顧波

1.中國光學(xué)學(xué)會激光加工專委會 北京 100081

2.美國玻色光子公司 北京 100081

1 序言

3D打印技術(shù)和增材制造技術(shù) (Additive Manufacturing，AM）一直在全球范圍內(nèi)飛速發(fā)展，并獲得了重要的商業(yè)應(yīng)用。這是一種具有顛覆性的制造方法，它將徹底改變工業(yè)革命以來形成的生產(chǎn)方式和生活方式，徹底改變物體和復(fù)雜系統(tǒng)的制造或組裝方式。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，受到世界上多數(shù)國家的高度重視，并積極推廣。2012年，美國總統(tǒng)奧巴馬發(fā)表國情咨文，大力支持3D打印技術(shù)的發(fā)展，并將其命名為增材制造，成為世界科技行業(yè)的熱點(diǎn)。

增材制造技術(shù)是朝著“物質(zhì)數(shù)字化”和“逐層構(gòu)建方法”邁出的重要一步，這兩種方法共同打開了設(shè)計空間——材料類型和相位可以根據(jù)需要變化，小（納米/微型）設(shè)備可以根據(jù)需要選擇性地插入，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀，并與傳感器集成在一起。發(fā)展目標(biāo)的最高愿景，即三維制造的產(chǎn)品不僅具有必要的復(fù)雜形狀，還包括“感知”所處環(huán)境、收集能量和傳達(dá)其狀態(tài)的特性[1]。

本文將重點(diǎn)介紹3D打印技術(shù)和增材制造工藝，以及金屬激光增材制造的技術(shù)與設(shè)備應(yīng)用，闡述目前增材制造技術(shù)在國內(nèi)外面臨的挑戰(zhàn)，總結(jié)近幾年來增材制造的最新發(fā)展，展望未來幾年的發(fā)展趨勢。

2 3D打印和增材制造工藝

3D打印也稱為增材制造，是指在計算機(jī)程序控制下連續(xù)形成材料層以創(chuàng)建物理對象而生成3D 物體的過程。3D文件源通常被分成幾層，每一層生成一組計算機(jī)控制的指令。3D打印和增材制造技術(shù)的要素就是在整個3D產(chǎn)品中按順序逐層進(jìn)行材料添加或連接。3D打印技術(shù)可以分為兩大類：直接3D打印和間接3D打印。主要區(qū)別在于設(shè)計是直接由3D打印（直接）制成，或者在創(chuàng)建模型的過程中使用了3D打?。ㄩg接）。通過3D打印工藝幾乎可以制造任何形態(tài)或幾何形狀的物體。它們通常使用來自3D模型或其他電子數(shù)據(jù)源的數(shù)字模型數(shù)據(jù)生成，例如立體光刻（STL）文件，這是3D打印機(jī)可以讀取的最常見的文件類型之一。

增材制造的發(fā)明可以追溯到20世紀(jì)80年代，美國、日本和法國等科技人員進(jìn)行了相關(guān)研究。3D打印的第一個專利是 1984 年由3D Systems Corporation 的 赫爾（Chuck Hull）創(chuàng)造的[2]。赫爾將3D打印過程定義為通過創(chuàng)建要形成對象的橫截面圖案來生成3D對象的系統(tǒng)。他的發(fā)明包括一個立體光刻制造系統(tǒng)，其中材料層是通過用紫外光激光固化光聚合物來添加的。立體光刻到現(xiàn)在仍然是一種非常流行的3D打印制造技術(shù)。然而，21世紀(jì)10年代，大多數(shù)3D打印機(jī)使用的技術(shù)，尤其是業(yè)余愛好者和面向消費(fèi)者的產(chǎn)品，是熔融長絲制造 （Fused Filament Fabrication，F(xiàn)FF），也稱為材料擠壓（Material Extrusion，ME）或 Stratasys 公司專有的熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。 FDM的專利于 1989 年由 Scott Crump 在與妻子 Lisa Crump 創(chuàng)辦 Stratasys 公司之前獲得。金屬的3D打印是在 20世紀(jì)90年代隨著激光熔化和燒結(jié)技術(shù)的發(fā)明而出現(xiàn)。選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）和選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）通常歸為總稱直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）。

3D打印的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，它涵蓋了從塑料、金屬到有機(jī)材料和食品的眾多行業(yè)。3D打印中使用了多種材料，每一種材料都緊密對應(yīng)著最終產(chǎn)品的技術(shù)要求，并且通常只適用于某種增材制造技術(shù)。

為了說明3D打印的巨大潛力，有必要對最流行的材料有一個基本的了解。首先，從燒結(jié)粉末金屬開始，它用于打印傳統(tǒng)制造技術(shù)（如鑄造）中使用的注塑模具，以及注塑成形和碳纖維疊層。其次，還有如不銹鋼、青銅、鋼、金、鎳鋼、鋁和鈦等適合3D打印的幾種金屬，這些金屬特別適合制作原型、珠寶和定制物品。此外，鎳鈦合金為醫(yī)療植入物行業(yè)帶來了廣闊的前景，它的超彈性和改變形狀的能力是兩個重要的特征。

種類繁多的塑料為3D打印提供了廣泛的可能性。一些可應(yīng)用于3D 打印的塑料包括丙烯酸樹脂、聚酰胺、ABS 塑料、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、尼龍和 PEBA 2301等。這些塑料提供了大量可以想象的3D 打印物體，例如原型、齒輪系統(tǒng)、裝飾品或教育模型。此外，蠟既可用于設(shè)計驗(yàn)證、功能測試和精細(xì)特征細(xì)節(jié)，也可用作光滑表面和模具中的工具。

碳纖維和復(fù)合材料是尖端材料，它們提供了一種快速生產(chǎn)與金屬一樣強(qiáng)或更堅(jiān)固物體的方法，最常用于自行車和航空工業(yè)。石墨烯是碳的同素異形體，是有史以來最堅(jiān)固的材料，它具有創(chuàng)造全新技術(shù)的潛力，部分歸功于其高效的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及近乎透明的外觀。

一些更不尋常但可實(shí)現(xiàn)3D打印的材料，包括干細(xì)胞、紙、混凝土、食物和紗線。難以想象，干細(xì)胞的3D打印是3D打印技術(shù)中的佼佼者，這將使打印的組織、器官或骨骼植入患者體內(nèi)成為可能。

紙的3D打印為想要在將產(chǎn)品推進(jìn)到最終工程之前制作逼真的3D模型的設(shè)計師提供了全色譜。3D打印巧克力、比薩餅和蛋糕裝飾正在食品行業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。此外，廣泛的材料使得采用3D打印生產(chǎn)紗線成為可能。

2010年，美國測試與材料協(xié)會ASTM F42 增材制造小組提出了一套標(biāo)準(zhǔn)[3]，將增材制造工藝分為7類。ISO/ASTM 52900-15 定義了7類增材制造工藝：材料擠出（Material Extrusion）、光聚合（Photopolymerization）、粉末床熔合（Powder Bed Fusion）、材料噴射（Material Jetting）、黏結(jié)劑噴射（Binder Jetting）、片材層壓（Sheet Lamination）和定向能量沉積（Directed Energy Deposition）。

以下分別簡要介紹7大類增材制造技術(shù)。

2.1 光聚合

光聚合是增材技術(shù)用來一次一層地構(gòu)建物體的常用方法。 當(dāng)光聚合物樹脂暴露在特定波長的光下時，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其變成固體。光聚合增材制造技術(shù)包括幾個不同的打印過程，但它們都基于相同的基本策略：把放在大盆（或罐）中的液體光聚合物通過熱源選擇性地固化，一層一層地構(gòu)建一個3D物理對象，直到完成，如圖1所示。

圖1 光聚合增材制造示意

除了早先基于激光的固化技術(shù)外，還涌現(xiàn)出多種其他技術(shù)類型的固化設(shè)備。數(shù)字光處理投影儀甚至 LCD 屏幕現(xiàn)在是一種流行的光聚合材料方式，因?yàn)槠涑杀镜颓曳直媪Ψ浅８摺Ｅc激光相比，這兩種技術(shù)的優(yōu)勢之一是它們能夠同時固化整層的樹脂，而激光需要通過繪制來逐步照亮整個表面。

光聚合增材制造技術(shù)分為兩大類：它們的相同點(diǎn)是都在打印件的最后一層和樹脂槽表面之間的界面處構(gòu)建零件；不同點(diǎn)：一種是自上而下的方法，先將熱源放置在大盆（VAT）的下方，然后3D 打印平臺逐漸提升，最后打印成的部件是倒置的；另一種是自下而上的技術(shù)，將熱源放置在大盆上方。因此，3D打印平臺逐漸被浸入盆中。

該技術(shù)于20世紀(jì)80年代初由日本和法國研究人員發(fā)現(xiàn)并開發(fā)，并于1984年由世界上第一家3D打印公司 3D Systems Inc. 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Chuck Hull 首次工業(yè)化并獲得專利。

最流行的大盆光聚合增材制造技術(shù)包括以下幾項(xiàng)。

（1）立體光刻（Stereo Lithography，SLA） 立體光刻也稱為光學(xué)制造、光固化或樹脂印刷，是世界上最早的3D打印技術(shù)之一，由 Charles Hull 在1984年發(fā)明。它使用激光將液態(tài)樹脂固化成硬化塑料。在立體光刻制造過程中，一束集中的紫外線或激光束聚焦在裝有液體光敏聚合物的大盆的表面上。光束或激光被聚焦，通過交聯(lián)或降解聚合物來創(chuàng)建所需3D打印對象的每一層。SLA對象具有高分辨力和準(zhǔn)確性，以及清晰的細(xì)節(jié)和光滑的表面。 SLA 用途廣泛，可應(yīng)用于許多不同的用例，因?yàn)楣饩酆衔飿渲浞骄哂袕V泛的光學(xué)、機(jī)械和熱性能，可與標(biāo)準(zhǔn)、工程和工業(yè)熱塑性塑料相匹配。

（2） 直接光處理 (Direct Light Processing，DLP) 直接光處理3D打印是利用數(shù)字投影儀屏幕將每個打印層一次閃爍成像到整個打印平臺上。直接光處理與SLA幾乎相同，不同之處在于它使用數(shù)字光投影儀屏幕一次閃爍每一層的單個圖像。由于投影儀是一個數(shù)字屏幕，所以每一層的圖像都是由正方形像素組成，從而形成一層被稱為體素的小矩形磚塊組成的層。直接光處理可以為某些部件實(shí)現(xiàn)比SLA更快的打印速度，因?yàn)槊恳粚佣际且淮涡云毓?，而不是用激光一點(diǎn)一點(diǎn)繪制出來。

