孫 瑩

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

近年來3D 打印技術(shù)在媒體的大力宣傳下，引起了全世界的高度重視，并在工業(yè)制造、生物醫(yī)療、建筑、文物、文化創(chuàng)意等多個(gè)領(lǐng)域被嘗試應(yīng)用，給大家耳目一新的感覺。因此以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、定制化為特點(diǎn)的3D 打印技術(shù)代表著新的制造技術(shù)掀起了第三次工業(yè)革命。但3D 打印并不是近幾年才出現(xiàn)的新興事物，3D 打印本屬快速成型技術(shù)，是增材制造的一種，它是上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)以及這個(gè)世紀(jì)的市場。3D 打印與傳統(tǒng)制造的區(qū)別在于，傳統(tǒng)制造是由制造來驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，也就是說，設(shè)計(jì)者必須了解各種零件制造工藝及不同工藝的復(fù)雜程度以控制零件成本。從方便加工的角度來設(shè)計(jì)出滿足功能需求的零件。而3D打印是由設(shè)計(jì)來驅(qū)動(dòng)制造，即設(shè)計(jì)者盡可隨心所欲的設(shè)計(jì)能夠滿足功能的零件的結(jié)構(gòu)，而不需考慮零件制造的復(fù)雜程度。因?yàn)?D 打印首先是在計(jì)算機(jī)上建立零件的三維CAD 模型，而后利用軟件進(jìn)行分層切片，將零件的三維數(shù)據(jù)信息離散成一系列的二維輪廓信息，之后再利用3D 打印設(shè)備通過每一層不同的圖形的累積，最后形成一個(gè)三維物體。因此，從原理上講，無論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜的零件對(duì)于3D 打印來說都可以加工，并且成本并不增加。

金屬3D 打印是整個(gè)3D 打印體系中最前沿也是最具潛力和應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。金屬激光3D 打印技術(shù)有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、金屬絲材激光熔焊成型、激光直接金屬堆積成型（DMD）等。其中基于激光熔覆技術(shù)的金屬直接成型應(yīng)用潛力最大。

1 激光熔覆技術(shù)的發(fā)展

激光熔覆技術(shù)的發(fā)展起步于20 世紀(jì)80 年代。1979年以渦輪盤模型近形件的鎳基高溫合金激光多層熔覆技術(shù)開始研究；到20 世紀(jì)90 年代進(jìn)入快速發(fā)展期，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)對(duì)該技術(shù)的原理、成形工藝、熔凝組織、零件幾何形狀和力學(xué)性能等課題做了大量的研究，叫法也各不相同，如美國密西根大學(xué)機(jī)械工程系開發(fā)的金屬直接成型工藝DMD、美國Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室提出的激光工程化凈成型LENS 技術(shù)、美國中弗羅里達(dá)大學(xué)發(fā)展的激光輔助直接快速成型即LADRP、加拿大國家科學(xué)院集成制造技術(shù)研究所發(fā)展的激光合成即LC 系統(tǒng)、德國弗朗和夫生產(chǎn)技術(shù)研究所發(fā)展的控制金屬堆積即CMB 系統(tǒng)等。他們雖命名不同，但實(shí)質(zhì)都是利用同軸送粉激光熔覆進(jìn)行添加式層疊直接制造的方法。與此同時(shí)，國內(nèi)許多高校和科研機(jī)構(gòu)也開始了相關(guān)研究，并取得了一批成果。如北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)將激光直接制造技術(shù)用于大型客機(jī)C919 機(jī)復(fù)雜整體構(gòu)件的制造，使我國成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光快速制造技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家，制造時(shí)間大幅度降低，構(gòu)件成本不到歐洲鍛造模具費(fèi)的十分之一，該技術(shù)獲2012 年國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

2 DMD 技術(shù)的工藝原理及應(yīng)用

2.1 DMD（DirectMetal Deposition）的工藝原理

直接金屬沉積DMD 也被稱為激光熔化沉積LMD（Laser Melting Deposition）。它基于激光熔覆技術(shù)，用高能激光束局部熔化金屬表面形成熔池，同時(shí)用送粉器將金屬粉末噴入熔池而形成與基體金屬冶金結(jié)合且稀釋率很低的新金屬層的方法。DMD 引入了RP 思想，根據(jù)CLI文件給定的路線，用數(shù)控系統(tǒng)控制激光束來回掃描，便可逐線逐層的熔覆堆積出任意形狀的功能性金屬實(shí)體零件，其密度和性能與常規(guī)金屬零件完全一致。DMD 工藝的核心部件是反饋式同軸送粉裝置，如圖1 所示。

