金屬3D 打印技術研究現狀及其趨勢

武王凱，周琦琛，費宇寧，李茜，計元元，尹芳，馬正陽

（中國石油大學（華東），山東 青島 266580）

3D打印技術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，這種技術充分發揮了計算機成型軟件的優勢，先建立一個三維模型后，再運用切片軟件逐層切片三維模型，最后由3D打印設備分析零件模型特征后，自下向上逐層堆積實體零件即可獲得所需的零件實體。這一技術不需要刀具模具就能夠完成各種復雜零件的制造，有效簡化了制造工序，提升了加工效率。目前廣泛應用于航空航天、工業制造、生物醫療、藝術修復、影視模型、日常生活消費品設計等各個方面。目前，3D打印不僅能夠打印塑料類、尼龍類、石蠟類低熔點材料，還能夠將一些金屬粉末直接成型，包括不銹鋼和陶瓷等高熔點材料的直接成型。金屬3D打印也是目前發展潛力與前景最為廣闊的一種技術。

1 金屬3D打印技術研究現狀

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

1.1 SLS

SLS主要是以冶金機制為基本原理，通過液相燒結使零件成形，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行重排粘接，進而使粉末材料不斷致密化。該系統由掃描系統、激光系統、粉末壓床、鋪粉滾筒以及粉末輸送系統等組成。利用計算機三維建模軟件繪制三維實體零件模型后，以STL格式存儲模型文件，再利用切片軟件直接對該文件進行切割，使其各片層厚度具有可加工性，切割后形成的數據進入SLS系統進行后續加工。先將金屬粉末預熱，預熱后的溫度要低于燒結點溫度，一側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，利用計算機系統控制激光束按照給定功率與速度掃描第一層截面輪廓，使粉末燒結為設定厚度的實體輪廓片層，并以未燒結粉末為支撐，燒結完第一層粉末。將粉末床轉移到下一個分層，上移供粉缸，重復上述動作，上一層實體片層會與下一層自然粘接，逐層燒結即可對整個三維實體零件進行燒結。SLS技術制作時間短，能夠燒結多種金屬材料，且材料燒結利用率高，燒結成本低，工藝簡單，設計制造一體化，可以在不借助支撐結構的工作條件下直接燒結復雜結構金屬制品的技術，未被燒結的粉末就能夠直接支撐懸空部分，燒結成形精度可達到0.05～2.5mm，并且可進行個性化的批量定制，缺陷在于原材料價格高、設備成本高、成品致密度較、表面粗糙度及機械性能均較差，零件質量受制于粉末質量，成形耗量大、輔助工藝較為復雜，且零件最大尺寸限制較大。

1.2 SLM

SLM是以SLS為基礎發展而來的快速成形技術，其基本原理是通過計算機三維建模軟件建立三維實體模型后，切片分層，提取截面輪廓數據，給定工藝參數，由SLM系統根據輪廓數據完成激光掃描路徑設計工作后，利用計算機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。整個加工過程需要在惰性氣體保護下完成，因此工作室內需要有足夠比例的惰性氣體分布，使成形過程不會出現金屬氧化。SLM、SLS兩種工藝有關鍵的差異點，即SLS不會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，其優勢在于金屬零件致密度高達99%以上，機械性能可與鍛煉相當，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，無需后續處理即可成形，但其設備昂貴，工藝參數更為復雜，需要支撐結構支撐整個成形過程，制造速率也較低。

1.3 EBM

EBM增材制造技術基礎是PBF技術，加工條件要求真空環境，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，由聚集線圈與偏轉線圈兩個磁場對加熱后的鎢絲發射高速電子逐層熔化成形。電子與金屬粉末高速撞擊時，其動能就會轉換為熱能，使金屬粉末熔化。工藝步驟主要是：先把平臺預報至一定溫度，根據預設厚度在平臺上均勻鋪設金屬粉末，每層粉末由預熱與熔化兩個階段掃描成形。預熱時，將高電子束調整至高掃描速度條件下，對粉末層進行多次預熱，使其預熱溫度達到0.4～0.6Tm。熔化過程中，則是將電子調整至低掃描速度，再將電子束調節到低能量、低速度下，熔化金屬粉末，完成一層掃描，就降低一次臺面并重鋪粉末層，對新的粉末層進行預熱與熔化，重復操作即可使金屬部件完全成形。整個工藝過程均需在10-2 ～10-3 Pa真空環境下完成。這種工藝與SLM相似，區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，能夠加工難以加工的難熔材料。缺點在于加工設備與真空系統均具有很強的專用性，增加了加工成本，可加工的零件尺寸較小，加工過程中會產生強烈的X射線，必須做好防護措施，避免造成人員與環境損害。

1.4 LENS

這種技術是由美國Sandia國家實驗室首先推出的一種工藝，這種技術是結合了激光熔覆制造技術與SLS技術，既保留了SLS技術成形優勢，又解決了SLS存在的成形件致密度與機械性能較差的缺陷。該系統由激光系統、粉末輸送系統與惰性氣體保護系統組成。與SLS不同之處僅在于切片數據與掃描路徑數據輸送至LENS系統中，再由該系統根據預設數據成形即可。該工藝能夠加工的零件類型更多，零件可制造性更強，具有很高的設計自由度，因此，對于內腔復雜或懸壁結構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雜零件、模具的修復。但可能會出現零件收縮過度、粉末受熱膨脹過快的問題，容易出現粉末飛濺，不僅會浪費粉末，還可能存在一定的安全問題。

2 金屬3D打印技術發展趨勢

（1）3D打印金屬材料開發。金屬3D打印技術應用領域的不斷擴大，使金屬3D打印材料類型與形態也在不斷拓展，不僅降低了金屬3D打印成本，還提高了打印精度、強度、安全性與穩定性。但金屬3D打印材料形態要求過于嚴格，目前主要為粉末狀與絲狀，價格較為昂貴，個人需求與工業化批量生產需求較難滿足，適價材料是技術發展的開發焦點，有廣闊的選擇空間與應用擴展空間。

（2）打印機理持續拓展。目前迫切需要對并行打印、大件打印、多材料打印、連續打印等金屬3D打印機理進行深入研究，并在產品制造中廣泛應用，以此為基礎，金屬材料直接成形技術可能會成為今后的研究與應用熱點。

（3）金屬3D打印機技術快速發展。目前，金屬3D打印機主要包括桌面級與工業級，桌面級主要是打印一些教學類產品與產品精度要求較低的產品，工業級則主要運用于一些產品質量要求較高的產品生產領域。近幾年工業級3D打印機技術得到了飛速發展，桌面級正趨于飽和，而工業級則將有長足發展，以滿足智能制造和工業4.0發展的需求。目前，研發與市場上領頭級3D打印機研發制造商均將主要精力轉向工業級金屬3D打印機研發與生產。

（4）產品質量提升飛速。金屬3D打印機理、打印工藝、打印機技術的深入研究，使金屬3D打印效率顯著改善，零件實體致密度也得到了極大提升，機械性能、力學性能得以提高，表面粗糙度與其他物理性能也得到了相應改善。同時，金屬3D打印設備性能的方便性、耐用性、經濟性發展是必然的發展趨勢。

3 結語

隨著金屬3D打印在工業化領域應用要求的不斷提高，金屬3D打印技術發展前景與推廣潛力良好，一些發展瓶頸問題，也因研究的持續深入，正逐步使工藝不斷成熟化，同時，成本經濟性、工藝方便性也在逐步降低到工業生產可接受的范圍，其應用領域將得到更大拓展。