3D金屬打印技術在制造業中的研究及發展

張曉冬，劉金平，吳闖，馬明豪，廖靜瑜，陳鵬

核工業工程研究設計有限公司 北京 102401

1 序言

3D打印技術也稱增材制造技術（Additive Manufacturing，AM），在過去的幾十年中，3D打印已從快速生產功能原型進化到制造一些無法通過其他方式加工的零部件的技術手段，與其他生產制造方式相比，3D打印更便捷，更經濟。3D打印從數字繪圖開始，通過金屬逐層沉積形成三維組件。常見的增材制造方式主要包括粉末床融合技術（PBF）及直接能量沉積技術（DED），不銹鋼、鋁、鈦和鎳合金的打印就是依靠此技術實現的[1-4]。3D打印所需原料通常由激光束、電子束或電弧熔化為金屬粉末或金屬絲[1，2]。3D打印也可以通過改變不同沉積層中的金屬成分來生產由多種合金組成的金屬零部件[1]。

目前，3D金屬打印已廣泛應用于航空航天、醫療保健、能源、汽車、船舶以及其他行業[5-8]，其在各行業的分布情況如圖1所示。3D金屬打印技術能夠使用同一設備，在較短的交貨期限內，生產制造出不同的產品[2]，并且能夠按需進行定制生產，比如在醫療保健領域患者專用的醫療植入物以及用于安全運行核電站的金屬葉輪[2]。3D金屬打印技術可將多個組件整合為一個組件，在減少零件數量方面具有良好的投資回報率，并能夠維持一些供應鏈不再存在的傳統產品[5，9]。

圖1 3D金屬打印在各行業中的應用及分布

由于3D金屬打印在各行業中具有良好的可行性，能夠打印結構特殊的組件，以及具有克服當前制造工藝缺陷的潛力，因此該技術已成為目前增材制造領域增長最快的行業[10]。近年來，3D金屬打印設備銷量的快速增長情況[10]，也證明了用戶數量的增加（見圖2）。統計2019年前五年授予的專利可用數據中也可以明顯看出，3D金屬打印行業的快速發展，數據于2019年2月14日從谷歌專利處收集，如圖3所示。全球3D金屬打印專利總數與其他廣泛使用的制造工藝技術專利數量相當，表明3D打印在可預見的未來將繼續增長。

圖2 3D金屬打印設備銷量

圖3 不同制造工藝的專利數量

像所有新興技術一樣，3D金屬打印也面臨著許多挑戰。與其他相對更成熟和更常見的制造方法相比，3D打印產品目前的規模較小[11]。該技術需要進一步提高其生產率、質量控制以及可重復性[4]。3D打印技術在學術活動以及工業活動中所解決的基本原理問題或技術問題中的相關成果表明，科學論文主要來自于大學和國家實驗室，而大多數專利歸公司所有。論文主要描述其基本原理，基本上沒有經濟和技術方面的分析，對于實際應用來說往往過于抽象，而在工業上的創新大多數選擇不發表，以此來保障自身利益。3D打印行業的需求與正在進行的研究以及發展之間的鴻溝亟待解決，因此更好地理解對待科學、技術和經濟問題，便于找到潛在的解決方案。

2 科學挑戰

科學上的挑戰主要來自于3D金屬打印中存在的不同的加工條件和復雜的熱循環，以及它們對微觀結構的特征和缺陷的作用，是否會影響到部件的屬性及性能尚未可知。

2.1 工藝-微觀結構-屬性-性能之間的關系

由于3D打印工藝方法、加工參數較多，且金屬組件的結構、屬性以及性能具有多樣性，因此導致目前正在研究的商業合金的加工與微觀結構、屬性、性能之間的關系進展緩慢。需要指出的是，經過數十年的持續研究和開發，才為主要合金的焊接創建了工藝-微觀結構-性能之間的關系知識庫[12]。為了滿足增材制造行業的需求，在未來幾十年仍需對其進行類似的深入研究。

