武王凱，周琦琛，費(fèi)宇寧，李茜，計(jì)元元，尹芳，馬正陽(yáng)

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

3D打印技術(shù)是將原材料采用層層堆積法使其成型的一種增材制造新技術(shù)，這種技術(shù)充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)成型軟件的優(yōu)勢(shì)，先建立一個(gè)三維模型后，再運(yùn)用切片軟件逐層切片三維模型，最后由3D打印設(shè)備分析零件模型特征后，自下向上逐層堆積實(shí)體零件即可獲得所需的零件實(shí)體。這一技術(shù)不需要刀具模具就能夠完成各種復(fù)雜零件的制造，有效簡(jiǎn)化了制造工序，提升了加工效率。目前廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造、生物醫(yī)療、藝術(shù)修復(fù)、影視模型、日常生活消費(fèi)品設(shè)計(jì)等各個(gè)方面。目前，3D打印不僅能夠打印塑料類、尼龍類、石蠟類低熔點(diǎn)材料，還能夠?qū)⒁恍┙饘俜勰┲苯映尚?，包括不銹鋼和陶瓷等高熔點(diǎn)材料的直接成型。金屬3D打印也是目前發(fā)展?jié)摿εc前景最為廣闊的一種技術(shù)。

1 金屬3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，金屬3D打印技術(shù)主要包括粉末床熔合技術(shù)(PBF)與定向能量沉積技術(shù)(DED)。PBF技術(shù)又包括選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、選擇性激光熔化成形技術(shù)(SLM)、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS)、電子束熔化成形技術(shù)(EBM)等。DED技術(shù)則主要包括直接金屬沉積(DMD)、激光工程化凈成形技術(shù)(LENS)、電子束自由成形制造(EBFFF)、電弧增材制造等。其中SLS、SLM、EBM、LENS是應(yīng)用較為廣泛的金屬材料3D打印技術(shù)。

1.1 SLS

SLS主要是以冶金機(jī)制為基本原理，通過液相燒結(jié)使零件成形，利用激光束將金屬粉末材料熔化后，將被熔化的液相金屬材料凝固成形，并與未被熔化的固相粉末顆粒進(jìn)行重排粘接，進(jìn)而使粉末材料不斷致密化。該系統(tǒng)由掃描系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、粉末壓床、鋪粉滾筒以及粉末輸送系統(tǒng)等組成。利用計(jì)算機(jī)三維建模軟件繪制三維實(shí)體零件模型后，以STL格式存儲(chǔ)模型文件，再利用切片軟件直接對(duì)該文件進(jìn)行切割，使其各片層厚度具有可加工性，切割后形成的數(shù)據(jù)進(jìn)入SLS系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)加工。先將金屬粉末預(yù)熱，預(yù)熱后的溫度要低于燒結(jié)點(diǎn)溫度，一側(cè)供粉缸中添加給定量的粉末后，在粉末床上利用鋪粉滾筒均勻鋪開粉末，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制激光束按照給定功率與速度掃描第一層截面輪廓，使粉末燒結(jié)為設(shè)定厚度的實(shí)體輪廓片層，并以未燒結(jié)粉末為支撐，燒結(jié)完第一層粉末。將粉末床轉(zhuǎn)移到下一個(gè)分層，上移供粉缸，重復(fù)上述動(dòng)作，上一層實(shí)體片層會(huì)與下一層自然粘接，逐層燒結(jié)即可對(duì)整個(gè)三維實(shí)體零件進(jìn)行燒結(jié)。SLS技術(shù)制作時(shí)間短，能夠燒結(jié)多種金屬材料，且材料燒結(jié)利用率高，燒結(jié)成本低，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)制造一體化，可以在不借助支撐結(jié)構(gòu)的工作條件下直接燒結(jié)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬制品的技術(shù)，未被燒結(jié)的粉末就能夠直接支撐懸空部分，燒結(jié)成形精度可達(dá)到0.05～2.5mm，并且可進(jìn)行個(gè)性化的批量定制，缺陷在于原材料價(jià)格高、設(shè)備成本高、成品致密度較、表面粗糙度及機(jī)械性能均較差，零件質(zhì)量受制于粉末質(zhì)量，成形耗量大、輔助工藝較為復(fù)雜，且零件最大尺寸限制較大。

