金屬（shǔ）3D 打印技術使得金屬零件“直接製造”成為了可能，而不再局限於製造非功能性的（de）模具，是3D打印技術重（chóng）要的發展方向。目前主流的金屬3D 打印技術包括：黏結劑噴射（Binder Jetting，BJ）、選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）、選擇性激光融化（SelectiveLaser Melting，SLM）、直接金屬激光燒結（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、電子束熔融（Electron BeamMelting，EBM）和電子束直接（jiē）製造（Electron Beam Direct Manufacturing，EBDM）

 

黏結劑噴射（shè）（BJ）是首先在打印平台上平鋪一薄層原料粉末，然後打印機噴頭根據這一層的截麵形狀（zhuàng）在粉末（mò）上噴出一層特殊（shū）的膠水，噴到（dào）膠水的薄層粉末固化，在這一層上再鋪上同樣厚度的粉末，噴頭按（àn）下一截麵形狀噴射膠水，如此層層疊加（jiā），得（dé）到一個初步黏結（jié）而成的坯體；將坯體放置在熔爐中注入額外的熔融金（jīn）屬，熔融金屬固化穩定住其外形結構。SLS 技術采用金屬材料與低熔點黏結（jié）材料的（de）混合粉末作為原材（cái）料，將薄（báo）薄一層原料粉末平鋪在打印平台（tái）上，將粉（fěn）末預熱到接近粘結材料的熔點，使（shǐ）用激光束選擇性加熱粉末（mò）顆（kē）粒，使低熔點黏結（jié）材料燒結或融化，將金屬材料黏結，不（bú）斷重複鋪粉、燒結過程，直至完全成形整個（gè）模型（xíng）。SLM 技術與SLS 技術原理相同，但直接用激光束完全熔化金屬粉體，成形性能得（dé）以顯著提高。

 

DMLS 技術是SLS 技術的進一步發展，將（jiāng）低熔點黏結材料（liào）改為低熔點金屬黏結（jié）材料，並且與SLS技術先鋪粉後激光（guāng）掃描燒（shāo）結不同，DMLS 技術是邊鋪粉邊燒（shāo）結。EBM技術原理與SLS、SLM 和DMLS 等技術原（yuán）理相似，但是在高真空度的打印（yìn）腔中使用（yòng）電子束完（wán）成對金屬粉末的熔融。 EBDM 技術則是將打印材（cái）料直（zhí）接送（sòng）入（rù）打（dǎ）印頭，用電子束直接在機（jī）頭熔融和打印材料，可以說是一滴一

滴地打印金屬材料。大多數金屬3D打印技術是逐層鋪設金屬粉（fěn）末，然後（hòu）將其中的一些金屬顆粒固定在一起，形成最終（zhōng）的物體；其餘未被固定（dìng）的金屬顆（kē）粒則起到了支撐作（zuò）用，並能（néng）在下一次（cì）打印中循環利用（yòng）。

 

為了能快速穩定地在打印平台上鋪設足夠（gòu）薄的一層原料粉末（mò），這類金屬3D 打印技術需要粒度範圍窄、流動性良好的細小球形粉末。利用高能束使原料粉（fěn）末（mò）燒結、熔融的金屬3D 打印技術，除了（le）本身（shēn）的設備成本，還需要很多（duō）輔助保護工藝，整體的技術難度較大。故而金屬3D 打印技術應（yīng）用範圍主要集中（zhōng）在航空航天（tiān）、儀器製造、醫療保（bǎo）健（jiàn）、電子行業等（děng）高端（duān）製造領域。隨（suí）著金屬3D 打印技術的發展，製造的零件機械性能不斷提升，其致密性、強度已經與鍛件基本（běn）相當，將來甚至還會有所超越。

 

3D 冷打印技（jì）術（shù）概述

 

 

新型（xíng）金屬（shǔ）3D 打印技術—— 3D冷打印技術用低粘（zhān）度（dù）、高固含量的金屬（shǔ）粉末料漿來代替3D 打印（yìn）的原材料，把這種料漿當做打印的（de）“墨水”，在（zài）室溫或低溫條件下實現金屬零件坯體的逐層（céng）打印，因（yīn）此稱為“冷打印”。圖1 是3D 冷打印技術工藝流程。

 

 

 

圖1 3D冷打印技術工藝（yì）流程示意（yì）圖為交（jiāo）聯劑，配製成（chéng）有機單（dān）體HEMA

 

3D 冷打印技術的幾個（gè）關（guān）鍵步（bù）驟如下：

 

（1） 配製低粘度、高固相含量的金屬（shǔ）料漿（jiāng）。將有機單體和交聯劑按一定配比溶入適量的溶劑中，配製成預混液；在其中加入適量的金屬（shǔ）粉末和分散劑攪拌均勻，調製成一（yī）種高固相含量的（de）懸浮液（料漿）。決定（dìng）料漿質量的關鍵（jiàn）因素有