2.2 微觀結構的控制

與鑄造或鍛造材料相比，較快的冷卻速度和空間變化的溫度梯度使3D打印材料的微觀結構變得復雜[1]。打印的金屬制品通常顯示出高位錯密度、元素偏析、精細的凝固組織和細長的晶粒現象[1]。理解和控制微觀結構打印的演變過程便于定制組件的微觀結構[1，2]，以實現傳統工藝無法實現的性能組合，打印出既具有高強度又具有良好延展性的金屬制品[13]。

2.3 缺陷演化及其對性能的影響

打印部件中的缺陷源于原子到宏觀尺度[1，14]，并在很大程度上影響著部件的力學性能[14]。目前，已知的未熔合缺陷會對拉伸性能產生不利影響，高殘余應力可能導致部件的翹曲、屈曲和分層現象[9]，并對疲勞性能不利，表面不規則性可能是導致部件應力集中的原因，并且可能會使其過早失效。然而，在復雜的金屬打印熱循環過程中，缺陷的形核和增長機制尚未被完全理解，仍需深入研究，不同缺陷在晶體塑性、斷裂和疲勞中所起的作用還有待充分探討[1]。此外，由于微觀結構、應力和溫度的綜合影響，有必要提高對各種熱裂紋現象的深入研究。

2.4 凝固組織的特征

對于給定的合金，凝固形態和所產生的力學性能會受到局部溫度梯度G和凝固生長速率R的比率的影響，這取決于打印技術和工藝參數的變化。有研究表明，不同的打印工藝制造出的不銹鋼凝固組織具有驚人的差異。凝固過程中的冷卻速率取決于合金、增材制造技術和工藝條件，進而控制凝固組織的特征。例如熱輸入量，隨著熱量的輸入，冷卻速率可呈現5個數量級變化[11]。G和R的時空變化和重復的熱循環的多樣性為理解打印金屬的凝固組織的發展提出了不尋常的挑戰。

2.5 晶粒結構、拓撲和質地的演變

通常在打印部件中形成的柱狀晶粒會顯著降低其力學性能[1，15]。目前，對增材制造過程中晶粒結構和拓撲結構演變的基本了解處于初始階段，對使用晶粒細化劑[15]以及控制熱流方向[1]的柱狀晶粒分解機理的理解也才剛剛開始。在不銹鋼和鋁合金的粉末床融合-激光（PBF-L）制造中已觀察到微觀結構組織的各向異性的性質[16]。但是，這種各向異性對產品性能的影響尚不太明確，因此在這一領域需要投入更多的工作，尤其在復雜的載荷下，微觀結構的各向異性可能會對產品性能帶來重大風險[1]。

3 技術挑戰

除了前面所述的科學問題之外，金屬增材制造行業在工業中的廣泛應用也面臨著嚴峻的技術挑戰。

3.1 鑒定和認證

目前，零件鑒定主要通過試錯法來實現，這種暴力的方法阻礙了零件快速準確的鑒定。構建、分段、測試和表征組件的過程是費時、費力且成本昂貴的。與成熟的制造技術（如鑄造、機加工和焊接）相比，金屬打印主要受限于高成本和緩慢的鑒定過程，僅對于利基市場而言，高成本和緩慢鑒定過程的挑戰并不是其主要考慮因素[11]。

3.2 幾何限制和復雜性

每臺打印設備的產品尺寸，幾何形狀和原料的局限性都會影響組件的構建。粉末床融合工藝（PBF）的產品尺寸受粉末床尺寸的限制，而高沉積率的工藝則沒有此項限制，例如基于絲狀的氣體保護金屬極電弧或等離子弧的直接能量沉積工藝（DED），并且該工藝能夠形成大型結構[5，9]。這種基于絲狀的打印方法具有良好的經濟優勢，投資成本低廉，經認證的可焊焊絲原料有多個供應商，每單位體積的焊絲成本相比粉末較低。但是，該工藝在特征分辨率和表面粗糙度方面存在局限性，可能需要付出大量努力才能得到進一步的改進[2]。此外，用于打印的復雜幾何形狀的零件設計可能需要設計相應的支撐結構，而支撐結構則包括了額外的材料使用和后期的加工處理[17]。復雜的幾何形狀也對打印產品的無損評估提出了獨特的挑戰，尤其是具有內部特征和柵格結構的幾何形狀復雜零件[9]。因此，金屬打印的零件設計要充分考慮其幾何形狀、產品屬性、可制造性以及制造成本[17]。

