用LENS工藝，獲得微觀組（zǔ）織、顯（xiǎn）微硬度和機（jī）械（xiè）性能良（liáng）好的網狀的Co基高溫合金薄壁零件。費群星等采用LENS工藝成型了無變形的Ni-Cu-Sn合金樣品。

 

 

在LENS係統中，同軸送粉器（qì）包括送粉（fěn） 器、送粉頭和保護氣（qì）路3部分。送粉器包括粉末料箱和粉末（mò）定量送給機構，粉末的流量由步進電機的轉速決定。為（wéi）使金屬粉末在自重作用（yòng）下增加流動性，將送粉（fěn）器架設在2. 5 m的高度上。從送粉器流出（chū）的金（jīn）屬粉末經粉（fěn）末分割器平（píng）均分成（chéng）4份並通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭（tóu）的噴嘴噴射到激光焦點的位置完成熔化堆積過程。全部（bù）粉末路徑由保護氣體推動，保護氣體（tǐ）將金屬粉（fěn）末與空氣隔（gé）離，從而（ér）避免金屬粉末氧化。LENS 係（xì）統同 軸（zhóu）送粉器結構示意圖見圖1。 目前，快速原型技術已經（jīng）逐步趨於成熟，發（fā）達國家也將激光工（gōng）程化淨成形技術作為研究的重點，並取得了一些實（shí）質性成果。在實際應用中，可以利用該技術製作出功能（néng）複 合型材料（liào），可以修複高附（fù）加值的鈦合（hé）金（jīn）葉片（piàn），也可（kě）以運用到直升機、客機、導彈的製作中。另（lìng）外，還能將該技術運用於（yú）生物植入領域，采用與人體具有相容性（xìng）的Ni、Ti材質製備植入體，有效提升了空隙率，延長（zhǎng）了植入體（tǐ）的使用時長。

 

 

2.2 激光選區熔化技術( SLM) 

SLM 是金屬（shǔ） 3D 打印領域的重要部分，其發展（zhǎn）曆程（chéng）經曆低熔點非金屬粉末燒結、低（dī）熔點包覆高熔點粉末燒結、高熔點粉末直接熔化成形等階段。由美國德克薩（sà）斯大學奧斯汀分校在 1986年最早申請專利，1988年研製成功了第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，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全（quán）冶金結合的功能零件。致密度可達到近乎 100%，尺寸精度達 20 ～ 50 μm，表麵粗糙度（dù）達20 ～30 μm，是一種極具發展前（qián）景的快速成形技術。 

 

SLM成型材料多為單一組分金屬粉末（mò），包括（kuò）奧氏體不鏽鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷-鉻合金和貴重金屬等。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（yě）金結合、高精度的近乎致密金（jīn）屬零件，是極（jí）具發展前（qián）景的金（jīn）屬零件3D打印技術。其應用範圍已經（jīng）擴展到航空航（háng）天、微電子、醫療、珠寶首飾等行業。

 

SLM工（gōng）藝有多達50多個影（yǐng）響因素，對 成型效果具有重要影響的六大類：材料屬性、激光（guāng）與光路（lù）係統、掃描特征、成型氛圍、成型（xíng）幾何特征和設備因素。目前，國內外研究人員主要針對以上（shàng）幾（jǐ）個影（yǐng）響因素進行工（gōng）藝研究、應用研究，目的都（dōu）是為了（le）解決成型過程中出（chū）現的缺陷，提高成型零件的質量。工藝研究方麵，SLM成（chéng）型過程中重要工（gōng）藝參數有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距和（hé）掃描策略等，通過組合不同（tóng）的工藝參數， 使成型質量最優。

 

 

SLM成（chéng）型過程中的（de）主要（yào）缺（quē） 陷有球化、翹曲變形（xíng）。球化是成型過程中（zhōng）上下兩層熔化不充分，由（yóu）於表麵張力的作用，熔化的液滴（dī）會迅速卷（juàn）成球形，從而導（dǎo）致球化（huà）現象，為了避免球化，應（yīng）該適當地增大輸入（rù） 能量。翹曲變形是由於SLM成型過程中存在的熱（rè）應力超過材料的強度，發生塑性變形（xíng）引起，由於（yú）殘餘應力的測量比較困難，目前對 SLM工藝的（de）翹曲變形的研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的可靠性。  SLM 技術（shù）的基本原理是: 先在計算機上利用Pro /e、UG、CATIA 等三維（wéi）造型軟件（jiàn）設計出零件（jiàn）的三維實體模（mó）型，然後通過切片（piàn）軟件對該三（sān）維模型進行切片分層，得到各截麵的（de）輪廓數據，由輪廓數（shù）據生成填充掃（sǎo）描路徑，設（shè）備將按照（zhào）這些（xiē）填充掃描線，控製激光束（shù）選區熔化各層的金屬粉末材料，逐（zhú）步堆疊成三維金屬零（líng）件（jiàn）。