2 個 ：一是金屬或（huò）陶瓷粉末的（de）固（gù）相含量 ；二是漿體流動性（粘度）。固相含量直接決定（dìng）成形坯體的密度，高（gāo）固相含量還可（kě）以減少（shǎo）坯體在幹燥過程中的收縮（suō）和翹（qiào）曲，提高燒成（chéng）密度，因此要盡可能提高料漿的固相含量。流動性良好的料漿在（zài）冷打印過程中容易噴射而出，成形的坯體表麵性能也較好。但固相含量（liàng）過高會影響料漿的（de）流動（dòng）性（xìng），因此需采用合適的分散劑及分（fèn）散技術調節料漿的流動

性。用於3D 冷打印工藝的金屬料漿，一般要求其粘度低於1Pa·s、固（gù）相體積分數高於55%，這是打（dǎ）印高密度、均勻坯（pī）體的關鍵。

 

（2） 3D 冷打印成形。3D 冷打印過程中，金屬料（liào）漿通過噴頭噴（pēn）射到（dào）打印平台上，同時通過熱引發（fā）、化學引發等方式引發料漿中有機單體的聚合反應（yīng），形（xíng）成網狀結構將金屬（shǔ）粉體原位包覆固定，使噴射到打印平台上的金（jīn）屬料漿迅速（sù）固化，由此實現金屬坯（pī）體的逐層打印。其中，熱引發通過（guò）熱源使“金屬料漿”固（gù）化，化學（xué）引發則（zé）是借鑒多噴頭彩色打印的原理，利（lì）用兩個噴頭交替作（zuò）用將料漿和（hé）化學引（yǐn）發劑混合，引發料（liào）漿（jiāng）原位固化。圖2 為（wéi）金屬料漿原位固化原理示意圖。

 

 

圖2 金屬料漿原位固化原理示意（yì）圖（tú）

 

（3） 脫脂、燒結。3D 冷打印（yìn）成形的坯體中有機物（wù）含量很少，因（yīn）此無需專門而（ér）嚴格的脫脂工序。脫脂可以獨立進行（háng）也可以和燒結過（guò）程同時進行。以低粘度、高（gāo）固相（xiàng）含量（liàng）金屬料漿為原料冷打印成形的坯體密度較高，脫脂後的坯體

極易燒結致密化。

 

3D 冷打印技術（shù）應用探究

 

 

1封閉式葉輪    

 

封閉式葉輪型腔空間小（xiǎo）、葉片數量多、葉（yè）片（piàn）壁薄、葉（yè）輪前盤厚度薄（báo）且（qiě）成中空環狀，給（gěi）整體鑄造帶來很多技術困難（nán）。因此，目前國內外通常采用葉輪前後盤及葉片和軸盤單獨製作，再焊接或鉚接組合的方式（shì）。通過（guò）該方（fāng）式製造封閉葉輪不但（dàn）製造（zào）工序（xù）複雜，而且在長時間使用後，容易產生（shēng）斷裂、鉚（mǎo）釘鬆動、葉輪變（biàn）形等故障。

 

 

 

圖3 封閉式葉輪三維模（mó）型

 

為驗證3D 冷打印技術成形複（fù）雜（zá）空間結構的能力（lì），選擇通過3D 冷打印技術一體化成（chéng）形封閉式葉輪。

 

通過AutoCAD 軟件建立如圖3所（suǒ）示封閉式（shì）葉輪三維模型，將封閉式葉輪模型三維線性尺（chǐ）寸按117%（燒結收縮比17%）放大，葉輪模（mó）型經分層切（qiē）片處理（lǐ）後，將數據傳輸到3D 冷打印（yìn）設備中。采（cǎi）用甲苯作為溶劑，甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）作為有機單體，N，N’- 亞甲基雙丙烯酰胺濃度為20％的預混液，在其中加入316L 不鏽鋼粉末和適量分散劑油（yóu）酸，攪拌均勻（yún）後製得固相體積（jī）分數為60% 的316L 不鏽鋼料漿。料漿粘度為0.92Pa·s，滿足使用要求。脫氣（qì）後（hòu）的料漿通過3D 冷打印設備打印成形。打印過程中，以過氧化苯甲酰（xiān）（BPO）作為引發（fā）劑，引發料漿的（de）固化反應。以相同的316L 不鏽鋼料漿和同樣的打印條件，3D 冷打印成形封閉式葉輪坯體和力學性能（néng）試樣（yàng）坯體（tǐ）。對（duì）葉輪坯體和力學性能試樣坯體進行脫脂和燒結處理（lǐ）。圖4 為（wéi）316L 不鏽鋼封閉（bì）式葉輪。

 

 

圖 4 316L不鏽鋼封閉式葉輪

 

由此可以（yǐ）得出結論（lùn），通過3D 冷打印技術能夠成形（xíng）任意複雜空（kōng）間結構金屬零件。3D 冷打印成形316L不鏽鋼的燒結（jié）體性能和美國MPIF標準見表1。比較後可（kě）以發現，通過3D 冷（lěng）打印（yìn）技術（shù）製備的燒結316L 不鏽鋼的力（lì）學性能遠高於美（měi）國MPIF標準。

 

 

表（biǎo）1 燒結態316L不鏽鋼封閉葉輪性能

 

2 異質材料複合葉輪葉片    

 