（3）連續(xù)液體界面打印法（Continuous Liquid Interface Production，CLIP） 連續(xù)液體界面打印法以與DLP相同的方式生成對象，但依賴于構(gòu)建板在Z軸上的連續(xù)運(yùn)動。這會縮短構(gòu)建時間，因?yàn)樵谏a(chǎn)每一層后，打印機(jī)不需要停下來將部件與構(gòu)建板分開。它用樹脂罐作為基材，罐底對紫外線是透明的，因此被稱為窗口。紫外線光束透過窗口照射，照亮物體的精確橫截面。光使樹脂固化（光聚合），物體上升得足夠慢，以使樹脂在物體底部流動并保持接觸。樹脂下方有透氧膜，形成死區(qū)。這種持久的液體界面可防止樹脂附著在窗口上，這意味著窗口和聚合器之間的光聚合受到抑制。與標(biāo)準(zhǔn)的立體光刻不同，連續(xù)液體界面打印法的3D打印過程是連續(xù)的，并且可以比其他商業(yè)3D打印方法快100 倍。

（4）日光聚合物打印 (Daylight Polymer Printing，DPP） 日光聚合物打印過程使用液晶顯示器，而不是使用激光或投影儀來固化聚合物。這種技術(shù)也稱為液晶顯示3D打印，它使用未經(jīng)修改的 LCD 屏幕和特殊配方的日光聚合物。

Photocentric公司已經(jīng)能夠通過開發(fā)世界上最敏感的日光樹脂之一來完成這項(xiàng)工作。

光聚合物樹脂有不同的顏色可供選擇，并表現(xiàn)出不同的物理特性，每一種都對應(yīng)于特定的用途。樹脂種類包括韌性樹脂、低殘留樹脂（熔模鑄造）、透明樹脂和柔性聚氨酯樹脂。

光聚合打印已成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)建模，可以根據(jù)計算機(jī)掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建患者各個解剖區(qū)域的準(zhǔn)確3D模型。該技術(shù)的高分辨力也使其成為所有類型的原型制作以及大規(guī)模生產(chǎn)的理想選擇。還原聚合工藝非常適合生產(chǎn)具有精細(xì)細(xì)節(jié)和光滑表面的零件，這使它們成為珠寶、熔模鑄造以及許多牙科和醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇。打印材料的發(fā)展也使得打印低流動注塑模具成為可能。由于光聚合打印的主要限制在于構(gòu)建尺寸的限制和部件強(qiáng)度、脆性，因此其不適用于機(jī)械零件。

2.2 粉末床熔合

粉末床熔合（PBF）增材制造技術(shù)使用熱源生產(chǎn)固體部件，該熱源在塑料或金屬粉末的顆粒之間一次一層地誘導(dǎo)熔合、燒結(jié)或熔化。大多數(shù)PBF技術(shù)具有在構(gòu)建部件時散布和平滑粉末薄層的機(jī)制，從而在構(gòu)建完成后將最終部件封裝在粉末中。最常見的應(yīng)用是功能對象、復(fù)雜管道（中空設(shè)計）和小批量零件生產(chǎn)，它可生產(chǎn)高精確度的產(chǎn)品。這種增材制造技術(shù)能夠使用熱源（主要是激光或電子束）來制造大量幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，以逐層熔合粉末顆粒，從而形成固體部件。由于粉末床熔合增材制造技術(shù)提供了幾種不同的技術(shù)和材料，因此提供了極大的設(shè)計自由，如圖2所示。

圖2 粉末床熔合增材制造示意

PBF技術(shù)的主要變化來自不同的能源，例如激光或電子束，以及過程中使用的粉末，例如塑料或金屬?；诰酆衔锏腜BF技術(shù)允許創(chuàng)新，因?yàn)椴恍枰谓Y(jié)構(gòu)，這使得創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的對象變得更加容易。PBF打印的金屬和塑料物體通常都堅(jiān)固且堅(jiān)硬，其力學(xué)性能可與基體材料相媲美，有時甚至更好。有一系列可用的后處理方法可以使對象具有非常光滑的表面質(zhì)量。出于這個原因，PBF通常用于制造航空航天、汽車、醫(yī)療和牙科行業(yè)的功能性金屬部件。PBF的局限性往往是加工過程中的表面粗糙度和收縮或變形，以及粉末處理和處置帶來的挑戰(zhàn)。

幾種主要的粉末床熔合方法如下。

（1）選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS） 選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)是工業(yè)應(yīng)用中最常見的增材制造技術(shù)，它起源于1980年代后期的美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。多年來，這項(xiàng)技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步?；旧?，該過程使用激光逐層燒結(jié)或聚結(jié)粉末材料以形成固體結(jié)構(gòu)。最終產(chǎn)品被包裹在松散的粉末中，然后用刷子和加壓空氣清潔。SLS3D打印過程中使用的主要材料包括聚酰胺（尼龍）、鋁化物、灰色鋁粉和聚酰胺的混合物，以及類橡膠材料。尼龍堅(jiān)固耐用，但具有一定的柔韌性，使其非常適合打印按扣、支架、夾子和彈簧等，設(shè)計人員應(yīng)在起初階段就考慮薄部件材料收縮和翹曲的敏感性。與SLA和FDM相比，SLS不需要對象具有支撐結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槲慈酆系姆勰┰诖蛴∵^程中支撐著零件。這使得SLS非常適合具有復(fù)雜幾何形狀的對象，包括內(nèi)部特征、底切和負(fù)特征。使用SLS打印生產(chǎn)的零件通常具有出色的機(jī)械特性，這意味著它們非常堅(jiān)固。薄壁物體不能打印，因?yàn)橛凶钚?1 mm的限制，大型模型中的薄壁冷卻后可能會翹曲。

低成本、高生產(chǎn)率和成熟材料的結(jié)合使SLS成為功能原型設(shè)計工程師的熱門選擇，并且是有限運(yùn)行或橋梁制造的注塑成形的一種經(jīng)濟(jì)高效的替代方案。

（2）激光粉末床熔合（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）和直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS） 為了制造具有極其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高性能金屬零件，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所Meiners 研究組和大阪大學(xué)Abe 研究組在1996 年首次提出了LPBF 技術(shù)的概念。然而，在LPBF技術(shù)的早期發(fā)展階段，由于粉末熔合不完全以及熔化后易發(fā)生粉末球化，構(gòu)建部件的密度和強(qiáng)度不足，因此難以實(shí)際應(yīng)用。隨著采用高性能光纖激光器和對LPBF工藝的優(yōu)化，LBPF構(gòu)建的鈦合金、高溫合金、鋼和鋁合金的成形精度、密度和力學(xué)性能得到了顯著提高，因此LPBF技術(shù)逐漸成為醫(yī)療、汽車、航空航天等領(lǐng)域的主流商業(yè)化增材制造技術(shù)之一。

LPBF也稱選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）。LPBF和DMLS具有相同的技術(shù)原理，但DMLS專門用于生產(chǎn)合金金屬零件。由于LPBF完全熔化粉末，因此可用于單成分金屬如鋁等來制造輕質(zhì)、堅(jiān)固的備件和原型。而DMLS對粉末進(jìn)行燒結(jié)，將粉末加熱到接近熔化溫度，直到它發(fā)生化學(xué)熔化。DMLS是最成熟的金屬增材制造工藝，擁有最大的安裝數(shù)量。

（3）電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM） EBM3D打印技術(shù)通過使用高能電子束而不是激光來誘導(dǎo)金屬粉末顆粒之間的熔合。聚焦電子束掃描一層薄薄的粉末，導(dǎo)致特定橫截面的局部熔化和凝固。

電子束系統(tǒng)的一個優(yōu)點(diǎn)是它們在物體中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小，這意味著對支撐結(jié)構(gòu)的需求較少，從而減少變形。EBM還使用更少的能源，并且可以比SLM和DMLS更快地生成層。這種方法在航空、航天、國防、賽車摩托運(yùn)動和醫(yī)療假肢等高價值行業(yè)中最有用。然而，最小特征尺寸、粉末顆粒尺寸、層厚度和表面粗糙度通常低于LPBF和 DMLS。 EBM 要求在真空中生產(chǎn)物體，并且該工藝只能使用導(dǎo)電材料。

（4）多射流聚變（MultiJet Fusion，MJF） MJF3D 打印技術(shù)本質(zhì)上是 SLS 和材料噴射技術(shù)的結(jié)合, 它使用噴墨陣列來應(yīng)用熔合劑和細(xì)化劑，然后通過加熱將其熔合成固體層，不涉及激光。帶有噴嘴的托架，類似于噴墨打印機(jī)中使用的托架，經(jīng)過打印區(qū)域，將熔合劑沉積在一層薄薄的塑料粉末上。同時，在輪廓周圍噴射抑制燒結(jié)細(xì)化劑，以提高零件分辨力，從而使打印逼真的物體成為可能。高功率紅外輻射能量源通過構(gòu)建床并燒結(jié)分配熔劑的區(qū)域，同時保持粉末的其余部分不受影響。該過程一直重復(fù)，直到對象完成。

2.3 材料擠壓成形

材料擠壓成形是最常用和最便宜的3D打印技術(shù)，它代表了全球最大的3D打印機(jī)安裝數(shù)量。材料擠壓3D 打印技術(shù)使用熱塑性材料的連續(xù)長絲作為基材，細(xì)絲從一個線圈通過一個移動的加熱打印機(jī)擠出機(jī)頭進(jìn)料，通常縮寫為擠出機(jī)（Extruder）。熔融材料從擠出機(jī)的噴嘴被擠出，并首先沉積到3D打印平臺上，該平臺可以加熱以獲得額外的附著力。第一層完成后，擠出機(jī)和平臺在一個步驟中分開，然后可以將第二層直接沉積到正在生長的工件上，擠出機(jī)頭在計算機(jī)控制下移動。擠出機(jī)至少需要三個軸才能在笛卡爾架構(gòu)中移動，但極坐標(biāo)和三角坐標(biāo)架構(gòu)系統(tǒng)也越來越普遍。后一層沉積在前一層之上，直到物體打印制作完成，這猶如使用一管牙膏來構(gòu)建一個物體，通過將牙膏層彼此疊放來緩慢構(gòu)建物體的墻壁，如圖3所示。

