金屬增材制造技術的研究進展

曾紹連

隨著我國國民經濟的飛速發展，科學技術的研究進步已然成為當前的重要研究內容，在此過程中，金屬增材制造技術的發展也是十分重要的。增材制造技術是當前一種全新的制造技術，在短短幾十年中得到了前所未有的快速發展，并成為了當前先進制造技術領域技術創新的重要內容。就目前而言，增材制造技術已經成為許多發達國家實施技術創新、提升本國制造行業發展的重要發展對象，為適應國際發展的大方向，我國在增材制造技術方面的研究也是不斷深入，在積極推動3D打印技術在制造業的技術創新過程中，也進一步的加快了信息化以及工業化的進程。不僅如此，為了加快增材制造技術的快速發展，我國政府積極的與國外增材制造技術發展前沿國家進行聯合，并共同發起成立世界3D打印技術產業聯盟的號召，這也在一定程度上顯示出我國對于增材制造技術發展的重視程度。以下將針對金屬增材制造技術的研究進展進行更深入的探討分析。

1 金屬增材制造技術概述

金屬增材制造技術又稱3D打印，是一種以數字三維建模為基礎，融合計算機輔助設計、材料加工、材料成形技術，使用金屬材料、非金屬材料及醫用生物材料，按照層層疊加、分層制造的離散-堆積原理，自下而上快速制備出形狀復雜工件的成型技術。增材制造技術在過去短短30年里受到了全世界的高度關注，被譽為人類歷史上“第三次工業技術革命”。金屬增材制造技術按照能量源又分為主要包括激光和電子束打印技術等主要兩大類。金屬增材制造技術包括選擇性激光燒結技術（SLS），直接金屬粉末激光燒結（DMLS）、選區激光熔化技術（SLM）、激光成形技術（LENSS）、電子束選擇性熔化（EBSM）等。近年來，金屬增材制造的新技術顯示出爆炸性的增長，2017年，帝國理工學院開發了電化學增材制造（ECAM）金屬3D打印工藝，ExOne開發了粘結劑噴射（BJ）技術。法布里森公司于2017年開發了超聲波3D打?。║AM），XJet開發了噴墨金屬打印技術。所有金屬3D打印技術都顯示出獨特的技術解決方案。選區激光熔化技術是一種成熟的金屬3D打印技術，在強度、精度和緊湊性等方面具有巨大的潛力。與傳統的減材制造、粉末冶金制造技術相比，增材制造技術由于具有輕量化減重，無需多余的夾具、模具，無需大型熱加工設備，可制造復雜內腔的工件，實現個性化定制，降低制造成本，易于修復與再制造等優點，已被廣泛應用于航空航天、國防、汽車、生物、醫療器械等領域。

2 金屬增材制造技術分類

2.1 激光增材制造技術

通常由激光近凈成形技術、激光直接金屬燒結、激光選區熔化以及激光選擇性燒結等就是激光增材制造技術的組成部分，本文主要選取了激光近凈成形與激光選區熔化兩種技術展開具體論述。

2.1.1 激光選區熔化（SLM／DMLS）

作為激光增材制造技術最具典型特點的激光選區熔化中的選擇性激光燒結（SLM）工藝，與金屬燒結（DMLS）并沒有特別大的區別，所以下面將共同介紹兩組工藝。按照計算機設置好的路徑，運用激光對鋪粉器預鋪的一層金屬粉末進行掃描，金屬粉末熔化且與前一層構成冶金，進而形成實體；為了最大程度避免形成階段出現氧化情況，實踐操作中可以采取氬氣、氦氣等惰性氣體實施有效保護，以此來全面改善成形質量，增強層間的浸潤程度，最大程度減少沉積層的表面張力。

SLM盡管有較強的精度，但依然有一些熱應用與球化情況產生在成形階段，直接影響了成形的精度。美國通用電氣公司在2012年運用SLM技術研發出了一款LEAP噴氣式發動機制造燃油噴嘴，雖然成形后明顯降低了零件質量，但是卻進一步增強了性能。SLM技術在國內的研究相對于先進國家較晚，雖然在工藝與設備研發方向，華南理工大學與華中科技大學展開了大量的實踐研究，但所得到的材料與精度仍無法追上先進國家的程度。