圖1 DMD 反饋式同軸送粉裝置Fig.1 DMD feedback type coaxial feeding device

聚集激光束、匯聚金屬粉末、保護(hù)氣體同時(shí)由噴嘴輸出。聚集激光束將基體加熱成一個(gè)熔池，金屬粉末噴射到熔池里，保護(hù)氣體將熔池區(qū)域與空氣隔離，避免氧化，反饋傳感器將燒結(jié)成型的高度信息加以反饋，若燒結(jié)位置高于系統(tǒng)指定層高度時(shí)，系統(tǒng)將光閘關(guān)閉，無激光輸出；反之則激光光閘開啟進(jìn)行燒結(jié)填充，從而控制燒結(jié)成型的高度。整個(gè)過程中保持均勻、穩(wěn)定、不間斷的送粉。

2.2 DMD 的應(yīng)用

在DMD 技術(shù)中由于激光熔覆的快速凝固特征，使其制造的金屬零件具有優(yōu)良的質(zhì)量和強(qiáng)度，因此在模具制造、工具修復(fù)改造、表面硬化處理等方面有較成功的應(yīng)用。

（1）模具制造。傳統(tǒng)水冷模具制造都是在工具鋼毛坯上通過鉆些交叉直孔形成簡單的水冷管道，只有很少的管道可以延伸到模具表面附近的熱集中區(qū)域，且很難在工具鋼內(nèi)部植入導(dǎo)熱率高的金屬材料，因此熱傳遞效率低。DMD 工藝既可以實(shí)現(xiàn)在模具內(nèi)部植入高導(dǎo)熱率金屬材料又可以成型與模具表面走向一致的水冷管網(wǎng)并在三維空間上環(huán)繞。從而顯著增強(qiáng)了模具的使用性能、大大提高熱傳導(dǎo)率、延長模具使用壽命、顯著提高生產(chǎn)力。

（2）工具的修復(fù)與改造。在工具修復(fù)方面，傳統(tǒng)的修復(fù)過程由于修復(fù)前后都要進(jìn)行熱處理，極易導(dǎo)致零件制造質(zhì)量不合規(guī)格。DMD 工藝可以修復(fù)裂紋、修補(bǔ)受損部位以及熱裂紋或者被腐蝕的表面特征。其優(yōu)點(diǎn)在于可消除傳統(tǒng)焊接修復(fù)工藝的熱影響區(qū)（HAZ）并且修復(fù)部位與母體之間以同樣成分和全密度達(dá)到冶金結(jié)合。另外，調(diào)整合適的輸入熱量和控制冷卻速率可以消除傳統(tǒng)工藝必須的修復(fù)前后熱處理過程，從而消除工具變形。將該技術(shù)應(yīng)用于報(bào)廢工具改造成新工具上，可節(jié)約65%工具開發(fā)費(fèi)用，并且縮短75%交貨時(shí)間。

（3）表面硬化處理。利用DMD 工藝技術(shù)可以使不同材料間形成強(qiáng)度很高的冶金結(jié)合。在工具表面沉積鈷基硬合金和鎳基合金等耐磨耐高溫材料，可使工具在高溫、熱沖擊環(huán)境條件下依然保持良好的強(qiáng)度和硬度，這種方法的涂覆厚度是傳統(tǒng)CVD 或PVD 等工藝的10～500 倍以上，涂覆后工具使用壽命延長2～3 倍，大大提高生產(chǎn)力。