 

圖 2 為其成形原（yuán）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（gāng）的基板（bǎn）上，激光束再按當前（qián）層（céng）的填充掃描線，選區熔化基板上的粉末，加工出當前層，然後成形缸下降1 個層（céng）厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距（jù）離，鋪粉裝置再在（zài）已（yǐ）加工好的當前層上（shàng）鋪好金屬粉末，設備（bèi）調入下一（yī）層輪（lún）廓的數據進（jìn）行加工，如此層層加工，直到整個零件（jiàn）加（jiā）工完畢。整個加工過程在通有惰性氣（qì）體保護的加工室中進行，以避免金（jīn）屬在高溫下（xià）與其他氣體發生反應。  廣泛應用（yòng）激光選區熔化技術的代表國家有德國、美（měi）國等。他們都開發出了不同的製造（zào）機型，甚（shèn）至可以（yǐ）根據實際情況（kuàng）專門打造零件，滿足個性化的需要。利用EOSING M270設備（bèi）成形的金屬零件尺寸較小，將其應用（yòng）到牙橋、牙冠的批量生產中（zhōng）既不（bú）會影響人們對其的使用，也不會產（chǎn）生不適感，且它的致（zhì）密度（dù）接近100%，精細度較好。與此同時，利用 SLM 技術生產出的鈦合金零件（jiàn）還能夠運用到醫學（xué）植入體中（zhōng），促進了醫學工作的發展。

 

 

2.3 電子束選區熔化技術( EBSM) 

EBSM是采用高能電子束作為加工熱源，掃（sǎo）描成形可以通過（guò）操縱磁偏轉（zhuǎn）線圈進行，且電子束具有的真空（kōng）環境，還可以避免金屬粉末（mò）在液相燒結或熔（róng）化（huà）過程中被氧（yǎng）化。鑒於電子束具有的上述優點，瑞典 Arcam公司、清華大（dà）學、美國麻省理工學院和美國 NASA 的Langley 研究中心，均開發（fā）出了各自的電子（zǐ）束快速製造係統 ，前兩（liǎng）家（jiā）利用電子（zǐ）束熔化鋪在工作台麵上的金屬粉末，與激光選（xuǎn）區燒結技（jì）術類似；後兩（liǎng）家利用電子束熔化金屬絲（sī）材，電子束固定不動（dòng），金屬絲材（cái）通過送絲（sī）裝置和工作台移動，與激光淨成（chéng）形（xíng）製造技術類似。 

 

EBSM技術是20世紀90年（nián）代中期發展起來的一種金屬零3D打印技術，其與SLM/DMLS係統（tǒng）的差別主要是熱（rè）源（yuán）不同，在（zài）成型原理（lǐ）上基本相似。與以（yǐ）激光為能量源的金屬零（líng）件3D打印（yìn）技術相比，EBSM 工藝具有能量利用率高、無反（fǎn）射、功率（lǜ）密度高、聚焦方便等許多優點。在目前3D打（dǎ）印（yìn）技術的數十種（zhǒng）方法中，EBSM技術因其能夠（gòu）直接成型金屬零部件而受到人們的（de）高度關注。

 

 

國外對EBM工藝理論研究相對較早，瑞典的Arcam AB公司研發了商品化的EBSM設備（bèi）EBM S12係列（liè），而（ér）國內對EBSM工藝的研究相對較晚。Heinl等采用Ti6-Al4-V、Ramirez采（cǎi）用Cu、Murr采用Ni基和Co基高（gāo）溫合金、Hernandez等人采用TiAl製備了一係列的開放式蜂巢（cháo）結構（gòu）。通過改變預設置（zhì）彈（dàn）性（xìng）模量E，可以（yǐ）獲得大小不同的孔（kǒng）隙，降低結構的（de）密度，獲得輕量化的結構。K.N.Amato等（děng）人利用Co基高溫合金（jīn）矩陣顆粒製備了柱狀碳化物沉積結構。