3.3 制造規模擴大

從小型零件到大型、復雜的組件，擴大制造的規模是一項艱巨的任務[4]，因為它受相關機器零件尺寸和幾何形狀的限制。此外，相關尺寸的工藝參數調整、掃描方法及支撐結構取決于專用的打印設備和零件設計[9]。規模擴大限制了制造產量、批次的加工速度與生產率。3D打印的熱機械復雜性面臨形變、殘余應力和開裂的風險，由于在常用的機械測試中使用簡單試樣，因此這些風險并不總是顯而易見的。

3.4 工藝設計和打印順序

目前，關于實體模型在空間的構建，支撐結構的創建，特定組件過程變量的選擇以及掃描模式的取向規范都不基于任何嚴格的原則[9]。部件的幾何形狀往往需要不斷優化，便于減少支撐結構額外材料的使用[18]。盡管人工智能技術正在興起[19]，但大多數情況下，幾何優化仍需通過反復試驗來實現。不同的供應商可能使用不同的預編程方法、掃描模式、構建次序、軟件系統和工藝方法來支持用戶無法控制的加工過程和產品設計[2]。零件屬性可以在打印期間就地檢測，甚至可以檢測是否偏離其設計規范[2]。不斷改善打印加工過程的監測和控制，以確保加工產品的精度[2，9]。

3.5 后期處理

拆除支撐結構和基板，進行表面清潔、熱等靜壓、機加工、涂層和熱處理等后期處理均增加了制造成本[20]。后期處理的需求取決于增材制造工藝、合金系統以及零件設計[2，9]。如選用直接能量沉積（DED）-氣體保護金屬極電弧（GMA）技術生產的零件通常需要后期機加工處理，來降低表面粗糙度值和尺寸公差[1]。與鑄造或鍛造產品相比，由于打印材料對熱和化學后處理的反應不同，導致打印金屬部件后期處理也具有明顯差異[2]。目前，對打印金屬部件焊接和連接的研究仍處于初級階段。

3.6 安全和健康風險

處理粉末原料和操作打印設備時都應特別注意。粉末原料是火災或爆炸的潛在來源[21]。最危險的物質之一是凝結物，如過濾器中高表面積的細小顆粒，它是液態金屬的蒸發和凝結所致，因此更換過濾器就成為打印機操作中最危險的部分[21]。使用高功率密度的熱源而形成的飛濺物也有助于在腔室中沉積細金屬顆粒[1]。激光、電子束或電弧之類的熱源具有高能量密度，因此危險性較大。在進行打印制造過程中，操作人員應使用適當的護目鏡以防激光輻射，同時需采取適當的預防措施來處理、加工和回收大量的AM細粉。超細合金粉末原料會嚴重影響眼睛和呼吸系統，并可能引起哮喘等疾病[22]。對于使用焊絲作為原料的直接能量沉積工藝（DED），其健康危害與焊接領域中已知的危害相似。尤其是看似無害的合金，如不銹鋼，其可能含有鎳和鉻成分，其中鎳和鉻都是已知的致癌物[23]。眾所周知，焊接煙霧和顆粒物也會引起免疫系統功能障礙，并引起焊工上下呼吸道感染，導致其安全和健康受到威脅。

4 經濟挑戰

除所述科學和技術問題外，當前和未來增材制造行業所面臨的挑戰還包括經濟挑戰。

4.1 成本競爭力

受產品數量和復雜性影響的3D金屬打印行業，使其制造成本評估優于傳統制造方法[20]。在傳統制造中，如鑄造或機加工，其成本主要由原材料、設備、工具、零件復雜性以及訂單數量產生[20，24]。如果只制造少量零件，則由于設備和設定的初期投資導致單位成本較高，但隨著產品數量的增加，在產品之間分配的高額的設定成本將會降低[24，25]。由于增材制造工藝不需要為新零件支付任何額外的設定和工具成本，因此每件零件的成本不會隨產品數量的變化而發生顯著變化[25]。同時，3D金屬打印技術的經濟可行性并不取決于最小訂單量，打印零件的成本主要由金屬打印設備、原材料、制造和間接成本產生[24，25]。根據文獻數據[24，26-28]，比較了粉末床融合-激光（PBF-L）技術制造的各種組件的材料和制造成本，結果表明，對于多種工程合金而言，與機器耗時以及后處理相比，用于3D金屬打印的原料并不是成本的主要來源。