2.1.2 激光近凈成形（LENS）

利用激光熔覆原理，激光近凈成形主要通過大功率激光器將送粉噴頭放入熔池粉末的方式，實現一層一層沉積直至成形。LENS利用對工藝參數的優化與調整，可以實現非均質材料、多金屬的成形，其應用于多金屬材料結合零件或者大型零件上面的優勢更為突出。LENS被美國華盛頓州立大學運用于鈦合金、多孔鈦制備，KRISHNA等學者使用LENS已研發出多孔鈦材料臀骨柄，與純鈦相比，多孔鈦可以對人體成骨細胞帶來更大的刺激以此快速分化。而我國的北京航空大學與西北工業大學在國內利用大量實踐明確了最佳工藝參數，并在此前提下實現了對鎳合金與鈦合金的LENS成形研究，得出結果顯示成形件已達到應用水準，具有較突出的力學性能。

2.2 電子束增材制造技術

2.2.1 電子束選區熔化（EBM）

對于SLM的形成過程而言，電子速選區熔化與其較為幾乎相同，在電磁偏轉線圈發揮的作用下，EBM使用高能電子束對金屬材料實施轟擊來形成熔池，并遵循提前設置的路線，一層一層熔化預置粉末，一直到零件成形為止。自2003年一家Arcam的瑞典公司提出EBM商業化設備，推動了電子束選區熔化的發展。該設備擁有每秒10至100米的掃描速度，最大成形尺寸為200mm*200mm*160mm，精度達到了±1mm。2004年我國清華大學研發了兩套實驗系統，分別是EBM-250與EBM-150，成形缸有100mm*100mm*100mm與250mm*250mm*250mm兩種尺寸，推動了雙金屬粉末EMB的成形。湯慧萍等學者在西北有色金屬研究院開展了EBM鋪粉裝置的優化，得到了超薄鋪粉，具有較高的精度。

2.2.2 電子束熔絲沉積（EBF3）

EBF3的沉積材料通常以絲材為主，其更適合運用在太空微重力環境下成形，并有其他金屬增材制造技術無法比擬的電子束選區熔化技術優勢，進一步推動了航天器深空探測與有效維護。美國航空航天局在二十世紀九十年代于蘭利研究所研究了空間金屬材料增材制造技術，以電子束熔絲沉積為前提，分別研發了兩種沉積設備，分別為便捷式與落地式，是為一種便攜式電子束熔絲成形系統，并且利用飛行試驗對工藝參數展開了優化。

2.3 電弧增材制造技術（WAAM）

WAAM利用分層疊加制造原理，使用焊絲成形材料，以等離子弧焊、非熔化極氣保焊、熔化極氣保焊等焊接工藝形成的電弧作為主要熱源，在三維零件成形過程中，使用一層一層覆沉積的方式。在增材制造技術的快速發展中，三維焊接技術應運而生，其充分結合了增材制造技術與焊接工藝，主要用于零部件的直接制造以及產品零部件的原型制造。SPENCER等學者在英國Nottingham大學利用六軸機器人和GMAW工藝，促進了三維堆焊成形。SONG等學者在韓國科學研究所實現了金屬零件成形，充分結合了CNC銑削技術與三維堆焊技術，成形階段的任何一次堆焊都是一次對成形面實施的銑削，使成形精度更強，已進一步證實成形件力學性能的高效。

3 金屬材料增材制造的應用

增材制造（Additive Manufacturing，AM），俗稱3D打印，以數字化設計、新材料為基礎，其基本工藝是通過計算機切片算法，將三維物體的數值模型切割為一系列平行的片層，然后控制激光、電子束或紫外光等能量束的掃描方式，將液態、粉狀或絲狀材料逐層固化、層層堆疊形成完整的三維物體。經過30多年的發展，3D打印技術已形成包括粉床選區燒結、激光凈成型、樹脂光聚合，熔融沉積、等離子沉積、墨水直寫和雙光子成型等在內的眾多種類，并廣泛用于各個工程領域，具體如下。

