金屬增材制造技術的發展與展望

馬劍雄，夏張文，周偉民

1.上海市納米科技與產業發展促進中心 上海 200237

2.上海長三角技術創新研究院 上海 200237

1 序言

增材制造（打印技術）是集先進制造、數字制造、智能制造和綠色制造于一體的一項革命性制造技術，它不僅改變了產品的制造方式，還改變了未來生產與生活模式，進而改變人類的生活。目前，3D打印主要應用于原型制造、模具驗證和直接制造。直接制造是指直接用3D打印技術生產最終產品，是未來3D打印的重點領域。在直接制造中，金屬增材制造是目前增材制造技術和產業發展中最為迅速的，已廣泛用于航空航天、生物醫療、工業模具和動力能源等相關領域。

據權威機構統計和預測，全球增材制造市場呈快速上升趨勢（見圖1）[1]，2018年達到93億美元，預計到2025年規模達到約330億美元，其中在汽車、航空和醫療領域占51%。在整個增材行業，金屬增材領域市場規模一直超過50%，行業產值規模在不斷增長，占整個增材行業產值的比重也在逐年提升。

圖1 2014—2027年全球增材制造市場規模[1]

ASTM F42增材制造技術委員會制定的《增材制造技術標準術語》（ASTMF2792-121a）標準，將增材制造技術分為7類，即：黏結劑噴射（Binder Jetting）、粉末床熔化（Powder Bed Fusion）、直接能量沉積（Directed Energy Deposition）、層壓（Sheet Lamination）、材料噴射（Material Jetting）、光聚合（Vat Photopolymerization ）和材料擠出（Material Extrusion）[2，3]。這7種技術都涉及到金屬材料，其中黏結劑噴射、粉末床熔化、直接能量沉積都用到金屬粉末，這三類為金屬增材制造的主流技術，涵蓋了絕大部分的應用領域。材料噴射技術在金屬增材制造上應用主要是用納米金屬Ag來打印金屬電路，如Xjet公司采用的技術；材料擠出技術是在塑料基體中摻雜金屬粉末，通過該技術來實現熱熔打印圖形，如Markforged、DesktopMetal公司的裝備；光聚合技術用在金屬打印方面，主要是在光敏樹脂里摻雜金屬粉末或陶瓷粉末，如Lithoz公司的增材裝備；層壓技術是通過超聲波固結的方式，將金屬箔材實現固態連接，如Fabrisionic公司的技術。

金屬打印的分類從材料緯度來分，可以分為金屬粉末、金屬絲（棒）材料和金屬箔材打印，也即顆粒粉末材料、一維金屬材料和薄膜金屬材料。按照成形的熱源，有激光、電子束、電弧、等離子和超聲波等熱源。

2 金屬3D打印金屬粉末制備方法

根據統計，在所有金屬3D打印技術中，超過90%的裝備以金屬粉末作為原材料。由于金屬打印市場需求，促進了對金屬粉末的用量需求。國外生產廠商有AP&C、Sandvik、Carpenter、GKN 、LPW及Hoganas等公司，國內有中航邁特、西安賽隆、湖南頂立、上海材料所、廣州有色、浙江亞通、寧波廣博及蘇州英納特等企業。

金屬粉末制備方法按照制備工藝主要分為：機械破碎法和物理化學方法的還原法、電解法、霧化法等[4]。機械法制備的粉末呈不規則狀，并且只適合脆性金屬或合金粉末的破碎制粉。霧化法克服了還原法和電解法僅限于單質金屬粉末的生產缺陷，不僅可以生產出合金粉末，還可以對粉末的形狀和霧化效率進行控制。

目前，增材制造金屬粉末的制備方法主要有等離子旋轉電極霧化、氣霧化、等離子霧化和等離子球化技術。現分述如下。

2.1 等離子旋轉電極霧化法（PREP）

等離子旋轉電極霧化法（Plasma Rotating Electrode Process，PREP）是由美國核金屬公司于1974年首先發明的，而后在俄羅斯得到發展應用。目前，俄羅斯擁有世界上最先進的等離子旋轉霧化技術和裝備。該技術原理是：金屬棒高速旋轉，并在等離子體加熱熔化，離心力將液體拋出并粉碎為細小液滴，最終冷凝為粉末的制粉方法。粉末的粒徑可以根據等離子弧電流的大小和電極轉速來控制。該方法制取的細粉收得率較低，普遍只有5%左右，導致粉末成本較高。