圖3 材料擠壓成形增材制造示意

材料擠壓也被稱為熔融長絲制造 (Fused Filament Fabrication，F(xiàn)FF)，是最受3D打印業(yè)余愛好者歡迎的工藝之一。專有術(shù)語熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）由 Scott Crump 在20世紀(jì)80年代后期創(chuàng)造，并于1990年由 Stratasys 公司商業(yè)化。隨著這項(xiàng)技術(shù)的專利到期，現(xiàn)在有一個名為 RepRap 的大型開源開發(fā)平臺，以及其他商業(yè)和 DIY 群體開始使用這種3D打印技術(shù)，這導(dǎo)致了可觀的價格下降。

可以用來擠壓打印的材料種類繁多，最受歡迎的是熱塑性塑料，例如丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)、聚乳酸 (PLA)、高抗沖聚苯乙烯 (HIPS)、熱塑性聚氨酯 (TPU)、脂肪族聚酰胺 (俗稱為尼龍），以及最新的高性能塑料，像聚醚醚酮 (PEEK) 或聚醚酰亞胺（PEI）。此外，可以使用這種擠壓3D打印技術(shù)材料的還有陶瓷、混凝土和巧克力等糊狀材料。但是，材料擠壓技術(shù)受尺寸精度限制，并且具有很大的各向異性。

由于FDM技術(shù)可以為3D打印機(jī)配備多個擠壓頭，以加快制造過程或具有打印多材料功能，這使得制造復(fù)合材料成為可能。復(fù)合長絲制造 (Composite Filament Fabrication，CFF) 就是其中之一。CFF是由Markforged公司發(fā)明的，它使用兩個打印噴嘴。一個噴嘴按照典型的材料擠出工藝運(yùn)行，它鋪設(shè)塑料細(xì)絲以形成零件的外殼和內(nèi)部矩陣；第二個噴嘴在每一層上連續(xù)地沉積復(fù)合纖維束（由碳、玻璃纖維或凱夫拉爾Kevlar 制成）。這些3D打印部件內(nèi)部的連續(xù)復(fù)合纖維束，為構(gòu)建物體增加了與金屬制成的部件相媲美的強(qiáng)度。除了將復(fù)合材料用于堅(jiān)固的零件外，如何鋪設(shè)也會影響零件的強(qiáng)度。Markforged 公司提供了兩種鋪設(shè)方法：各向同性纖維填充和同心纖維填充。

復(fù)合材料也可以在僅配備一個擠壓頭的機(jī)器上用材料擠出技術(shù)3D打印出來，唯一的條件是有足夠的基礎(chǔ)材料（熱塑性塑料）來保證層之間的熔合。因此，在一根長絲中混合兩種材料使得3D打印木材（將木顆粒嵌入PLA 中）、金屬（將金屬顆粒嵌入熱塑性塑料中）甚至碳（將碳纖維嵌入熱塑性塑料中）成為可能。

FDM技術(shù)最常見的應(yīng)用是打印電器外殼、形狀和配合測試、夾具和固定裝置以及熔模鑄造模型。

2.4 黏結(jié)劑噴射

黏結(jié)劑噴射增材制造技術(shù)使用兩種材料：粉末和黏結(jié)劑，它將黏結(jié)劑沉積在粉末材料的薄層上。黏結(jié)劑通常是液體，用作粉末的黏結(jié)劑。粉末材料是陶瓷基的（例如玻璃或石膏）或金屬（例如不銹鋼）。在黏結(jié)劑噴射3D打印過程中，3D打印頭在構(gòu)建平臺X軸和Y軸上水平移動，沉積黏結(jié)劑液滴，以類似于在紙上打印墨水的2D打印機(jī)的方式打印每一層。當(dāng)一層完成時，支撐打印物體的粉末床的平臺會向下移動，一層新的粉末散布到構(gòu)建區(qū)域上。該過程逐層重復(fù)，直到所有部分完成。打印后，零件處于生坯或未完成狀態(tài)，需要經(jīng)過額外的后期處理后才能使用。通常還添加浸潤劑物質(zhì)，以改善零件的力學(xué)性能。浸潤劑物質(zhì)通常是氰基丙烯酸酯黏結(jié)劑（在陶瓷的情況下）或青銅（在金屬的情況下）。另一種策略是將處于生坯狀態(tài)的工件放入烘箱中以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)顆粒的燒結(jié)。有趣的是3D打印一詞最初是指將黏結(jié)劑材料一層一層地沉積到粉末床上的過程，該粉末床上帶有類似噴墨打印機(jī)的頭，如圖4所示。

圖4 黏結(jié)劑噴射增材制造示意

不同制造商開發(fā)了多種黏結(jié)劑噴射3D打印工藝技術(shù)。最有名的是3D Systems 的彩色噴墨打印技術(shù)（ColorJet Printing，CPJ）。 ColorJet Printing原是 ZCorp公司的商標(biāo)，現(xiàn)在屬于3D Systems公司。彩色噴墨3D打印是全彩色的，最終部件類似于砂巖，并呈現(xiàn)出一些多孔的表面。砂巖材料是噴墨著色的，并在3D打印過程中黏結(jié)在一起。在3D打印結(jié)束時，需要進(jìn)行滲透以固化和黏結(jié)零件。它有數(shù)十萬種顏色可供選擇，幾乎是完整的 CMYK 光譜。但是BJ最終的打印品不適合功能性應(yīng)用，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀皇嵌嗫椎?，并且必須遠(yuǎn)離潮濕環(huán)境，以避免變色。

黏結(jié)劑噴射3D打印工藝可以使用多種材料，包括金屬、砂子和陶瓷。有些材料，如沙子，不需要額外的處理。黏結(jié)劑噴射非常適合需要良好美學(xué)和形狀的應(yīng)用，例如建筑模型、包裝、玩具和小雕像。由于零件的脆性，它通常不適合功能性應(yīng)用。與PBF3D打印技術(shù)相比，黏結(jié)劑噴射方法的優(yōu)點(diǎn)是在構(gòu)建過程中不使用熱量，從而防止在零件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。由于滲透工藝，金屬基黏結(jié)劑噴射部件具有相對良好的力學(xué)性能，所以它們可以用作功能部件，并且因滲透過程而具有相對良好的力學(xué)性能。它們也比SLM或DMLS打印金屬部件更具成本效益，只是打印部件力學(xué)性能較差，材料的晶粒沒有完全熔合在一起。有多種類型的3D打印黏結(jié)劑材料，每種都適用于特定的應(yīng)用。它們可分為呋喃樹脂黏結(jié)劑（用于砂型鑄造應(yīng)用）、酚醛樹脂黏結(jié)劑（用于砂型和型芯）、硅酸鹽黏結(jié)劑（環(huán)保型，用于砂型和型芯）和水基黏結(jié)劑（用于金屬）等類別。

2.5 材料噴射

在所有增材制造工藝中，材料噴射最能與噴墨打印工藝相媲美。與噴墨打印機(jī)將墨水逐層放置在一張紙上的方式相同，材料噴射將材料沉積到構(gòu)建表面上，然后使用紫外光固化或硬化該層。逐層重復(fù)，直到對象完成。由于材料以液滴形式沉積，因此材料僅限于光敏聚合物、金屬或蠟，它們在暴露于紫外線或高溫時會固化或硬化。材料噴射制造工藝允許在同一部件內(nèi)3D打印不同的材料，如圖5所示。

圖5 材料噴射增材制造示意

材料噴射從打印頭中的數(shù)百個微型噴嘴噴射出光聚合物，以逐層構(gòu)建零件。這允許材料噴射操作以快速、線性的方式沉積構(gòu)建材料，這可以與遵循路徑以完成層（也稱為切片）的橫截面區(qū)域的其他點(diǎn)狀沉積技術(shù)進(jìn)行比較。當(dāng)液滴沉積到構(gòu)建平臺時，用紫外線直接將其固化。材料噴射過程需要支撐結(jié)構(gòu)，通常也是在構(gòu)建過程中同時使用可溶解材料來進(jìn)行3D打印，然后在后處理步驟中去除支撐材料。

材料噴射是逼真原型的理想選擇，可提供出色的細(xì)節(jié)、高精度和光滑的表面。材料噴射允許設(shè)計師在一次運(yùn)行中使用多種顏色和多種材料，這使得該工藝非常適合低運(yùn)行注塑模具和醫(yī)療模型。材料噴射技術(shù)的主要缺點(diǎn)是UV活化光聚合物的高成本和較低的力學(xué)性能。

材料噴射技術(shù)分為幾類，其中最流行的幾種技術(shù)如下。

（1）按需滴注（Drop On Demand，DOD） DOD打印機(jī)有兩個打印噴嘴：一個用于沉積構(gòu)建材料，另一個用于可溶解的支撐材料。與所有增材制造機(jī)器一樣，DOD3D打印機(jī)遵循預(yù)先確定的路徑并以逐點(diǎn)方式沉積材料以構(gòu)建組件的橫截面積。這些機(jī)器還采用飛刀切割每一層之后的構(gòu)建區(qū)域，以確保在打印下一層之前形成完美平坦的表面。按需滴注技術(shù)通常用于在失蠟鑄造、熔模鑄造和模具制造應(yīng)用中生產(chǎn)蠟狀模型，使其成為一種間接3D打印技術(shù)。

（2）多頭噴射（PolyJet） 多頭噴射3D打印技術(shù)首先由Objet公司獲得專利，現(xiàn)在是 Stratasys 的品牌。與噴墨文檔打印相似，感光聚合物材料以與噴墨文檔打印類似的方式將超薄層噴射到構(gòu)建托盤上，每個光敏聚合物層在噴射后立即通過紫外光固化。一層又一層地重復(fù)噴射和固化步驟，產(chǎn)生完全固化的模型，可以立即使用。凝膠狀支撐材料專為支撐復(fù)雜的幾何形狀而設(shè)計，可以用手或水射流輕松去除。

（3）納米粒子噴射 （NanoParticle Jetting ，NPJ） 這種由 XJet 公司獲得專利的材料噴射技術(shù)，其使用包含構(gòu)建納米粒子或支持納米粒子的液體，該液體作為墨盒裝入打印機(jī)并以極薄的液滴層噴射到構(gòu)建托盤上。建筑外殼內(nèi)的高溫導(dǎo)致液體蒸發(fā)，留下由建筑材料制成的零件，該技術(shù)適用于金屬和陶瓷。