 

Ramirez等采用Cu2O製備了新型定向微結構，發現在（zài）製備過程中，柱狀Cu2O沉澱在高純銅中（zhōng）這一現象。劉（liú）海濤等研究了工藝參數對電（diàn）子束選區熔化工藝（yì）過程的影（yǐng）響，結果表明掃描線寬與（yǔ）電子束（shù）電流、加速電壓（yā）和掃描速度呈明顯的線性關係，通過調節搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層麵（miàn）質量。鎖紅波等研究了EBSM製備的Ti-6Al-4V試件的硬度和拉伸強度等力學性能，結果（guǒ）表明成型過（guò）程中Al元素損失明顯，低的氧氣含量及（jí）Al含量有利 於塑性提高；硬度在同一層（céng）麵（miàn）內和沿熔積高 度方向沒有明（míng）顯差別（bié），均高於退火軋製板的硬度（dù）水平。 利用（yòng）金屬粉末在電子束轟擊下（xià）熔化的（de）原理（lǐ），先在鋪粉平麵上鋪展一層粉末並壓實； 然後，電子束在計算（suàn）機的控製下按照截麵（miàn）輪廓的信息進行有選擇的熔化/燒結，層層堆積，直至整個零件（jiàn）全部熔化/燒結完成。

 

 

EBSM 技術主要有送粉（fěn）、 鋪粉、 熔化 等工藝步驟，因此，在其真空室應具備鋪送（sòng）粉機構、粉末回收箱及成形平台（tái）。同時，還應包括電（diàn）子槍係（xì）統、真空係統、電源係統和控製係統。其中，控製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檢測係統，如圖 3 所（suǒ）示。 瑞典 Arcam 公司製造生產的 S12 設備是電子束選區熔化（huà）技術在實際應用中的最好實例。該公司在 2003 年就開始研究該項技術，並與多種領域結合探究。目前，EBSM技術在生物醫學中（zhōng）得到了（le）大（dà）量應用，相關單（dān）位正積極研究它（tā）在航空航天領域中的應用，美國在（zài）空（kōng）間飛（fēi）行器方麵的（de）研究重點是飛行器和（hé）火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（pò）是發展基礎 

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

 

 

3D 打印（yìn）材料的研發和（hé）突破是3D打印（yìn）技術推廣應用的（de）基礎， 也（yě）是滿足打印的根本保證。 一是加強材料的（de）研製，形成完備的打印（yìn）材料體係。 近幾年，3D 打（dǎ）印材料發展比（bǐ）較快，2013年，金屬材料打印增長了28%，2014年達到30%多， 約占 3D打印材料的12%， 金屬材（cái）料以（yǐ）鈦、鋁、鋼和鎳等合金為主，鈦合金、高溫合金、不鏽鋼、模具鋼、高強鋼、合（hé）金鋼和鋁合金（jīn）等均可作為打印材料，已經（jīng）廣泛應用於（yú）裝備製造和修複再製（zhì）造。  但目（mù）前還沒有一個 3D 打印材料體係， 現有材料還遠不能滿足 3D 打印的需求。

 

 

用於激光立體成形的材料主要是金屬（shǔ）惰性材（cái）料， 下一步需要嚐試（shì）其他活潑的金屬打印材料。  傳統（tǒng）用（yòng）於粉末冶金的金（jīn）屬粉末尚不（bú）能完全適應3D打印的要求，且目前能運（yùn）用於打印的金（jīn）屬材料種類少，價格偏高。國外已出現少數幾家專（zhuān）供3D打印的金屬粉末的公司，如美國Sulzer Metco、瑞典的Sandvik等，但也隻能提供少（shǎo）數幾種常規金（jīn）屬粉末。國內材料研發（fā）相對滯後，打（dǎ）印粉末太貴。因為材料研發周期長，研發難度較設備大，企業出於利益的最大化不願進行材料研發。黃河旋風股份有限公司是國內（nèi）為數不多的（de）從（cóng）事金（jīn）剛石微粉、CBN微粉（fěn）生產的企業。高校研究又熱衷（zhōng）於3D打印裝備（bèi）及軟件配套等，因此打印材料在很（hěn）大程度上製約著金屬3D打印技術的發展及應用。