1.2 SLM

SLM是以SLS為基礎(chǔ)發(fā)展而來的快速成形技術(shù)，其基本原理是通過計(jì)算機(jī)三維建模軟件建立三維實(shí)體模型后，切片分層，提取截面輪廓數(shù)據(jù)，給定工藝參數(shù)，由SLM系統(tǒng)根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)完成激光掃描路徑設(shè)計(jì)工作后，利用計(jì)算機(jī)控制激光束按照給定路徑逐熔化金屬粉末，層層堆積逐漸成形。整個(gè)加工過程需要在惰性氣體保護(hù)下完成，因此工作室內(nèi)需要有足夠比例的惰性氣體分布，使成形過程不會(huì)出現(xiàn)金屬氧化。SLM、SLS兩種工藝有關(guān)鍵的差異點(diǎn)，即SLS不會(huì)要求每一層金屬粉末完全熔化，SLM則相反，金屬粉末必須完全熔化后，再通過冷卻凝固成形，其優(yōu)勢(shì)在于金屬零件致密度高達(dá)99%以上，機(jī)械性能可與鍛煉相當(dāng)，尺寸精度高，表面粗糙度低，材料適用范圍更廣，且利用率更高，無需后續(xù)處理即可成形，但其設(shè)備昂貴，工藝參數(shù)更為復(fù)雜，需要支撐結(jié)構(gòu)支撐整個(gè)成形過程，制造速率也較低。

1.3 EBM

EBM增材制造技術(shù)基礎(chǔ)是PBF技術(shù)，加工條件要求真空環(huán)境，利用高能量、高速度電子束熔化金屬粉末層或金屬絲，層層堆積并成形。在EBM中，由聚集線圈與偏轉(zhuǎn)線圈兩個(gè)磁場(chǎng)對(duì)加熱后的鎢絲發(fā)射高速電子逐層熔化成形。電子與金屬粉末高速撞擊時(shí)，其動(dòng)能就會(huì)轉(zhuǎn)換為熱能，使金屬粉末熔化。工藝步驟主要是：先把平臺(tái)預(yù)報(bào)至一定溫度，根據(jù)預(yù)設(shè)厚度在平臺(tái)上均勻鋪設(shè)金屬粉末，每層粉末由預(yù)熱與熔化兩個(gè)階段掃描成形。預(yù)熱時(shí)，將高電子束調(diào)整至高掃描速度條件下，對(duì)粉末層進(jìn)行多次預(yù)熱，使其預(yù)熱溫度達(dá)到0.4～0.6Tm。熔化過程中，則是將電子調(diào)整至低掃描速度，再將電子束調(diào)節(jié)到低能量、低速度下，熔化金屬粉末，完成一層掃描，就降低一次臺(tái)面并重鋪粉末層，對(duì)新的粉末層進(jìn)行預(yù)熱與熔化，重復(fù)操作即可使金屬部件完全成形。整個(gè)工藝過程均需在10-2 ～10-3 Pa真空環(huán)境下完成。這種工藝與SLM相似，區(qū)別在于粉末層熔化能量源是用電子束替代了激光束。成形速度快，是一種無污染、無反射加工技術(shù)，能夠加工難以加工的難熔材料。缺點(diǎn)在于加工設(shè)備與真空系統(tǒng)均具有很強(qiáng)的專用性，增加了加工成本，可加工的零件尺寸較小，加工過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線，必須做好防護(hù)措施，避免造成人員與環(huán)境損害。