3 LENS 技術(shù)的工藝原理及應(yīng)用

3.1 LENS（Laser Engineered Net Shaping）的工藝原理

LENS 即激光工程化凈成型是由美國Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室首先提出的，將RP 技術(shù)和激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，快速獲得致密度和強(qiáng)度均較高的金屬零件的一種方法。它的工藝特點(diǎn)和成型方式與DMD 相似，采用大功率激光器、利用同軸送粉裝置、根據(jù)激光熔覆原理和快速成型技術(shù)特征進(jìn)行分層沉積成型全密度金屬功能零件。與DMD 的不同之處在于送粉裝置，LENS 系統(tǒng)采用三個(gè)分立的粉末噴嘴從三個(gè)等角方向向激光熔化的熔池里噴射金屬粉末，而在DMD 系統(tǒng)中粉末噴射是呈圓錐環(huán)狀聚集到熔池里。圖2為LENS 同軸送粉裝置。

圖2 LENS 同軸送粉裝置Fig.2 LENS coaxial feeding device

該同軸送粉器包括送粉器、送粉頭和保護(hù)氣路三部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送給機(jī)構(gòu)，粉末的流量由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。為使金屬粉末在自重作用下增加流動(dòng)性，將送粉器架設(shè)在2.5m 的高度上。從送粉器流出的金屬粉末經(jīng)粉末分割器平均分成四份并通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點(diǎn)的位置完成熔化堆積過程。全部粉末路徑由保護(hù)氣體推動(dòng)，保護(hù)氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而避免金屬粉末氧化。

3.2 LENS 的應(yīng)用

LENS 目前主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：單件小批量零件直接成型、原型制造、工具制造及其修理、醫(yī)療應(yīng)用等方面。

LENS 工藝是直接由CAD 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，因此對(duì)于單件小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件制造比傳統(tǒng)工藝既省時(shí)又節(jié)約成本，零件的使用壽命普遍高于零件設(shè)計(jì)要求水平。另外，LENS 添加成型的特點(diǎn)使它在加工成型過程中的材料浪費(fèi)率極低，在材料昂貴的航空航天工業(yè)中，LENS 工藝特別適合用來直接成型小批量金屬功能零件。美國在武裝直升機(jī)、AIM 導(dǎo)彈、波音7×7 客機(jī)、F /A-18E /F、F-22 戰(zhàn)機(jī)等方面均有實(shí)際應(yīng)用，我國王華明教授團(tuán)隊(duì)也在大型客機(jī)C919 的設(shè)計(jì)制造中成功應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)。

LENS 在工具制造及修理方面的應(yīng)用與DMD 類似。除此之外，LENS 在醫(yī)療中也有應(yīng)用。通過該工藝可制造出替代身體骨骼組織的金屬骨骼或者金屬加固件，使病人恢復(fù)健康。與傳統(tǒng)金屬骨骼制造工藝相比LENS 制造的骨骼成本低、使用壽命長、材料范圍廣性能好、可制造形狀復(fù)雜的金屬骨骼、與身體組織親和緊密、排異性小。

4 局限及展望

隨著全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和國際競爭日益激烈，激光熔覆直接制造金屬零件的工藝也進(jìn)一步成熟，它對(duì)于現(xiàn)代技術(shù)快速、柔性、多樣化、個(gè)性化發(fā)展的需求十分適應(yīng)，在新型汽車制造、航空航天重要零件的局部制造與修復(fù)、模具快速制造、修復(fù)與翻新、新型武器裝備中的高性能特種零件和民用工業(yè)中的高精尖零件的制造領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O好的應(yīng)用前景。但其目前仍然存在一些不足：如工藝過程復(fù)雜、工藝參數(shù)眾多、耦合關(guān)系強(qiáng)、工藝參數(shù)難確定；成形精度較差，后處理工作量大，效率不夠高；成形件性能受工藝影響的組織、性能、分布規(guī)律缺乏系統(tǒng)研究；金屬粉末多為特制粉末，通用性較低而且價(jià)格昂貴等。

針對(duì)目前激光熔覆直接制造金屬零件存在的問題，今后的研究工作著重在：進(jìn)一步研究激光熔覆制造過程中關(guān)鍵因素的實(shí)時(shí)檢測與閉環(huán)控制；研究提高零件的尺寸精度和形狀精度；研究獲得高質(zhì)量、無缺陷特定材料金屬零件的優(yōu)化工藝；研究無支撐條件下進(jìn)行的堆積；特種CAD/CAM 軟件的開發(fā)等方面。以上問題的解決將使激光熔覆直接制造金屬零件技術(shù)有一個(gè)全面的飛躍，使該技術(shù)能得到更加廣泛的應(yīng)用。

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