材料噴射3D打印技術(shù)是制作逼真原型的絕佳選擇，它可提供出色的細(xì)節(jié)、高精度和光滑的表面。材料噴射允許設(shè)計師設(shè)計在一次打印中打印多種顏色和多種材料。為了指定設(shè)計零件的特定區(qū)域?yàn)椴煌牟牧匣蝾伾?，必須將模型?dǎo)出為單獨(dú)的STL文件。當(dāng)用混合顏色或材料特性以創(chuàng)建數(shù)字材料時，必須將設(shè)計導(dǎo)出為OBJ或VRML文件，因?yàn)檫@些格式允許在每個面或每個頂點(diǎn)上指定特殊屬性（例如紋理或全色）。

使用材料噴射技術(shù)進(jìn)行打印的主要缺點(diǎn)是成本高，并且紫外線活化的光敏聚合物會隨著時間的推移失去力學(xué)性能并且會變脆。

2.6 片材層壓

片材層壓增材制造技術(shù)也稱為層壓物體制造 （Laminated Object Manufacturing，LOM），包括疊加幾層由薄片組成的材料以制造物體。每個薄片都用刀或激光切割成形，以適合物體的橫截面，如圖6所示。

圖6 片材層壓增材制造示意

片材層壓工藝包括層壓物體制造（LOM）和超聲波增材制造（UAM）兩種。

（1）層壓物體制造 LOM與人們熟悉的覆膜機(jī)基本相同，若要層壓一張紙，則將紙張放入由兩種塑料組成的層壓機(jī)袋中：外層為聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），內(nèi)層為乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）。然后，一個加熱的滾筒將袋子的兩側(cè)黏結(jié)在一起，使紙張完全包裹在塑料中。LOM構(gòu)建對象的基本過程與此相同。

（2）超聲波增材制造 UAM 通過熔合和堆疊金屬條、片或帶來構(gòu)建金屬物體，這些層通過超聲波焊接結(jié)合在一起。該過程是在能夠在構(gòu)建層時對工件進(jìn)行銑削的計算機(jī)數(shù)控CNC機(jī)床上完成的。該過程需要去除未結(jié)合的金屬，通常是在焊接過程中。UAM使用鋁、銅、不銹鋼和鈦等金屬。該過程可以結(jié)合不同的材料，快速構(gòu)建，并實(shí)際制造大型物體，同時由于金屬沒有熔化，因此需要的能量相對較少。

LOM技術(shù)最初由 Helisys 公司開發(fā)，然后被以色列公司 Solido 推廣。 Solido公司3D打印機(jī)基于 LOM技術(shù)，并生產(chǎn)由聚氯乙烯（PVC）和專有黏結(jié)劑組合而成的部件，從而生產(chǎn)出堅(jiān)固但價格低廉的模型。后來，總部位于愛爾蘭的 Mcor Technologies 公司發(fā)明了一種基于紙張的層壓技術(shù)。LOM的最新發(fā)展使采用碳纖維板和各種復(fù)合材料的打印成為可能，Envision TEC 公司和 Impossible Objects 初創(chuàng)公司已經(jīng)掌握了這些技術(shù)，但這些技術(shù)仍處在其制造商的繼續(xù)開發(fā)中，尚未廣泛應(yīng)用。

在紙基層壓物體制造中，紙張材料取自標(biāo)準(zhǔn)復(fù)印紙。首先，紙張通過標(biāo)準(zhǔn)噴墨2D打印機(jī)進(jìn)行著色，然后將構(gòu)建最終部件所需的所有彩色頁面堆疊在3D打印機(jī)中，并一張一張地使用它們。因此，每一頁都從堆棧中取出，黏在前一頁上，然后用刀精確切割。工件逐層完成，剩余的紙張可以用手取出。紙模型可以完全著色，具有類似木頭的特性，并且可以相應(yīng)地加工和完成。結(jié)果的精度主要取決于所使用的分層材料的厚度，例如紙張。一張標(biāo)準(zhǔn)紙的厚度在 50～100μm。

美國初創(chuàng)公司 Impossible Objects 獲得了基于復(fù)合材料的增材制造（Composite Based Additive Manufacturing，CBAM）技術(shù)的專利。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與熱塑性塑料熔合可形成非常堅(jiān)固的部件。

EnvisionTEC公司開發(fā)了選擇性層壓復(fù)合物體制造技術(shù)（Selective Lamination Composite Object Manufacturing-SLCOM）。選擇性層壓復(fù)合物體制造技術(shù)使用熱塑性塑料作為基材而編織纖維復(fù)合材料。

片材層壓3D打印技術(shù)的應(yīng)用包括人體工程學(xué)研究、地形可視化、紙制物體的結(jié)構(gòu)模型。使用熱塑性塑料和纖維，層壓3D打印技術(shù)以極具競爭力的成本，可直接制造用于航空航天和汽車行業(yè)的功能性輕質(zhì)部件。

2.7 定向能量沉積

定向能量沉積3D（DED）打印技術(shù)，通過直接熔化材料并將它們逐層沉積在工件上來制造零件。這種增材制造技術(shù)主要用于金屬粉末或線材源材料。DED 技術(shù)包括激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）、定向光制造（Directed Light Fabrication，DLF）、激光直接金屬沉積（Laser Direct Metal Deposition，LDMD）、激光沉積焊接 （Laser Deposition Welding，LDW）和 3D 激光熔覆（3D Laser Cladding）等，如圖7所示。

圖7 定向能量沉積增材制造示意

金屬可以通過DED增材制造技術(shù)進(jìn)行3D打印，特別是包括鋁、銅、鈦、不銹鋼、工具鋼、銅鎳合金和幾種鋼合金。除了能夠從頭開始構(gòu)建零件（通常與銑/車 CNC機(jī)床的使用混合），DED3D打印技術(shù)還能夠修復(fù)復(fù)雜的損壞零件，例如渦輪葉片或螺旋槳。由于大多數(shù) DED3D打印機(jī)是占地面積非常大的工業(yè)機(jī)器，并且需要在封閉和受控的環(huán)境下運(yùn)行，因此典型的定向能量沉積由安裝在封閉框架內(nèi)的多軸臂上的噴嘴組成。該噴嘴將熔化的材料沉積到工件表面上，并在那里固化。該過程在原理上類似于材料擠壓3D打印技術(shù)，但使用DED，噴嘴可以在多個方向上移動，最多有5個不同的軸，而大多數(shù) FFF 機(jī)器只有3個軸。

DED有幾種不同的技術(shù)，它們以材料熔合的方式不同來區(qū)分，每種材料都適用于不同和特定的目的。DED3D打印技術(shù)的每個子技術(shù)都有其自身的局限性和兼容性，最常見的有如下幾種。

（1）激光粉末成形（LENS）技術(shù) 激光粉末成形也以其專有名稱 LENS而聞名，該名稱由美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室命名。該工藝使用由激光頭、粉末分配噴嘴和惰性氣體管組成的沉積頭。當(dāng)粉末從噴嘴噴出時，沉積頭將粉末熔化以逐層構(gòu)建物體。激光在構(gòu)建區(qū)域形成一個熔池，粉末被噴射到熔池中，在那里它被熔化然后固化。商業(yè)化的LENS設(shè)備，如Optomec 公司的LENS 3D制造系統(tǒng)直接使用激光從粉末金屬、合金、陶瓷或復(fù)合材料中逐層構(gòu)建物體。LENS工藝必須在充滿氬氣的密閉室中進(jìn)行，以使氧氣和水分含量保持在非常低的水平，這樣可以保持零件清潔并防止氧化。金屬粉末材料直接輸送到材料沉積頭，一旦沉積了單層，材料沉積頭就會移動到下一層，通過構(gòu)建連續(xù)的層來構(gòu)建整個部件。完成后，部件將被移除，并可進(jìn)行熱處理、熱等靜壓、機(jī)加工或以任何需要的后處理方式。

（2）激光定向能量沉積 (Laser Direct Energy Deposition，LDED) 激光定向能量沉積也稱激光直接金屬沉積（Laser Direct Metal Deposition，LDMD），其特點(diǎn)是同步送粉。它將三維模型分散化為二維層，類似于 LPBF。但 LDED可以使用線材或粉末（或兩者）作為原料，添加劑材料被輸送到熔池中，而不是散布到粉末床上。與 LPBF技術(shù)相比，LDED技術(shù)利用更高的激光功率和更大的激光束尺寸，來實(shí)現(xiàn)更高的構(gòu)建效率。

（3）氣溶膠噴射技術(shù)（ Aerosol Jet ） 氣溶膠噴射3D打印技術(shù)提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展的工藝，可將功能性天線和傳感器直接打印到消費(fèi)和工業(yè)組件上，使其成為智能物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備?？捎∷⒌奶炀€包括 LTE、NFC、GPS、Wifi、WLAN 和BT。這種技術(shù)更接近于簡單的沉積技術(shù)，但適用于復(fù)雜的復(fù)合曲面。氣溶膠噴射系統(tǒng)非常適合開發(fā)、制造、增強(qiáng)和修復(fù)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、半導(dǎo)體封裝、顯示器、航空航天、國防、汽車、生命科學(xué)以及高性能電子和生物設(shè)備。氣溶膠噴射技術(shù)可用于多種材料，包括導(dǎo)電納米顆粒金屬油墨、介電漿料、半導(dǎo)體和其他功能材料。商業(yè)化的氣溶膠噴射3D打印機(jī)由Optomec 公司生產(chǎn)。

（4）電子束增材制造 (Electron Beam Additive Manufacturing，EBAM) 電子束增材制造使用電子束通過將金屬粉末或金屬絲焊接在一起來制造金屬物體，最初是設(shè)計用于太空的真空下工作。與使用激光的激光粉末成形相比，電子束效率更高，它是一種可生產(chǎn)大規(guī)模金屬結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)。電子束（EB）槍通過線材原料逐層沉積金屬，直到零件達(dá)到近凈形狀并準(zhǔn)備好進(jìn)行后期的精加工。材料沉積速率為3～9 kg/h。相容的金屬包括鈦、鉭和鎳。這種電子束增材制造技術(shù)也可用于修復(fù)損壞的零件。