3.1 生物醫藥

由于生物材料結構復雜、病人需求各異、無需大批量生產等因素，增材制造技術非常適合制造生物材料。鋅金屬具有良好的生物相容性，鋅-釹合金激光增材制造中的稀土釹既提高了鋅合金的致密度，致密化率達98.71%，成形質量優良，又提高了鋅合金的力學性能；此外，釹合金化抑制了促炎因子的釋放，從而使鋅-釹合金具有良好的抗炎活性，增材制造的鋅-釹合金可作為承重骨植入體內，是一種很有前景的骨修復材料。增材制造孔隙結構鈦合金結構可植入人體充當關節，當植入體和人體骨骼間缺少體液，會發生干滑動摩擦，從而出現發炎、腫脹等現象。通過研究三角形、正方形和無序3種孔隙結構的摩擦性能，發現三角形孔隙結構位移矢量小于無序孔隙結構，但其旋轉矢量和造成的簡諧振動頻率過高，摩擦力大于無序孔隙結構；正方形孔隙結構因結構穩定性最差，導致磨損量最大；在3種孔隙結構中，無序孔隙結構產生的摩擦熱量最少，雖在摩擦力、散熱等方面強于三角形，但其磨損量大于三角孔隙結構。金屬增材制造技術在口腔修復體制作中的應用主要集中在金屬基底冠、可摘局部義齒的金屬支架和種植體。激光增材制造制作的鈷鉻合金底冠金瓷結合力接近甚至超過傳統制作；由于激光增材制造冷卻速度快、結構致密無缺陷，激光增材制造制作的鈷鉻合金強度高于傳統鑄造；經過恰當的計算機輔助設計、參數設定，激光增材制造的鈷鉻合金能達到良好的基牙密合性。激光增材制造的鈷鉻合金可摘局部義齒金屬支架在合適度和功能上接近傳統支架，但微觀結構上更加優良。激光增材制造技術制作的鈦合金種植體支架由于快速冷卻及晶相組成等因素，擁有更高的致密度和硬度，結構輕巧、生物相容性好。

3.2 交通行業

金屬增材制造在軌道交通領域的應用主要在零部件制作和損傷零部件增材修復。金屬增材制造在高密度熱源下快速熔化、凝固，制造零件微觀晶粒細小均勻、溶質偏析較小，能獲得超過鍛造件力學性能并接近鍛造件疲勞性能的金屬零部件。國外機車公司在列車后續維護中已使用金屬增材制造成形結構復雜的列車軸承，提高軸承抗振動性能和耐磨性能，使用不銹鋼增材制造軌道列車轉向架抗側滾扭桿安裝座，在拓撲優化設計的基礎上打印出具有仿生結構的安裝座，在保證原有性能的情況下減重70%。金屬增材制造修復軌道交通受損的零部件，提高零件使用壽命，降低企業成本。用不銹鋼粉激光增材修復有缺陷的棒狀車軸，疲勞試驗表明增材修復后的車軸耐疲勞性能優于原始車軸零件。隨著金屬增材修復機車車軸研究的增多，越來越多的金屬粉末投入使用，工藝參數也得到優化，力學性能更加優異。激光熔覆增材制造技術在車軸鋼表面熔覆鎳基粉末，制造出結合牢固的覆蓋層，顯著提高了涂層硬度，熔覆層的平均硬度是基體硬度的3倍以上。金屬增材制造技術在汽車行業主要應用在產品開發和生產2個階段。開發階段使用增材制造技術，可快速制造成形、迅速驗證和優化零件設計；在生產階段涉及小批量復雜零部件時，金屬增材制造可較快實現零部件的近凈成形。利用金屬增材制造技術制造發動機缸蓋，形成的產品致密度高，不會出現鑄造時可能產生的裂紋和縮孔，性能接近鍛件，但省去了傳統制造中開模、澆注等系列工序，解決了小批量生產缸蓋耗時長問題。發動機缸體和變速箱殼體制造傳統上采用鑄造方式生產，結合金屬增材制造技術和鑄造，可在保證產品質量的同時降低成本、縮短工期。