1.4 LENS

這種技術(shù)是由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首先推出的一種工藝，這種技術(shù)是結(jié)合了激光熔覆制造技術(shù)與SLS技術(shù)，既保留了SLS技術(shù)成形優(yōu)勢(shì)，又解決了SLS存在的成形件致密度與機(jī)械性能較差的缺陷。該系統(tǒng)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不同之處僅在于切片數(shù)據(jù)與掃描路徑數(shù)據(jù)輸送至LENS系統(tǒng)中，再由該系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)成形即可。該工藝能夠加工的零件類型更多，零件可制造性更強(qiáng)，具有很高的設(shè)計(jì)自由度，因此，對(duì)于內(nèi)腔復(fù)雜或懸壁結(jié)構(gòu)類金屬零件的加工有更好的適用性，還能夠用于功能梯度材料成形與復(fù)雜零件、模具的修復(fù)。但可能會(huì)出現(xiàn)零件收縮過度、粉末受熱膨脹過快的問題，容易出現(xiàn)粉末飛濺，不僅會(huì)浪費(fèi)粉末，還可能存在一定的安全問題。

2 金屬3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

（1）3D打印金屬材料開發(fā)。金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，使金屬3D打印材料類型與形態(tài)也在不斷拓展，不僅降低了金屬3D打印成本，還提高了打印精度、強(qiáng)度、安全性與穩(wěn)定性。但金屬3D打印材料形態(tài)要求過于嚴(yán)格，目前主要為粉末狀與絲狀，價(jià)格較為昂貴，個(gè)人需求與工業(yè)化批量生產(chǎn)需求較難滿足，適價(jià)材料是技術(shù)發(fā)展的開發(fā)焦點(diǎn)，有廣闊的選擇空間與應(yīng)用擴(kuò)展空間。

（2）打印機(jī)理持續(xù)拓展。目前迫切需要對(duì)并行打印、大件打印、多材料打印、連續(xù)打印等金屬3D打印機(jī)理進(jìn)行深入研究，并在產(chǎn)品制造中廣泛應(yīng)用，以此為基礎(chǔ)，金屬材料直接成形技術(shù)可能會(huì)成為今后的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。

（3）金屬3D打印機(jī)技術(shù)快速發(fā)展。目前，金屬3D打印機(jī)主要包括桌面級(jí)與工業(yè)級(jí)，桌面級(jí)主要是打印一些教學(xué)類產(chǎn)品與產(chǎn)品精度要求較低的產(chǎn)品，工業(yè)級(jí)則主要運(yùn)用于一些產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域。近幾年工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，桌面級(jí)正趨于飽和，而工業(yè)級(jí)則將有長(zhǎng)足發(fā)展，以滿足智能制造和工業(yè)4.0發(fā)展的需求。目前，研發(fā)與市場(chǎng)上領(lǐng)頭級(jí)3D打印機(jī)研發(fā)制造商均將主要精力轉(zhuǎn)向工業(yè)級(jí)金屬3D打印機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)。

（4）產(chǎn)品質(zhì)量提升飛速。金屬3D打印機(jī)理、打印工藝、打印機(jī)技術(shù)的深入研究，使金屬3D打印效率顯著改善，零件實(shí)體致密度也得到了極大提升，機(jī)械性能、力學(xué)性能得以提高，表面粗糙度與其他物理性能也得到了相應(yīng)改善。同時(shí)，金屬3D打印設(shè)備性能的方便性、耐用性、經(jīng)濟(jì)性發(fā)展是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)語

隨著金屬3D打印在工業(yè)化領(lǐng)域應(yīng)用要求的不斷提高，金屬3D打印技術(shù)發(fā)展前景與推廣潛力良好，一些發(fā)展瓶頸問題，也因研究的持續(xù)深入，正逐步使工藝不斷成熟化，同時(shí)，成本經(jīng)濟(jì)性、工藝方便性也在逐步降低到工業(yè)生產(chǎn)可接受的范圍，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫礁笸卣埂?/p>