（5）激光沉積焊接（Laser Deposition Welding，LDW）和混合制造（Hybrid Manufacturing） 德馬吉森精機(jī)公司（DMG MORI）的激光沉積焊接和混合制造增材制造工藝使用粉末噴嘴的金屬沉積，其速度比LPBF技術(shù)快10 倍。此外，德馬吉森精機(jī)公司已將其LDW增材制造技術(shù)集成到5軸銑床上。這種創(chuàng)新的混合解決方案將激光金屬沉積工藝的靈活性與切割工藝的精度相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了銑削質(zhì)量的增材制造。這種組合，使得制造各種尺寸的高精度金屬零件成為可能。

3 金屬激光增材制造技術(shù)

激光增材制造技術(shù)已經(jīng)成為航空、航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)。以激光為熱源的激光增材制造可以徹底改變金屬零件的傳統(tǒng)加工方式。根據(jù) ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F2792-12a 的分類和定義，它由兩種主要方法組成：一種是激光粉末床熔合 (LPBF)，它具有用于沉積金屬粉末的粉末床，將粉末散布在基材上；另一種方法是以粉末為原料的定向能量沉積工藝，即激光定向能量沉積（LDED），其特點(diǎn)是同步送粉。目前，LAM技術(shù)在航空、航天、醫(yī)療和汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展是最快的。由于金屬零件的制造是相關(guān)領(lǐng)域的主要關(guān)注點(diǎn)，因此我們重點(diǎn)談一下金屬的激光增材制造技術(shù)。

隨著金屬零件的功能性能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高，傳統(tǒng)技術(shù)（例如鑄造和鍛造）制造的難度、成本和周期迅速增加。LAM技術(shù)既先進(jìn)又與資源經(jīng)濟(jì)兼容，可為高性能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造提供新的解決方案。在 LAM 的幫助下，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)、梯度材料結(jié)構(gòu)和內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)的制造不再難以而為。因此，人們可以打印具有結(jié)構(gòu)功能一體化、減重、超高強(qiáng)度和韌性、耐極端工況或超強(qiáng)散熱能力的新型結(jié)構(gòu)，并在很大程度上提高結(jié)構(gòu)的功能效率。美國通用電氣公司的LPBF航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴和北航鈦合金制成的LDED飛機(jī)框架，就是成功應(yīng)用的典型案例。但是，從LAM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，目前真正的工業(yè)應(yīng)用還不多?；A(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)突破、工程應(yīng)用成熟度、技術(shù)發(fā)展的商業(yè)推廣等是制約LAM技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一些因素。目前的研究主要集中在性能控制方面，孔隙率、開裂、顯微組織特征、各向異性等基礎(chǔ)研究受到較多關(guān)注。相反，有關(guān)形狀控制、質(zhì)量檢驗(yàn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究報告稀缺，這也預(yù)示著金屬的LAM正處于從技術(shù)發(fā)展到工業(yè)應(yīng)用的過渡階段。

LAM是基于數(shù)據(jù)模型的切片，通過增量沉積，即逐層實(shí)現(xiàn)金屬零件的近凈成形制造。由于LAM特別適用于形狀復(fù)雜的零件、具有梯度材料和性質(zhì)的結(jié)構(gòu)的零件、復(fù)合材料零件和難加工材料零件的制造，因此在航空航天等先進(jìn)制造領(lǐng)域受到廣泛青睞。一方面，這些領(lǐng)域的相關(guān)零件形狀復(fù)雜多變，對材料性能要求高，通常加工性差，成本高；另一方面，為實(shí)現(xiàn)性能復(fù)雜、壽命長、可靠性高、成本低，新型飛行器迫切需要采用大型復(fù)雜的集成結(jié)構(gòu)。

3.1 激光粉末床熔合

激光粉末床熔合 (Laser Powder Bed Fusion，LPBF) 也稱選擇性激光熔化 (SLM)。LPBF是一種采用快速成形原理的增材制造技術(shù)，即先在計算機(jī)上通過軟件設(shè)計實(shí)體模型的三維部分，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，通過專用軟件得到三維模型各截面的輪廓數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被導(dǎo)入快速成形設(shè)備，然后控制激光束選擇性地熔化每一層的金屬粉末，并根據(jù)這些輪廓數(shù)據(jù)逐漸堆疊成三維金屬零件。激光束快速熔化金屬粉末，獲得連續(xù)熔合通道，可制造幾乎任何形狀且冶金結(jié)合完整、高精度致密的金屬零件，LPBF的工藝流程如圖8所示。

圖8 激光粉末床熔合增材制造工藝流程

在成形過程中，右側(cè)粉筒上升一個設(shè)定值，粉輥向左側(cè)移動，左側(cè)成形筒板上均勻涂上一層粉末，然后通過LPBF熔化金屬粉末層，逐層形成三維金屬零件。需要注意的是工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度等，應(yīng)與粉末材料和粉末層厚度相匹配，以實(shí)現(xiàn)致密且無缺陷的零件。整個過程在具有惰性氣體保護(hù)的成形室中進(jìn)行，以防止金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。LPBF設(shè)備中現(xiàn)有的粉末涂裝裝置對鐵基、鎳基、鈦基等金屬粉末材料的適用性較高，但對鋁合金粉末的適用性較低，導(dǎo)致其LPBF成形工藝不容易順利進(jìn)行。

LPBF制造的零件通常具有以下特點(diǎn)。

1）可達(dá)到的相對密度通常高于95%，甚至99.9%。

2）小激光束尺寸使構(gòu)建的零件具有高尺寸精度（可達(dá)到的最高精度為±0.05mm）和優(yōu)異的表面質(zhì)量（Ra≤10μm）。

3）快速冷卻和凝固速度導(dǎo)致極細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)（一次枝晶臂間距通常為數(shù)百納米），這使其與鑄件和鍛件相比具有優(yōu)越或相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度。

LPBF制造的局限性如下。

1）LPBF技術(shù)通常用于制造相對較小且精密的零件，主要是因其構(gòu)建效率低且尺寸精度高。

2）LPBF過程中的粉末球化很難以消除，導(dǎo)致細(xì)孔的形成和力學(xué)性能的劣化。

3）由快速加熱和冷卻速率（高達(dá)106～108K/s）引起的不均勻溫度分布會引起較大的殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致變形甚至裂紋形成。

由于對制造精度的要求很高，以及加工腔室對零件尺寸的限制，所以LPBF常用于形成復(fù)雜的中小尺寸精密結(jié)構(gòu)。LPBF零件的功能屬性一般大于承載屬性，為滿足整體性能要求，許多部件需要創(chuàng)造性地設(shè)計結(jié)構(gòu)，例如具有復(fù)雜內(nèi)油道、氣道和內(nèi)腔的燃料噴嘴、軸承座、控制系統(tǒng)外殼、航空發(fā)動機(jī)中的葉片和艙口軸承、鉸鏈、進(jìn)氣門和飛機(jī)輔助發(fā)動機(jī)室單元結(jié)構(gòu)的排氣門，以及衛(wèi)星中的支撐結(jié)構(gòu)，這些部件都適合使用 LPBF來制造。LPBF有利于實(shí)現(xiàn)材料加工的“近凈成形”新概念，特別適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬零件，以滿足生物醫(yī)學(xué)、國防、航空航天等領(lǐng)域的有限訂單要求或特殊定制要求和應(yīng)用，特別是射頻元件。隨著制造業(yè)的不斷升級、科技的發(fā)展和應(yīng)用推廣的需求，利用LPBF直接制造功能部件已成為其發(fā)展的主要方向。

3.2 激光定向能量沉積

激光定向能量沉積技術(shù)（LDED）是20世紀(jì)90年代初期由世界各地的許多研究機(jī)構(gòu)獨(dú)立開發(fā)的。因此，歷史上它有許多不同的術(shù)語，例如激光固體成形、激光金屬沉積、激光工程近凈成形等，但是技術(shù)原理本質(zhì)上是相似的。本文使用根據(jù) ASTM F2792-12a 規(guī)定的術(shù)語—— LDED。

粉末基 LDED 的技術(shù)機(jī)理如圖9所示。

圖9 激光定向能量沉積技術(shù)機(jī)理

LDED 將三維模型離散化為二維層類似于 SLM，但 LDED 有可能使用線材或粉末（或兩者）作為原料。添加劑材料被輸送到熔池中，而不是散布到粉末床上。與LPBF技術(shù)相比，LDED技術(shù)利用更高的激光功率和更大的激光束尺寸來實(shí)現(xiàn)更高的構(gòu)建效率。 此外，LDED非常適用于使用多種材料同步進(jìn)給的梯度結(jié)構(gòu)制造，以及高性能和高價值部件的修復(fù)。然而，使用LDED技術(shù)難以制造幾何形狀極其復(fù)雜的零件，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。

由于成形的零件雖力學(xué)性能好，但形狀精度不高，所以LDED主要用于制造中大尺寸的復(fù)雜承重零件。相應(yīng)地，LDED零件的承載屬性大于其功能屬性。為了提高航空發(fā)動機(jī)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的效率和功能，例如外殼、壓氣機(jī)或渦輪葉盤，應(yīng)采用異種或功能梯度材料的結(jié)構(gòu)。飛機(jī)上的部件，如關(guān)節(jié)、起落架、承重框架、超高速飛行器機(jī)翼或風(fēng)舵的單元結(jié)構(gòu)的承重框架，應(yīng)在減輕重量的同時增加承重能力。通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，制造這些結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和難度產(chǎn)生了對 LDED 技術(shù)的明確需求。此外，對于飛機(jī)或航空發(fā)動機(jī)中具有特殊形狀的承重部件，如局部凸臺或凸片，采用鍛造工藝在制造過程中不僅難以保證局部配置和性能，而且目前的鍛造設(shè)備無法生產(chǎn)出專為大型飛機(jī)設(shè)計的超大尺寸鈦承重框架。因此，對混合鍛造/增材制造和混合鍛造/增材連接技術(shù)的發(fā)展提出了明確要求。