隨著大容量汽輪機組（zǔ）的發（fā）展隨著大容（róng）量汽輪（lún）機組的發展，末（mò）級葉片的長度和通流麵積不斷增加（jiā），葉片自重隨之（zhī）增加，導致葉輪（lún）輪緣離心力大幅度提高（gāo），甚至（zhì）超過合金結構鋼葉輪的許可應力。而鈦合（hé）金的密度小（xiǎo）、強度高，比強度大大超過不（bú）鏽（xiù）鋼，使用鈦合（hé）金葉片比不鏽（xiù）鋼葉片減重10%~35%, 能顯著降低葉輪的離心力。提出采用（yòng）3D 冷打印技術實現同步打印複合葉輪（lún）葉片的設想，即通過3D 冷打印技術（shù）製（zhì）造（zào）TC4 鈦合金（jīn）葉輪葉片，在葉輪基體外表麵設計成分為TC4-10%（質量分數）TiC的保護層，以增加（jiā）葉片表麵耐磨性和耐腐蝕性。使用proe wildfire 5.0 建立如圖5 所示TC4+TC4-10%TiC 異質材料複合葉輪葉片模型，將複合（hé）葉輪（lún）葉片三維線性尺寸（cùn）按（àn）118.2%（收（shōu）縮比18.2%）放大，並且將（jiāng）葉輪模型（xíng）TC4 芯部和TC4-10%TiC 保（bǎo）護層設（shè）定為通（tōng）過不同的兩個噴頭同時打印，模型經分層切片處理（lǐ）後（hòu），將數據傳輸到3D 冷打印設（shè）備中。

 

 

 

圖5 TC4+TC4-10%TiC複合葉輪葉片三維模型

 

將有機（jī）單體丙烯（xī）酰胺（AM）、交聯劑N，N’- 亞甲基雙丙烯酰（xiān）胺（MBAM）以適當濃度溶（róng）解於去離子水，製成有機單體AM 濃度20%、均一透明的預混液；向預混液中加入分散劑氨水（shuǐ）和消泡劑異辛醇後與TC4 鈦合金粉末混合攪拌，在N2 氣氛下球磨20h，獲（huò）得固相體積分數（shù）為57% 的TC4 鈦（tài）合金粉（fěn）末懸浮漿料。以同樣的方（fāng）式製備出固相體積分數為57.4% 的TC4-10%TiC 粉末料漿。TC4 鈦合金粉末（mò）料漿和TC4-10%TiC粉末料漿分別由兩套送料係統輸送至兩個噴頭中，在3D 冷打印設（shè）備中（zhōng）同步組合打印。

 

3D 冷打印技術特點

 

 

3D 冷打印技術以低（dī）粘度、高固相含量的金屬料漿為打（dǎ）印原（yuán）料，在室溫或低溫條件下，逐層打印成形（xíng）金屬零（líng）件坯體，坯體經幹燥（zào）、脫脂和燒結後，製得致（zhì）密的金屬零件，其主（zhǔ）要工藝特點如（rú）下。

 

（1） 原料粉末不受限製。3D 冷（lěng）打印技術對原（yuán）料粉末要求低，大部分金屬、陶瓷粉末都已開發出了較為成熟的料漿（jiāng）體係，配製的料漿性能滿足3D 冷打印技（jì）術的要求（qiú）。

 

（2） 卓越的成形能力。3D 冷打印技術能一體化成形具有任意複雜空間結構的金屬零件坯體，坯體經幹燥、脫脂和燒結製得致密的金屬零件。

 

（3） 設備造價低。不需要金屬（shǔ）製品高能束（shù）成形時所需的高純惰性氣氛或高真空度保護裝（zhuāng）置和高能束。

 

（4） 生產效率高。通過對引發作用的調節，可以實現即時固化，生（shēng）產周期短。技（jì）術的主要部分僅為成形和（hé）燒結，工序簡（jiǎn）單（dān），無需繁雜（zá）的後續處理，易集成（chéng）化，技術成熟後投入工業化生產可能性高。3D 冷打印技術為複雜形狀結構

金屬製品的生產（chǎn）製造提供新方（fāng）法和新思路，將傳統減材製造轉換為增材製造，可以節約大量原材料，該技術不受形狀限製，使更多異形金屬製品的製造（zào）成為現實。3D 冷打印技（jì）術無需使用激光，直接在常溫或低溫下成形，成形後（hòu）坯體再（zài）經幹燥、脫脂和燒結得到致密（mì）金屬件，是一種新型的（de）易形製造多孔材（cái）料、陶瓷、人體骨骼等產（chǎn）品，應用前景十（shí）分寬廣。

 

實現、高效（xiào）率、低成本的金屬（shǔ）3D 打印技術（shù），並且3D 冷打印技術對原料粉末幾乎無限製，從金屬及其合金粉末、金屬（shǔ）基（jī）複（fù）合材料粉末延伸擴展到陶瓷粉末（mò）、生物材料等，除金屬基（jī）結構件、應力件（jiàn）和功能件以外，亦可成（chéng）形製（zhì）造多孔材料、陶瓷、人體（tǐ）骨骼等產品，應用前（qián）景十分寬廣。