金屬增材制造技術研究與應用現狀及趨勢

程俊廷，常天瑞

（黑龍江科技大學機械工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

增材制造技術（又稱3D打印技術）是20世紀80年代提出的一種離散層疊加工技術，是“中國制造2025”戰略中最主要的支撐技術之一。金屬增材制造是增材制造技術的重要組成部分，是通過原材料能夠直接成形為產品的一種技術手段。首先采用三維CAD軟件設計出物體的三維模型，再使用切片軟件把所設計的物體按照預定的加工參數進行切片，最后通過計算機控制每一層和每一片來實現無縫連接，真正實現所謂的無模具、無夾具加工。金屬增材制造技術現已用于眾多領域，如航空航天、船舶、醫療器械、汽車等高精尖行業領域。金屬增材制造技術主要有電子束選區熔化技術（Electron Beam Selective, EBSM）、選區激光熔化技術（Selective Laser Melting, SLM）、激光近凈成形技術（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、電弧絲材3D打印技術、低熔點合金油墨3D打印技術等。

1 金屬增材制造技術的研究與應用現狀

金屬增材制造技術起源于20世紀80年代后期的美國，隨后傳入了日本和歐洲，并于20世紀90年代傳入我國。經過20多年的發展，我國取得了突破性發展。據統計，2015年全球金屬增材制造同比增長35%，2016年我國金屬增材制造同比增長17%。歐美在金屬增材制造領域一直處于世界領先地位，而我國還處于跟隨階段。

我國現有的多支金屬增材制造技術的研究團隊。其中華南理工大學、南京航空航天大學、中北大學和華中科技大學主要從事SLM技術的研究，清華大學主要從事EBSM技術的研究，而西北工業大學主要從事LENS技術的研究。在金屬增材制造裝備領域，華中科技大學先后提出了2套SLM技術的設備，特別是在張海鷗教授的領導下，研發出了“智能微鍛造”的3D打印機，使增材制造技術邁上一個新臺階，華南理工大學也先后推出了3款自主研發的機型。另外西安鉑力特、湖南華曙高科、廣東漢邦激光等公司也逐漸開發出成熟的SLM設備并完成商業化。

1.1 SLM技術

選區激光熔化技術(SLM)最早由德國Fraunhofer研究所在1995年提出，2003年英國MCP公司研制出世界第1臺SLM打印機。該技術是通過鋪粉輥把金屬粉末鋪在粉床上，然后激光通過電腦的控制，按照規劃好的軌跡，選擇性地使金屬粉末熔化凝固成所需物體。如圖1。

圖1 SLM成形原理圖

SLM成形不受所打印零件的形狀和尺寸的約束，每層金屬銜接好，成品質量高于同等材料的鑄造件，而且越來越受到國內外生產制造商的青睞。通過多年的發展，SLM激光束光斑直徑可以聚焦到0.1～0.5mm，致密度接近100%，其性能達到鍛件的程度，尺寸精度達到 10～50μm，表面粗糙度達到 20～30μm。在國內，華中科技大學、華南理工大學、南京航空航天大學和中北大學的設備硬件部分已達到國際先進水平。

1.2 EBSM技術

EBSM技術統稱為鋪粉電子束選區熔化技術。與SLM技術相比，主要是熱源不同，它的熱源為電子。不同于激光，電子是一種看不見、跑不快、有質量、有電荷的粒子，而激光中的光子是一種看得見、跑的快、沒質量、沒電荷的粒子，這也就是這兩種技術的區別。因此，EBSM技術具有打印速度更快、效率更高，可以打印難熔金屬等優點。如圖2。

圖2 EBSM系統工作成型原理圖

該項技術的核心一直掌握在外國人的手里，像Arcam AB公司可通過該技術為病人量身定做可植入人體的關節等。國內清華大學機械學院對該技術進行了深入研究，并且已實現市場化。

1.3 LENS技術

LENS是一種被稱為航空航天修復神器的技術，該技術是以激光為熱源，材料以粉末或絲狀直接送入高熔區進行層疊加工的方法。該技術只能制造毛坯，要想得到更高精度的物體，只能通過后期處理。該技術與SLM技術相比，就在于送料的方式不同，一個是事先鋪好，一個是直接送過去，如圖3。

圖3 LENS系統同軸傳粉器結構示意圖

美國公司Optomec采用該技術生產出了高性能的金屬部件。該技術能利用激光的高能，在瞬間將材料變成凝結層，使打印出的物體在微觀組織上達到無雜質、無氣泡、無凹陷、無裂縫，致密程度達到接近100%，力學性能優于同等鍛造件。

1.4 新技術

目前出現了很多新的金屬增材制造技術，比如Arconic公司提出的液體石墨3D打印、大阪鈦業推出的新型金屬3D打印、ORNL開發的強大的永磁性能的3D打印、電弧絲材3D打印、俄羅斯鋁業聯合Sauer開發的新型鋁金屬3D打印等。

2 存在的問題

介紹的上述技術，都是材料的熔化凝結過程。因此在此過程中，微觀結構上材料熔化會發生流淌,勢必會對加工精度造成影響，而且材料內部的金相組織是否符合要求，都是金屬增材制造技術所面臨的問題。另外，打印物體表面也無法達到傳統加工粗糙度的要求。目前存在的主要問題包括如下。

（1）加工物件力學性能不足。3D打印機是將分子等細小顆粒直接形成產品，沒有經過熱處理，所以很難保證其強度、硬度和韌性等性能。

（2）打印尺寸的限制。現已知金屬3D打印機的打印范圍，很難滿足在建筑等大型工業生產中的應用。

（3）加工材料的限制。世界上有成千上萬種的材料，但可用于3D打印的材料很少。目前以色列object公司可以3D打印的材料最多，包括14種材料和107種混合材料，而且部分還不能用于工業生產。

（4）嚴重缺乏專業人才。目前缺乏增材制造專門人才的培養機制與體制，因此市場上增材制造技術的專門人才嚴重缺乏，而同時熟悉模具加工等技術的復合型應用人才就更加有限。

3 結語

目前，金屬增材制造技術作為世界上先進的制造技術之一，各國都在加大研發力度，均想拔得頭籌或分到第一杯羹。我國應該繼續加大投入力度，不論該技術是作為新的技術革命，還是傳統技術的補充，都應大力支持，攻克難關。在未來應從以下幾方面推進。

（1）增材制造技術與傳統的制造技術相融合。現階段金屬增材制造技術發展迅速，但在與傳統技術的結合上仍有所脫節，沒能實現與傳統工業的良好銜接。

（2）高性價比產品的生產。目前的金屬增材制造產品，在一定程度上還沒有達到預期的產品質量，而且成本較高，生產的產品不能真正得到實際應用。

（3）打印產品的尺寸大小問題。增材制造技術成熟之后，生產的產品大小應該不受尺寸的限制，才能實現自由化定制。

因此，若能達到上述要求，未來的金屬增材制造技術必定能起到促進社會發展的積極作用。