4 金屬激光增材制造設(shè)備

經(jīng)濟(jì)且高效的激光增材制造（LAM）設(shè)備是其技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。國際上，LPBF設(shè)備主要集中在德國、法國、英國、日本和比利時，而LDED設(shè)備主要集中在美國和德國。德國比任何其他國家都更早地開始開發(fā) LPBF設(shè)備, 其中EOS GmbH公司開發(fā)的LPBF設(shè)備具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，部分已用于GE設(shè)計的LEAP航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴的制造上。通過在制造過程中增加監(jiān)控功能，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。德國Realizer GmbH 公司開發(fā)了一種獨(dú)特的解決方案，具有全方位的設(shè)計和組件堆疊。德國Concept Laser GmbH 公司開發(fā)的設(shè)備在制造大型部件方面具有顯著優(yōu)勢。 SLM Solutions Group AG 公司在激光應(yīng)用和氣流控制方面處于領(lǐng)先地位。專業(yè)的粉末沉積系統(tǒng)已成為美國3D Systems掌握的技術(shù)壁壘，該技術(shù)可以制造具有精確細(xì)節(jié)的組件。英國雷尼紹PLC公司在材料應(yīng)用的靈活性和更換的方便性等技術(shù)特性方面處于領(lǐng)先地位。美國EFESTO公司的LDED設(shè)備具有制造大型LAM金屬部件的技術(shù)優(yōu)勢。它的打印尺寸可達(dá)2100mm×1500mm×1500mm。美國Optomec公司開發(fā)的LDED設(shè)備，配備5軸移動工作臺和1500mm×900mm×900mm工作室，最高成形速度可達(dá)1.5kg/h。德國企業(yè)提供的一體化激光加工系統(tǒng)也是主流的LDED設(shè)備。

另外，混合增材/減材制造設(shè)備近年來已成為全球市場熱點(diǎn)。德馬吉森精機(jī)公司開發(fā)的LDED設(shè)備配備2kW激光設(shè)備和5軸CNC銑床，比傳統(tǒng)粉末床快了近20倍，并且能夠在制造過程中銑削原先成品中無法到達(dá)的位置部分。日本MAZAK公司引進(jìn)了具備5軸車銑復(fù)合加工能力的設(shè)備，可應(yīng)用于多邊形鍛件或鑄件、旋轉(zhuǎn)件、復(fù)雜異形件等零部件的制造。

國內(nèi)對LPBF的研究起步較晚，20世紀(jì)90年代初。西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京龍?jiān)垂驹诔尚卧O(shè)備、典型軟件、材料等方面取得了重大進(jìn)展。隨后，國內(nèi)多所高校和研究機(jī)構(gòu)，如西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)等單位開展了相關(guān)研究，從事鈦合金、鋁合金等輕合金的LPBF研究。因此，國內(nèi)金屬3D打印LDED和LPBF設(shè)備的研發(fā)能力比較強(qiáng)，具有一定的市場應(yīng)用份額。南京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開發(fā)了高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、近凈成形、形狀和性能可控的鈦基金屬元件。西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在航空領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芙饘俚脑霾闹圃旃に囘M(jìn)行了深入研究，并成功修復(fù)了航空發(fā)動機(jī)葉片，開發(fā)了部分金屬零件。北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)長期致力于大型鈦合金結(jié)構(gòu)的激光直接制造工藝、內(nèi)部質(zhì)量控制及應(yīng)用研究，高性能金屬構(gòu)件制造工藝已成功應(yīng)用于研制了多種國產(chǎn)大飛機(jī)。西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)對鈦合金激光增材制造工藝進(jìn)行了深入研究?；诜勰┚劢箍刂啤⒔M合掃描模式、逐層功率控制等成形工藝基礎(chǔ)，成形出復(fù)雜的鈦合金整體渦輪葉片樣品。華南理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)專注于LPBF設(shè)備的研發(fā)，先后開發(fā)了DiMetal-240、DiMetal-280、DiMetal-100等型號的LPBF設(shè)備。西安博萊特激光成型技術(shù)有限公司（以下簡稱西安博萊特）自主研發(fā)了LPBF系列設(shè)備和激光高性能修復(fù)系列設(shè)備。南京中科宇辰激光科技有限公司研發(fā)了自動變焦同軸送粉嘴、遠(yuǎn)距離送粉機(jī)、高效惰性氣體循環(huán)凈化箱等核心裝置，生產(chǎn)了一系列金屬LDED設(shè)備。此外，北京億嘉3D科技有限公司和北京星航機(jī)電設(shè)備有限公司（以下簡稱北京星航）在工業(yè)和小型金屬LPBF設(shè)備的小批量生產(chǎn)方面也取得了一定的進(jìn)展。上海航天裝備制造廠有限公司（以下簡稱上海航天）在標(biāo)準(zhǔn)、大型LPBF設(shè)備和機(jī)器人LDED設(shè)備研制方面取得了較好的進(jìn)展。

5 金屬激光增材制造應(yīng)用

激光增材制造（LAM）技術(shù)可幫助航空航天公司在無需成形和鍛造的情況下制造極其復(fù)雜的零件，縮短生產(chǎn)周期，減少部件重量和設(shè)備所需的零件數(shù)量，從而節(jié)省成本并提高可靠性，例如，鈦合金的LAM已在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用。美國某艦載戰(zhàn)斗機(jī)率先采用LDED鈦合金部件作為承重部件。Carpenter Technology公司通過增材制造使用定制的高強(qiáng)度不銹鋼生產(chǎn)先進(jìn)的航空齒輪。用LDED制造的耐腐蝕支架用于 F-22飛機(jī)，大大減少了維護(hù)時間。另外，LDED整體框架已在英國成功應(yīng)用于無人機(jī)。

同樣，LPBF技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜零件的制造。GE率先將LPBF溫度傳感器外殼應(yīng)用于高壓壓縮機(jī)，獲得美國聯(lián)邦航空管理局的批準(zhǔn)，并已用于400多臺 GE90-40B 航空發(fā)動機(jī)。GE為 LEAP 航空發(fā)動機(jī)設(shè)計的燃料噴嘴也使用LPBF技術(shù)制造，并且在2020年以后，以每年44萬個的速度制造。普惠（Pratt & Whitney）集團(tuán)使用LPBF生產(chǎn)了用于PW1100G-JM航空發(fā)動機(jī)的管鏡套筒。包含48個翼型導(dǎo)葉的LPBF鈦合金前軸承組件已用于勞斯萊斯公司（Rolls-Royce）設(shè)計的遄達(dá)XWB-97航空發(fā)動機(jī)。西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)是我國在航空制造領(lǐng)域研究增材制造技術(shù)最具代表性的單位。西北工業(yè)大學(xué)完成了飛機(jī)用超大型鈦合金法蘭的LDED制造，在成形精度和變形控制方面達(dá)到了新的門檻。2016年，西北工業(yè)大學(xué)和中國航天科工集團(tuán)31院在渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的SLM應(yīng)用取得突破，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子零件的LPBF，這是國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)LPBF成形轉(zhuǎn)子零件的工藝。北京航空航天大學(xué)開發(fā)了大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的LDED內(nèi)部缺陷和質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)。沈陽航空航天大學(xué)提出了區(qū)域掃描成形方法，利用LDED工藝可以有效控制零件的變形和開裂。格瑞瑪特工程技術(shù)研究院突破了TC11、TA15/Ti2AlNb異質(zhì)材料界面質(zhì)量控制和葉盤與入口復(fù)雜形狀綜合控制等難題，產(chǎn)品通過了測試評估。

2012年，LAM 技術(shù)開始應(yīng)用于航天器制造。NASA 使用LPBF生產(chǎn)的彎曲接頭已應(yīng)用于 RS-25 火箭發(fā)動機(jī)，從而減少了約 60% 的零件數(shù)量、焊縫和機(jī)加工工作。與傳統(tǒng)制造工藝相比，設(shè)計制造一體化的氫氧火箭發(fā)動機(jī)零部件數(shù)量減少80%。法國Thales公司采用LPBF技術(shù)為Koreasat5A和Koreasat7通信衛(wèi)星制造TT&C天線支撐元件，與傳統(tǒng)工藝相比，重量減輕了22%，成本降低了30%。

LAM的推廣應(yīng)用加快了航天飛行器的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于采用了LAM的集成制造，Astrium公司的Eurostar E3000衛(wèi)星平臺遙測遙控天線的鋁合金安裝支架整體質(zhì)量減輕了約35%，結(jié)構(gòu)剛度提高了40%。Cobra Aero 公司與 Renishaw PLC 公司合作，利用 LAM 技術(shù)完成了具有復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)集成部件的制造。此外，還應(yīng)用了混合增材/減材制造技術(shù)。維珍軌道公司（Virgin Orbit）使用混合增材/減材制造技術(shù)制造和改進(jìn)了火箭發(fā)動機(jī)燃燒室的部件，并在2019年進(jìn)行了24次發(fā)動機(jī)測試。

國內(nèi)金屬LAM應(yīng)用LDED主要用于制造承重結(jié)構(gòu)。北京航空航天大學(xué)生產(chǎn)的主承重框架、主起落架等部件已應(yīng)用于航天飛行器、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)等設(shè)備。航空工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究院通過工程應(yīng)用驗(yàn)證，推動LDED技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)了8類金屬材料、10類結(jié)構(gòu)件的飛機(jī)應(yīng)用。航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院實(shí)現(xiàn)了LDED外主襟翼滑輪架和尾舵臂在大型飛機(jī)上的安裝應(yīng)用。北京機(jī)電研究所已實(shí)現(xiàn)大型薄壁骨架艙結(jié)構(gòu)的LDED制造及應(yīng)用。

國內(nèi)金屬LAM應(yīng)用LPBF主要用于制造形狀復(fù)雜的零件。在航空領(lǐng)域，中國航空制造技術(shù)研究院實(shí)現(xiàn)了LPBF產(chǎn)品的安裝應(yīng)用，成都航空工業(yè)飛行器設(shè)計研究院輔助使用了帶孔格結(jié)構(gòu)的LPBF進(jìn)風(fēng)門和出氣門電源室。航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計研究院實(shí)現(xiàn)了SLM部件在通風(fēng)格柵結(jié)構(gòu)、防雨密封結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣道多腔結(jié)構(gòu)等方面的安裝應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，上海航天的LPBF產(chǎn)品罐體間斷支架、空間散熱器、導(dǎo)向裝置等已安裝應(yīng)用。北京星航的客艙結(jié)構(gòu)、操縱面等LPBF產(chǎn)品通過地面和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。北京機(jī)電研究所實(shí)現(xiàn)小型復(fù)雜零件LPBF，控制面、支架等產(chǎn)品技術(shù)成熟度達(dá)到5級。將LPBF應(yīng)用于制造大尺寸薄壁鈦合金晶格夾層結(jié)構(gòu)（集熱窗框），可滿足深空探測飛行器嚴(yán)格的技術(shù)要求。此外，西安博萊特每年可為航空航天領(lǐng)域提供8000多個SLM零件。華中科技大學(xué)利用增材/減材組合制造制造了具有隨形冷卻通道的梯度材料模具，這種方式制造的模具已在行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。中航北京航空材料研究所已完成對LAM技術(shù)的綜合研究。LDED制造的鎳基雙合金渦輪葉盤已通過超旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)檢驗(yàn)，增材制造修復(fù)的IL-76飛機(jī)起落架已批量應(yīng)用。開發(fā)了LAM超聲掃描評價系統(tǒng)，建立了檢測標(biāo)準(zhǔn)和參考塊。評價結(jié)果和無損檢測技術(shù)已應(yīng)用于飛機(jī)滑輪架、框架等要安裝在飛機(jī)上的部件的批量檢測。