2.2 氣霧化法（GA）

3D打印用金屬粉末的氣霧化法有真空感應熔煉氣霧化技術（Vacuum Induction-melting Gas Atomization，VIGA）和電極感應熔化氣霧化技術（Electrode Induction-melting Inert Gas Atomization，EIGA）兩類方法。VIGA是指金屬或合金在真空坩堝條件下加熱、熔煉，而EIGA是將預合金棒作為自耗電極感應加熱，兩者都是利用高壓氣流將熔融金屬液流破碎成小液滴并凝固成粉末。VIGA制備的粉末通常平均粒徑＜100μm，滿足3D打印要求，粉末收得率高。EIGA技術最大的優點是避免了傳統的坩堝熔煉工藝摻入的非金屬雜質，提高了粉末的純度，降低了氧化程度。

2.3 等離子霧化法（PA）

等離子霧化法（Plasma Atomization，PA）的基本原理是將金屬絲（φ1～φ5mm）送入預先安裝好的高溫等離子體的焦點處，金屬絲迅速熔化或氣化，在沉積過程中與冷卻用的惰性氣體發生熱交換，凝固得到近球形粉體。該技術是加拿大AP&C公司獨有的金屬制粉技術。

2.4 等離子球化（PS）

等離子球化技術（Plasma Spheroidization，PS）是利用載氣將粉體送入高溫等離子體中，粉體顆粒迅速加熱、熔融，在表面張力作用下形成球形液滴，進入冷卻室后迅速冷卻凝固得到球形顆粒。PS技術制備的粉末具有純度高、空心粉少、粒徑分布均勻等優點，常用來制備高活性和難熔金屬，如W、Mo、NB、TiN等。英國LPW公司開發出商業化的等離子球化設備。

表1列出了3D打印金屬制粉的常用方法的原理和優缺點。

表1 3D打印金屬制粉的常用方法的原理和優缺點

3 絲材制備方法

金屬絲材的工業化制備流程是合金配料、壓制成形、冶煉、鍛造、軋制、拉拔和熱處理，由于加工工藝的限制，對于高硬度或特殊合金成分的絲材加工非常困難，即使有些成分的合金能夠冶煉但不能加工成絲材，因此在種類上和數量上受到極大限制。

我國幾版的《植物生理學》教材在講到韌皮部運輸的機理時，都將“就近性（proximyty）原則是源——庫運輸的重要影響因素”作為同化物分配的特點之一來講，事實到底是怎樣的？為了探個究竟，十幾年來我做了許多實驗。

4 納米金屬墨水制備

相對于其他金屬，Ag的電導率（6.3×107s/m）和熱導率（450W/m·K）都相對較高，常被用于納米金屬導電墨水原材料。納米銀漿墨水制備工藝主要有兩種方法：一是由納米銀粉、溶劑和穩定劑等成分組成的納米顆粒（Ag Nanoparticles, Ag NPs）懸浮液墨，作為納米顆粒銀漿墨水[5]。二是以金屬銀有機前驅物溶液，墨水中金屬銀以其水溶或油溶性鹽的形式存在，而不是銀粉微粒。

5 金屬增材制造工藝

如前所述，金屬增材制造工藝已有多種。根據現有的主流技術，按照粉末、絲材等來分的金屬增材制造工藝，如圖2所示。

圖2 金屬增材制造工藝

5.1 基于粉末的金屬增材制造

金屬粉末的增材制造主要用于粉末床選區熔化、定向能量沉積工藝中，采用這兩類工藝原理的金屬3D打印技術都可以制造達到鍛件標準的金屬零件。其中，粉末床選區熔融技術分為激光選區熔融（SLM）和電子束選區熔化（EBSM）兩類。定向能量沉積工藝主要采用激光工藝，通過送粉器來送粉。

粉末床熔融技術是比較典型的金屬增材制造工藝（見圖3），由德國弗勞恩霍夫激光技術研究所于1995年提出激光選區熔融，粉床下降一定高度，借助滾筒或刮刀分配金屬粉末，通過控制振鏡來調節激光的運行軌跡和強度，直接熔化金屬粉末，后再重復此過程，得到所需要的金屬構件。國內外共有幾十個廠家來生產該設備，國外有EOS、SLM、Concept Laser、GE、Ranishaw、3D Systems；國內也出現了多家SLM打印機的廠商，如鉑力特、永年激光、先臨三維、華曙高科、雷佳增材及煜鼎增材等企業。電子束選區熔化技術工藝與SLM類似，只不過是在真空環境下通過高能電子束熔化金屬粉末。典型的廠家有Acram和天津清研智束。