增材制造技術在很多情況下不需要復雜的工具就可以打印復雜零件，而傳統制造通常需要組裝較小的零件。但是，在某些情況下，零件的復雜性會增加打印材料以及制造成本，如某些零件由于其結構的特殊性，需要構建相應的支撐結構，且支撐結構通常采用懸垂設計，因此在打印制造完成后需要通過錘擊和研磨表面切屑將其支撐結構除去。而支撐結構所需的額外材料和后處理所需的時間都增加了制造成本。由于幾何形狀復雜，在鑄造或鍛造不可行的情況下，采用3D金屬打印技術，即使成本較高也是合理的[29]，但是在某些情況下，提高系統性能，減少零件數量或產品重量，也可能抵消產品成本[2]。

4.2 3D金屬打印市場份額低

3D打印產品的市場價值升至73億美元，但僅占全球制造業經濟的0.06%[10]。設施升級所需的高昂的資金和運營成本、原料成本、安全實踐及培訓成本，總體超出了傳統制造中的標準水平，這也是通常限制中小型企業采用3D打印技術的關鍵因素[20]。3D金屬打印市場滲透和增長的當前狀態是隨著技術的發展而發展的，這也是其發展優勢。

4.3 標準的需要

國際標準化組織（ISO）、美國試驗材料學會（ASTM）和美國汽車工程師學會（SAE）等許多知名組織正在制訂合格金屬打印部件的標準[11]。遵守標準的責任取決于不同的組織，具體取決于特定的工業部門。在美國，聯邦航空管理局負責航空航天工業的認證，而食品藥品管理局則監管生物醫學行業。當前標準的制訂發展緩慢，主要是面臨著在大型多參數操作窗口中，生產無缺陷、結構合理且可重復零件的挑戰。打印機制造商、原料供應商及用戶將在適應和使用此標準方面發揮重要作用[2，3]。

4.4 原料兼容性

目前，只有少數幾種商業合金能可靠地用于3D打印制造行業[15]，許多其他潛在的用于打印的合金尚未經過測試或尚不能作為打印原料而使用[11]，同時金屬打印還需要針對特定的打印工藝專門研發新的合金材料[17]。由于缺乏可用的打印原料，金屬打印制造也具有成分等級，打印貴金屬和熔點很高的金屬組件也具有一定的挑戰性。因此，將新材料用于3D打印通常需要強大的業務案例來支付對產品進行測試和鑒定的費用[20]。

4.5 知識產權和網絡安全

隨著基礎專利的到期，知識產權格局迅速地發生變化，這使得更多的公司進入打印市場。但是，打印制造方法及其子系統的后續專利仍可以使設備具有獨特性，并且由實體模型定義的組件可能與另一個系統上制造的組件不匹配。此外，數字設計和生產工具的快速發展對數據和網絡安全也帶來了新的風險[29]。

4.6 缺乏經驗和培訓

金屬打印行業的新興性質極大地受益于先進的計算機控制技術，該技術將焊接工程師、操作員和冶金學家在該過程中的傳統角色所占比重降至最低。對金屬打印行業來說，交鑰匙機器在制造領域吸引了全新的勞動力來源。但是，這種趨勢的不利之處在于，許多新人才沒有受過焊接或冶金學的基礎教育，這些知識的缺乏會導致反復試驗的開發時間顯著增加，并且制造組件的可靠性降低。此外，由于缺乏經驗豐富的金屬打印領域的技術人員，相關的教育和培訓通常也會受到限制，最終導致無法提供實踐經驗以及具有最優性能的零件設計的相關培訓。