在LPBF方面，國內(nèi)在形狀尺寸、表面粗糙度精確控制等方面取得了進(jìn)展。西安博萊特SLM加工的內(nèi)通道零件最小直徑約0.3mm，薄壁零件最小壁厚約0.2mm；零件整體尺寸精度為±0.2mm，表面粗糙度Ra≤3.2μm。南京航空航天大學(xué)將LPBF精密制造視為通過過程控制提高零件綜合性能的主要因素。西安交通大學(xué)已將LPBF應(yīng)用于空心渦輪葉片、航空推進(jìn)器、汽車零部件等制造。

LAM技術(shù)在國內(nèi)醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代后期，最初主要用于快速制造3D醫(yī)療模型。近年來，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和精準(zhǔn)化、個性化醫(yī)療需求的增長。增材制造的生物材料，如316L不銹鋼、Ti6Al4V和CoCr廣泛用于臨床實(shí)踐。LPBF在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用不斷增長，并逐漸用于直接制造骨科植入物、定制假體和假體。國內(nèi)也有一些企業(yè)在生物醫(yī)學(xué)的LPBF方面進(jìn)行了研究和探索，如常州沃森醫(yī)療器械、創(chuàng)生醫(yī)療器械、廣州麥普林及深圳康泰健等企業(yè)。常州沃森醫(yī)療器械針對不同地區(qū)（尤其是針對我們亞洲人體）開發(fā)了全系列的骨科產(chǎn)品。包括脊柱系列、創(chuàng)傷系列（不銹鋼及鈦合金鋼板系列、接骨螺釘系列及髓內(nèi)釘系列）、新型鎖定鋼板系列、人工關(guān)節(jié)及假體系列骨科產(chǎn)品。

東莞EONTEC致力于開發(fā)可降解鎂合金骨科植入物產(chǎn)品，有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)可降解鎂合金的臨床應(yīng)用。可降解鎂合金被認(rèn)為是新一代生物醫(yī)用材料，與傳統(tǒng)材料相比具有諸多優(yōu)勢，符合生物醫(yī)用材料的發(fā)展趨勢，可用于開發(fā)具有獨(dú)特性能的新型醫(yī)療器械。其臨床應(yīng)用將成為生物醫(yī)用材料發(fā)展的里程碑。

LAM技術(shù)在模具中也得到越來越多的應(yīng)用。從全球來看，模具生產(chǎn)主要集中在中國、日本、美國和德國。目前，LPBF技術(shù)在模具領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在帶冷卻通道的高端金屬模具的生產(chǎn)上，可提高高端模具的制造能力。東江模具、東莞瑞泰、深圳陽光、上海瑞斯模激光等中國公司已經(jīng)將LPBF技術(shù)成熟地應(yīng)用于模具制造。如東江模具采用LPBF工藝在模具內(nèi)制造隨形水路，大大提高了模具冷卻效率。注入周期提高21.7%，注入成本降低11萬元，月經(jīng)濟(jì)效益增加9.4萬元。上海UREAL 3D科技研發(fā)的波輪洗衣機(jī)模具通過水路平衡分布的設(shè)計，提供優(yōu)越的冷卻一致性，保證產(chǎn)品收縮均勻，提高產(chǎn)品質(zhì)量。內(nèi)部高效隨形水路不受形狀限制，完全貼附在模具表面，大幅提高模具冷卻效率，減少因模具溫度不均造成的變形。

LAM技術(shù)除了在生物醫(yī)藥、模具制造、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用外，在珠寶首飾、汽車、家電、文化創(chuàng)意、創(chuàng)新教育等領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢也在不斷深化。未來，珠寶的個性化和定制化將進(jìn)一步發(fā)展，為消費(fèi)者帶來更多選擇，以及在文化創(chuàng)意和創(chuàng)新教育領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)和裝備開發(fā)都要以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為導(dǎo)向，以產(chǎn)業(yè)鏈整合提升市場競爭力。作為技術(shù)發(fā)展的主體和最大受益者，應(yīng)用企業(yè)更加關(guān)注產(chǎn)品的制造質(zhì)量和生產(chǎn)成本。因此，在應(yīng)用企業(yè)中整合材料、工藝、設(shè)備、驗(yàn)證、標(biāo)準(zhǔn)和人員培訓(xùn)將更有效率，以促進(jìn)LAM技術(shù)的發(fā)展。 GE收購了一系列制造質(zhì)量控制公司和增材制造設(shè)備公司以加強(qiáng)LAM產(chǎn)業(yè)鏈的完整性，在全球LAM行業(yè)應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。產(chǎn)業(yè)整合戰(zhàn)略大大地促成其領(lǐng)先地位。此外，GE 在全球擁有300多個工業(yè)制造設(shè)施?？鐕靖又匾昄AM產(chǎn)品制造的員工培訓(xùn)，如GE建立了配備專用設(shè)備的增材制造培訓(xùn)中心，每年可培訓(xùn)數(shù)百名工程師。

6 國內(nèi)金屬激光增材制造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

6.1 打印材料的設(shè)計和制備

材料基因組學(xué)技術(shù)（Material Genomics Technology）可以用來縮短打印材料的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，在國外已成功將其應(yīng)用于相關(guān)打印材料的設(shè)計。國內(nèi)材料基因組學(xué)技術(shù)及其在改善LAM特種材料性能方面的應(yīng)用研究相對較少，因此LAM專用材料設(shè)計理論和方法還比較薄弱。在粉末制備方面，國內(nèi)真空氬霧化技術(shù)比較成熟，不銹鋼和鎳基合金粉末的性能基本可以滿足成形工藝的要求。但由于鈦合金和鋁合金超細(xì)粉體的制備存在較大差距，主要問題是粉體球形度差，細(xì)粉成品率低，不能滿足LPBF的成形要求，因此許多實(shí)際應(yīng)用仍然依賴進(jìn)口。但是這種狀況正在逐步改善。

6.2 打印設(shè)備的設(shè)計和制造

打印設(shè)備是我國與歐美LAM技術(shù)強(qiáng)國的主要差距之一。國產(chǎn)設(shè)備的加工尺寸、穩(wěn)定性、加工精度，以及處理器、存儲器、工業(yè)控制器、高精度傳感器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等基礎(chǔ)器件的質(zhì)量和性能有待提高。工藝裝備核心裝置和關(guān)鍵部件，如高光束質(zhì)量激光器、光束整形系統(tǒng)、大功率激光掃描振鏡、動態(tài)聚焦透鏡等精密光學(xué)器件及高精度噴嘴加工頭等核心零部件方面缺乏自主研發(fā)能力。國內(nèi)粉體流動狀態(tài)和熔池狀態(tài)的過程監(jiān)控控制軟件還不夠完善。與材料研發(fā)一樣，這種狀況也正在逐步改善。

6.3 打印工藝研究不足

目前，在打印工藝研究中，尚未建立應(yīng)力變形、開裂控制等有效方法；零件內(nèi)部顯微組織和缺陷問題沒有得到很好地解決，零件力學(xué)性能的均勻性和批次穩(wěn)定性均欠佳。尤其是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)和高速飛行器超高溫結(jié)構(gòu)材料的LAM工藝研究更欠缺。同時在數(shù)據(jù)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、工藝庫、工藝分析與智能規(guī)劃等軟件技術(shù)、在線檢測與監(jiān)控系統(tǒng)、成形工藝自適應(yīng)智能控制、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LAM核心配套軟件系統(tǒng)等方面均有不足。

6.4 打印產(chǎn)品的尺寸精度和表面粗糙度

國內(nèi)LAM技術(shù)對主要材料典型結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和形狀的控制還不成熟，它涉及到原材料控制、工藝設(shè)備、成形工藝、熱處理、機(jī)加工、表面處理、非破壞性測試和驗(yàn)證測試等。LDED打印的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件一般都有加工余量，因此尺寸精度和表面粗糙度不一定是關(guān)鍵的約束。但是，渦輪發(fā)動機(jī)的大部分部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有內(nèi)部流動通道和空腔。LPBF打印的尺寸精度約為0.1mm，表面粗糙度約為Ra6.3μm，說明LPBF與精密鑄造之間仍有差距。另外，還有零件均勻性和批量穩(wěn)定性，以及內(nèi)表面加工和加工速度等技術(shù)問題尚待解決。

6.5 技術(shù)人員匱乏

LAM產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，需要從材料、工藝、設(shè)備、測試、標(biāo)準(zhǔn)及人員培訓(xùn)等全產(chǎn)業(yè)鏈的整合。但是，目前高等院校和職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)立LAM相關(guān)專業(yè)和課程的甚少，為國內(nèi)眾多行業(yè)的設(shè)計師、技術(shù)人員、設(shè)備操作人員提供LAM專項(xiàng)培訓(xùn)的培訓(xùn)中心也屈指可數(shù)，造成從事LAM的技術(shù)人員匱乏，極大地影響了增材制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

6.6 金屬激光增材制造的標(biāo)準(zhǔn)和指南的制定

國內(nèi)3D打印行業(yè)缺乏控制質(zhì)量的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，這也因此導(dǎo)致沒有被行業(yè)內(nèi)接受的統(tǒng)一的設(shè)計、材料、工藝、檢驗(yàn)、微觀結(jié)構(gòu)，以及產(chǎn)品的性能、尺寸精度等方面的標(biāo)準(zhǔn)。由于缺乏一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如零部件的無損檢測、力學(xué)性能、冶金圖譜等，所以導(dǎo)致產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)難以制定，進(jìn)而也大大影響了金屬LAM的工業(yè)應(yīng)用和推廣。