圖3 粉末床工藝示意

基于粉末床的金屬增材制造多以激光或電子束為成形源，但是如果換成噴射黏結劑與金屬粉末黏結也可以形成金屬構件，這就是黏結劑噴射（Binder Jetting）技術。采用黏結劑噴射（Binder Jetting）方法打印技術，液體黏結劑選擇性地黏結粉末床的區域，該工藝過程類似于金屬鋪粉工藝，打印完一層后，降低粉末床，然后在新的打印層上鋪一層新的粉末。重復此過程，直到形成所需要的圖形。取出原型件放入爐中，燒掉黏結劑，得到最終的金屬構件。美國的Exone、德國的Voxeljet、瑞典的Digital Metal公司都生產該技術設備。

以送粉為技術特征的激光金屬直接成形（LMDF）技術不受打印零件結構限制，可用于結構復雜、難于加工以及薄壁零件的加工制造。根據激光束與送粉的相對位置，有旁軸送粉和同軸送粉工藝，如圖4所示。美國Sandai國家實驗室、密西根大學、德國弗勞恩霍夫激光技術研究所等均開展了此領域研究工作。

圖4 送粉金屬增材制造示意

5.2 基于絲材的金屬增材制造

金屬絲材增材制造可以用激光、電子束，也可以用電弧作為熱源。電弧作為熱源，因價格低廉，設備簡單而受到重視。絲材電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacture， WAAM）是基于TIG（非熔化極氣體保護焊）、PAW（等離子弧焊）、MIG/MAG（基于熔化極惰性/活性氣體保護焊）、CMT（冷金屬過渡）等焊接技術發展而來的增材制造技術[6]。成形材料主要有不銹鋼、鋁合金和鈦合金等。電弧成形的構件表面精度較低，一般需要二次加工才能滿足需求。

圖5 同軸送絲增材制造和旁軸送絲增材制造示意

圖6 所示為我們開發研制的同軸激光送絲打印機和打印的金屬花瓶。

圖6 五軸激光同軸絲材金屬打印機和打印的金屬花瓶

金屬絲材電子束增材制造技術在美國開發比較早。在高真空環境下，采用聚焦電子束熔化形成熔池，利用熔池熱量熔化送進的金屬絲進行增材制造，該技術的原理類似于激光絲材增材。由于是在真空環境中工作，所以設備的尺寸有所限制，打印成本較高。美國Sciaky公司推出了基于電子束熔絲3D打印裝備，目前已具有了大中小不同加工尺寸的能力。西安智熔金屬打印系統有限公司也推出了電子束熔絲增材制造裝備，并已實現了零件的成形。

5.3 其他方法

冷噴涂增材制造技術（Cold Spray Additive Manufacturing，CSAM）是基于冷噴涂（Cold Spray，CS）發展起來的一門新的3D打印技術。該技術不采用激光或其他熱能，而是依靠動能，利用兩路壓縮氣體，一路作為推進氣體并加熱到預定溫度，另一路氣體用來作為載氣運行粉末。氣體和粉末顆粒一起進入噴槍。在加速氣體和噴嘴的共同作用下，微米級粉末顆粒被加速至超音速（最高可達 1500m/s），然后在到達基體時發生強烈的塑性變形產生結合并形成一定厚度和形狀結構的涂層[7]。該技術受到工業界廣泛關注，但目前存在著很多技術壁壘和質量問題，使得冷噴涂增材制造技術尚未得到廣泛應用。冷噴涂技術的廠商有澳大利亞的Titomic公司，荷蘭的Dycomet Europe公司。

超聲波固結技術（Ultrasonic Consolidation，UC）成形的材料，主要是在紙張的層壓技術基礎上發展起來的。該技術以金屬箔材為原材料，采取大功率超聲波能量，利用層與層振動摩擦產生的熱量，促進界面之間金屬原子無限接近并產生結合與擴散，實現層與層之間的固態冶金結合[8]，如圖7所示。在超聲波固結設備能力方面，美國Fabrisonic公司處于世界前列。

圖7 超聲波固結原理

材料噴射（Material Jetting）打印金屬，主要是使用包含金屬納米顆粒或載體納米顆粒的液體作為墨盒，液滴噴射到基板上，腔室內的高溫導致液體蒸發，只留下金屬零件。

攪拌摩擦增材制造技術（Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM）是基于攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding， FSW）發展而來的一種新的金屬增材制造方法。材料在旋轉的刀具作用下摩擦生熱，摩擦以及塑性變形產生的熱量使材料軟化，再在刀具的縱向壓力下使得材料連接在一起，最終實現增材制造[9]。