5 潛在的解決方案

目前，對于金屬打印行業產生的科學、技術以及經濟問題，仍沒有直接和快速的解決方案，但是有幾種效果比較好的解決措施，見表1。

表1 對于來自科學、技術以及經濟方面挑戰的解決措施

5.1 創建可打印性數據庫

在焊接實踐中，廣泛使用的焊接性數據庫有助于預測主要合金和焊接工藝的適當組合，并指出在正常條件下是否建議進行焊接，焊接難度或可行性。類似地，可打印性能評估特定的打印工藝將原材料成功轉化為組件的能力，這取決于合金材料性能和工藝條件[1，14]。可打印性數據庫提供了打印產品質量的相對結果，它考慮了對常見打印缺陷的敏感性，如未熔合、成分改變、殘余應力和變形，還考慮了其冶金和力學性能[14]。目前，市場上還沒有普遍適用的可打印性數據庫[1，14]，開發這樣的數據庫將有助于選擇合適的打印工藝-合金原料組合，在某些情況下，無需進行反復的試驗測試，就可以減少甚至避免金屬打印中的常見缺陷。

5.2 開發和利用機械模型

由于打印組件的微觀結構、凝固組織、晶粒組織、拓撲特征以及缺陷，會隨合金成分、印刷技術和工藝參數的不同而有很大差異，因此在打印前使用可驗證的機械模型對這些特征進行預測有助于控制它們。力學模型可以計算重要參數，例如溫度場、構建幾何參數、冷卻速率、殘余應力和變形。這些模型可以制作雙向的，以便于計算實現產品所需的冶金或機械特性對應的過程變量。機械模型可以計算某種微觀結構以獲得特定的冷卻速率所需的熱輸入量。通過計算機械模型，從而改善打印工藝，提高產品質量，同時也需要先進的計算算法、代碼以及高性能計算領域的創新。

5.3 實現數字共享

數字共享包括打印過程中的機械模型、控制模型和統計模型，以及機器學習和大數據，它們可以控制微觀結構及其性能，并加快從設計到制造的過程[11，30]。在3D打印的數字共享模型中，傳感和控制模型可以與多個傳感器連接[11]。一個經過良好測試的機械模型可以提供重要的冶金變量[1]。統計模型可以從機械模型和控制模型中學習先前的數據，根據其結果將錯誤最小化。雖然現在已經廣泛接受了數字共享方法的實用性，但是金屬打印數字共享的構建和測試才剛剛開始。

5.4 利用新興的數字化工具

金屬打印技術融合了材料、設備、計算以及數據的交叉運作[1]。先進的數字化工具可以根據經驗來增強人類智慧，以提供過程變量和產品屬性的優化[31]。當與創新的傳感器連接時，數字工具可以通過網絡-物理系統在沒有人工干預的情況下檢測出缺陷并在打印過程中采取糾正措施。通過減少缺陷，持續的質量改進以及基于信息技術的制造來改善打印組件的工藝和質量鑒定，更好地集成云計算、網絡-物理系統、人工智能以及物聯網行業。

5.5 制訂標準化政策

制訂新的政策，有助于實現產品和工藝的標準化，以及員工隊伍的培訓與知識的共享。未公開參數集的知識產權保護商業模型可能會被打印行業的標準化需求和原始設備制造商（OEM）的供應商標準化需求所取代。新的政策必須解決這一變化，同時將應用程序從實驗室規模擴展到實際應用環境中。此外，除了制訂為員工進行認證和培訓所需的政策外，能否成功解決金屬打印中現存的問題，還取決于原始設備制造商的供應商以及用戶對這些政策的適應程度。

5.6 競爭前加強研究合作

各大學、國家實驗室以及公司之間的研究合作可以開發工藝-微結構-性能之間的關系，從而擴展更多合金材料的3D打印應用。為了更好地探索制造出工業中應用的真實部件，可優先選擇在大學和國家實驗室進行簡單小試樣的測試，從而加速和擴大3D打印行業的發展。在了解基本知識的基礎上實現信息共享，可有效緩解嚴格的知識產權壁壘，避免造成對商業利潤的威脅[29]。同時，不同組織之間的合作也會促進知識共享，有助于為3D打印培養大量優秀的理論知識和實踐經驗豐富的技術人員[32]。

6 結束語

針對金屬打印行業面臨的科學、技術和經濟挑戰，采取相關的解決方案將進一步擴大3D打印在不同領域的優勢。冶金科學和其他技術的成熟、計算機硬件和軟件的迅猛發展以及高科技部門的創造力的協同作用是解決這些問題的關鍵因素。