7 國外金屬激光增材制造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

雖然激光3D打印或增材制造已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，但是無論是技術(shù)方面還是經(jīng)濟(jì)方面，它還面臨著許多挑戰(zhàn)。以航空航天工業(yè)為例，眾所周知，激光增材制造正在改變航空航天工業(yè)的所有領(lǐng)域，包括商用和軍用飛機(jī)、太空應(yīng)用以及導(dǎo)彈衛(wèi)星系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)變是由于LAM 具有獨(dú)特的能力來生產(chǎn)這些領(lǐng)域所需要的相當(dāng)復(fù)雜的零件，同時幫助降低制造成本（即減少材料浪費(fèi)、無需零件組裝以及減少對工具和固定裝置的需求），縮短周轉(zhuǎn)時間以及以小批量生產(chǎn)制造零件等優(yōu)勢。LAM具有制造任何形狀設(shè)計的能力，使其非常適合航空航天業(yè)。對于金屬部件，航空航天應(yīng)用中的主要增材制造技術(shù)是定向能量沉積和粉末床熔合。然而, 由于對尺寸、微觀結(jié)構(gòu)、潛在缺陷、表面粗糙度和殘余應(yīng)力控制不足，因而導(dǎo)致零件質(zhì)量和力學(xué)性能的變化可能會導(dǎo)致阻礙LAM零件在高價值或關(guān)鍵部件中的使用。為了確保LAM零件的質(zhì)量和一致性，并使其被更廣泛的使用，LAM的硬件需要強(qiáng)大的質(zhì)量管控和資格認(rèn)證（Q&C）程序。不幸的是，具有高質(zhì)量的Q&C程序文件并不存在，這迫使航空航天公司去建立自己的質(zhì)量管控和資格認(rèn)證程序。此外，監(jiān)管機(jī)構(gòu)對零件和系統(tǒng)認(rèn)證的要求和解釋仍在不斷發(fā)展之中。控制零件質(zhì)量、尺寸和力學(xué)性能的這些挑戰(zhàn)在其他行業(yè)的金屬激光增材制造應(yīng)用中也很常見，因此它們具有一定的共性。

其他常見的挑戰(zhàn)包括以下幾個方面。

（1）生產(chǎn)速度慢 目前，許多工業(yè)3D打印機(jī)在速度和效率方面仍然落后于傳統(tǒng)機(jī)械化設(shè)備。這成為LAM被廣泛應(yīng)用的障礙，尤其是在汽車和消費(fèi)品等由大規(guī)模批量生產(chǎn)驅(qū)動的行業(yè)中。在這些行業(yè)中，需要在盡可能短的時間內(nèi)制造和交付產(chǎn)品，以保持生產(chǎn)效率。

（2）打印成本高 多年來，傳統(tǒng)制造已成為一種精致且極其高效的工藝。在未來幾年內(nèi)，3D 打印由于其流程不夠完善和精簡，所以成本可能相對昂貴。例如，大公司所需的金屬打印機(jī)需要花費(fèi)數(shù)萬至數(shù)十萬美元。由于3D打印所需的時間取決于需要打印的層數(shù)以及打印機(jī)本身的速度，因此打印速度慢意味著打印成本高。即使是最好的3D打印機(jī)，每小時也只能打印 5～60cm。

（3）有限的打印材料和打印材料特性的不一致 與經(jīng)歷了數(shù)百年材料開發(fā)的傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印自身的材料開發(fā)才剛剛開始，雖然3D打印可以使用多種塑料和金屬制造物品，但可用的原材料選擇并不詳盡，這是因?yàn)椴⒎撬薪饘倩蛩芰隙伎梢钥刂频阶阋赃M(jìn)行3D打印的溫度。此外，由于目前該行業(yè)缺乏具有經(jīng)過驗(yàn)證的打印參數(shù)和定義規(guī)格的可靠材料數(shù)據(jù)庫，因此實(shí)現(xiàn)一致且可重復(fù)的3D打印過程變得具有挑戰(zhàn)性。

（4）缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 3D打印的主要問題之一是機(jī)器缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，以及產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化。打印技術(shù)缺乏通用標(biāo)準(zhǔn)——許多制造商擔(dān)心他們通過3D打印生產(chǎn)的產(chǎn)品在質(zhì)量、強(qiáng)度和可靠性方面沒法與其他制造方法相當(dāng)。因此，他們?nèi)匀粚?D打印技術(shù)持保留態(tài)度，認(rèn)為所涉及的風(fēng)險太大從而無法獲得收益。最近，人們希望通過推動增材制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化來結(jié)束這種不確定性。

（5）軟件的挑戰(zhàn) 設(shè)計和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備仍然是這個行業(yè)的瓶頸。目前LAM機(jī)器仍然需要通過多個軟件解決方案來分別傳輸LAM設(shè)計數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致設(shè)計過程耗時且容易出錯。盡管在增材制造設(shè)計和打印準(zhǔn)備方面取得了很大進(jìn)展，但仍有發(fā)展空間。讓設(shè)計人員能夠在CAD環(huán)境中修改3D模型并快速迭代它們而無需繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這將是讓設(shè)計和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備挑戰(zhàn)成為過去的關(guān)鍵。

（6）打印后期處理 大多數(shù)3D打印部件需要某種形式的打印后期處理或清理，以從構(gòu)建中去除支撐材料并平滑表面以達(dá)到所需的表面質(zhì)量。所需的后期處理量至少取決于以下因素：生產(chǎn)零件的尺寸、預(yù)期的應(yīng)用和用于生產(chǎn)的3D打印技術(shù)的類型。

（7）版權(quán)問題 隨著3D打印變得越來越流行和易于使用，人們制造假冒偽劣產(chǎn)品的可能性越來越大，幾乎不可能區(qū)分它們，這就造成了版權(quán)和質(zhì)量控制方面的問題。

（8）勞動力挑戰(zhàn) 目前沒有足夠多的工程師、經(jīng)理和高管真正了解3D打印技術(shù)，這致使他們在制定戰(zhàn)略時不明白3D打印技術(shù)能給他帶來什么或能做什么，結(jié)果，本該從該技術(shù)中受益的企業(yè)卻不愿意采用它，因?yàn)樗麄內(nèi)狈?D打印技術(shù)能力的透徹了解，而無法做出相應(yīng)的采用3D打印的商業(yè)案例。

（9）脫節(jié)的行業(yè)生態(tài)系統(tǒng) 整個增材制造生態(tài)系統(tǒng)目前是支離破碎的，為了使增材制造工藝在工業(yè)層面上規(guī)?；?，增材制造價值鏈——從產(chǎn)品的概念到生產(chǎn)和后期處理，需要進(jìn)行整合。目前，市場上充斥著許多不同的解決方案，希望采用增材制造技術(shù)的公司面臨著購買不同解決方案并試圖讓它們協(xié)同工作，這種增材制造價值鏈中缺乏整合，還會導(dǎo)致工作流程效率低下。而在理想情況下，這些解決方案完全可以集成在一起，以創(chuàng)建一攬子解決問題的產(chǎn)品，從而簡化采用增材制造技術(shù)的要求。

8 展望和總結(jié)

激光3D打印或增材制造是一種創(chuàng)新工藝，它的誕生和成熟說明了制造領(lǐng)域正在取得新的革命性的技術(shù)進(jìn)步。這項(xiàng)技術(shù)的主要驅(qū)動力來源于它所固有的設(shè)計靈活性和自由度，而目前傳統(tǒng)制造技術(shù)不容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然而，增材制造也確實(shí)給我們帶來了新的挑戰(zhàn)，要實(shí)現(xiàn)打印所需的完美產(chǎn)品，需要人們繼續(xù)對打印材料和制造過程本身進(jìn)行更加深入和全面的研究和開發(fā)[4]。

激光3D打印正呈現(xiàn)技術(shù)成熟階段。我們可以看到新的激光3D打印方法、新開發(fā)的激光光源、新的打印監(jiān)控技術(shù)，新材料的開發(fā)，包括金屬合金，特別是難熔合金和高反射金屬、玻璃、聚合物復(fù)合材料和陶瓷，正在不斷涌現(xiàn)。

在新激光光源中，綠光或紫外激光由于其較短波長，可以使銅、鋁、金、銀、鉑和銥等高反射材料的激光打印更加有效和高效。超快激光以及包括激光功率、掃描速度、孵化空間、層厚度和圖案化策略在內(nèi)的工藝參數(shù)優(yōu)化，可以制作包括耐火材料在內(nèi)的各種材料的高密度樣品。耐火合金具有非凡的耐熱性和耐磨性以及卓越的耐用性，通常是航天器、導(dǎo)彈和高超音速飛行器等極端環(huán)境應(yīng)用的理想材料。由于與復(fù)雜形狀的制造相關(guān)的困難和高成本，即使在最苛刻的應(yīng)用中，它們的使用也受到了阻礙。另一方面，增材制造或激光3D打印展示了傳統(tǒng)制造工藝無法實(shí)現(xiàn)的卓越形狀生產(chǎn)能力。難熔金屬合金的3D打?。ㄒ妶D10），可以大大提升零件的極端環(huán)境性能，同時降低成本。玻璃的3D打印技術(shù)為具有非常規(guī)結(jié)構(gòu)和定制成分的新型玻璃結(jié)構(gòu)打開了大門。LAM在空間系統(tǒng)和空間制造中的應(yīng)用，以及在衛(wèi)星制造中的應(yīng)用，也成為近年來發(fā)展的亮點(diǎn)之一。作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，盡管過去40年通過開發(fā)更好更快的系統(tǒng)、更多的材料、更多解決方案和標(biāo)準(zhǔn)列表而取得了巨大的飛躍，激光3D打印或增材制造仍然面臨許多挑戰(zhàn)。新一代增材制造專業(yè)人士正在成長起來，他們?yōu)閯?chuàng)建全面的增材制造解決方案，正在尋找合作伙伴，以進(jìn)行行業(yè)內(nèi)的整合。這是一個年輕富有朝氣和不斷發(fā)展的行業(yè)，在今后十年將繼續(xù)快速發(fā)展和演變，未來可期！

圖10 難熔金屬合金的增材制造