3.3 船舶制造業

第一，船舶輕量化建造。與傳統制造方法相比，3D打印生產的零件重量更輕。優化船的整體性能就意味著船體能夠在保證足夠的強度時速度能夠變得更快，獲得更好的平衡性，降低減重帶來的潛在風險。第二，船舶復雜零部件配件的制造。增材制造技術在造船領域的應用研究取得了很大進展。業內已成功印制了多種產品和零部件，如螺桿銷、箱式換熱器、軸瓦、螺旋槳等。江蘇科技大學通過增材制造技術制造了船用液化天然氣（LNG）汽化器。第三。船用易損件的修復和改性。一旦原有的部件出現故障或其他問題，就可以在船上生產3D打印替換部件，比如對船用螺旋槳、齒輪和葉輪等部件的激光表面修復和激光表面改性。新加坡Tru-Marine公司利用3D打印快速維修和制造渦輪增壓器部件。

3.4 首飾、服飾

增材制造技術可以小批量快速定制，對首飾、服飾設計制造的影響越來越大。金屬首飾的增材制造技術主要分為間接法和直接法。間接法先通過增材制造技術制造出蠟模，然后用失蠟法鑄造出金屬首飾，本質上是高分子材料增材制造與傳統鑄造的結合；直接法是金屬材料在高能束作用下融化在二維平面內，冷卻、成形、增厚，一步成型形成金屬首飾。金屬首飾的一步增材制造主要采用激光選區熔融技術，該方法采用CO2激光器做熱源，鋪粉燒結后進行下一層的燒結，制作完成后去掉多余粉末，進行打磨拋光便得到所需首飾。該方法制成的首飾有較高的精確度和銜接性，可制造空心、多層鏤空、蕾絲狀等復雜首飾。貴金屬首飾制作可采用疊層增材制造技術，該方法在生產過程中金屬變形小，適于制造面積較大、曲面、管狀等造型的首飾。除普通首飾增材制造，有工作室還通過增材制造制作了動態機械結構的項鏈、手鏈，由獨特部件相互交錯組成，總體上是一個連續結構，但每個組件是剛性的，無需組裝即可使用。形狀記憶合金在加熱到一定溫度后形狀會被記憶，在溫度降低后逐漸恢復原狀，當溫度再次變化后，形狀記憶合金的形狀也隨之改變。越來越多的穿戴品使用形狀記憶合金進行增材制造，在織物原材料中加入形狀記憶合金線，這些線直徑較小，加入記憶合金的服飾在外界刺激下而發生微妙變化，使服飾更具真實感和生命感。

4 金屬材料增材制造的挑戰與展望

盡管金屬材料增材制造可以快速、小批量制造復雜工件，但它仍面臨著一些問題和挑戰。金屬粉末床燒結增材制造時，形成的零件易粘結粉末顆粒，表面粗糙，需要進行打磨、拋光等后續處理；成形空間真空度較低，成形時熔融的材料易被氧化，需要惰性氣體保護；進行激光增材制造時對粉末質量要求高，設備運維成本較高。金屬絲材電弧增材制造時，工藝參數會影響熱的輸入和累積，熱輸入較大會對精度和性能產生影響。金屬絲材電子束增材制造時處于高溫、高真空、高輻射的環境，其熔池形態和溫度分布不均勻，易出現裂紋、變形、氣孔等問題，溫度過高時會燒穿鋼板和過度滲透，進而影響零件的精度和良品率。金屬疊層增材制造形成的零件抗壓性能好，但彈性差、抗拉強度低，由于各個方向上的力學性能不同，制成的零件表面通常有波紋，需進行打磨、拋光。金屬材料增材制造有金屬熔融、冷卻、形成新金屬層3個過程，由于熱梯度和散熱不均，增材制造形成的單層材料在層邊緣、中間等不同位置存在不同的晶相，會對強度、耐磨性等造成影響，在層交界處進行新金屬層沉積時，晶粒組織會發生變化。

5 結語

總而言之，在經濟日新月異發展的背景下，金屬增材制造技術面臨著巨大挑戰和機遇。現階段，仍有一些設備成本高、材料過于單一以及精度不強的問題存在于金屬增材制造技術的生產過程中，所以業界人士必須加強對金屬增材制造新工藝、原材料、評價體系、控制系統以及檢測缺陷等方面的研發。重視對成形成本、效率以及質量三方面關系的探索，在制造業各個領域滲透金屬增材制造技術，從而推動金屬增材制造的產業化、規范化發展。