6 發展與展望

根據生產工藝順序，金屬增材制造可以分為預處理階段、打印階段和后處理階段。要想得到理想的金屬構件，必須對金屬構件實現控形與控性，就需要通過材料-結構-工藝-性能一體化調控與優化，建立起標準化程序，以實現金屬增材大規模制造，實現技術、產品到產業的發展途徑。

6.1 金屬構件設計

傳統設計上是按照減材制造思維來設計產品形狀，未來的產品要通過設計引導制造，通過創新設計結構，來實現構件的高性能和多功能化。

通過創新式設計，獲得較為完善的最優金屬構件設計方案，可以從尺寸優化、形狀優化和拓撲優化等設計變量。在金屬增材制造中，拓撲優化是實現結構輕量化設計最好的方法，通過仿生結構、晶格結構，能夠制造出比傳統結構更輕便的構件。設計和發展特殊支撐設計技術，使得打印構件與基板分離無需線切割，可以有效地縮短取件周期。

6.2 金屬材料

適合于金屬增材制造的材料品種相對較少，這就限制了增材制造的應用。目前，已有超過5000多種的金屬和金屬合金材料應用于工業產品中。在所有金屬增材制造技術中，原料金屬可以是金屬絲或微米級粉末。通常粉末金屬比金屬絲價格貴得多，粉末也存在氧化等問題。目前，金屬粉末床技術常用的打印材料有鈦合金、鈷鉻合金、鋼及鎳合金、鈷鉻合金及鋁合金等。近年來，一些難打印的材料也相繼開發出來，并成功地制備出構件，如鎢、鎂、銅等金屬或合金。

需指出的是，鋁合金的增材制造比鈦合金和鋼難度大，主要是因為它具有高的導熱性和高反射率。國內外也出現了高強度鋁合金粉末和打印構件，如空客Scalmalloy合金粉末。鎂合金具有的生物相容性和彈性模量可與人類骨骼相媲美，因而成為具有吸引力的生物醫學應用的候選材料。但是，在激光成形過程中，鎂易于燃燒也是個巨大的挑戰。鎢是具有最高熔點的難熔金屬，高于3000℃。對醫學CT設備的鎢光柵的需求，也促進了用SLM技術制造出W光柵。銅和銅合金具有的高導電性和導熱性，用于制造散熱器、冷卻部件等。由于銅在室溫下對近紅外光的吸收率僅為5%，所以加工窗口十分窄。通快公司開發出515nm的綠光激光器，而不采用行業內普遍使用的波長為1064nm的紅外光光纖激光器。波長為450nm的高功率藍色二極管激光束源也用來打印零件。

近來來，高熵合金（High-entropy Alloys）具有的因其優異的力學性能、耐熱性、耐蝕性等性能而受到工業界的廣泛重視[10]，目前也取得了一定的研究成果，開發更多的高熵合金也是業界所希望的。通過材料基因組設計優化金屬增材制造專用材料，用高通量試驗來建立材料基因數據庫，可以快速研發出適合增材制造的新材料。

6.3 金屬打印裝備

金屬增材制造裝備的制造能力向大尺寸、小尺寸和高速/超高速打印構件發展。對于粉末床鋪粉技術，EOS推出4個激光器和400mm× 400mm×400mm的生成體積設備EOS400，將生產率提升了4倍。小尺寸的打印，瞄準微納結構的金屬打印制造。多功能、智能化、移動式的金屬增材制造裝備也是發展趨勢，設備具有多種加工場（激光、電子束、電弧等與熱、磁場等復合）和高能量控制技術于一體，如增減材一體化、鍛造增材一體化、納米金屬制造技術等。通過5軸、7軸和8軸機器人機械手系統，以消除傳統制造方法上加支撐結構的需要。通過引入額外的電磁場，可以改善凝固狀態和改變熔池的形狀，加速熔池內金屬流體流動，從而減少氣孔等缺陷，消除殘余應力，細化微觀結構，優化性能。另外，打印過程中智能監控和缺陷自動識別也是未來的發展方向。

6.4 金屬構件打印工藝與后處理

金屬增材制造工藝參數對構件的性能至關重要，如鋪粉厚度、熱功率、掃描速度和掃描方式、基本溫度等，合適的工藝參數可以得到理想的微觀結構，從而提高產品的力學性能、精度和成形效率。

金屬打印后的表面相對粗糙，力學性能有待提高。通過熱處理和時效處理，如退火、熱等靜壓可以消除孔隙率，提高力學性能。一些其他方法如拋光技術（化學拋光、電解拋光、激光拋光和噴丸處理等技術）、打磨和磨料加工等常用于金屬增材的后處理。另外，開發新的后處理工藝也是急迫的。