張曉冬，劉金平，吳闖，馬明豪，廖靜瑜，陳鵬

核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 102401

1 序言

3D打印技術(shù)也稱(chēng)增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM），在過(guò)去的幾十年中，3D打印已從快速生產(chǎn)功能原型進(jìn)化到制造一些無(wú)法通過(guò)其他方式加工的零部件的技術(shù)手段，與其他生產(chǎn)制造方式相比，3D打印更便捷，更經(jīng)濟(jì)。3D打印從數(shù)字繪圖開(kāi)始，通過(guò)金屬逐層沉積形成三維組件。常見(jiàn)的增材制造方式主要包括粉末床融合技術(shù)（PBF）及直接能量沉積技術(shù)（DED），不銹鋼、鋁、鈦和鎳合金的打印就是依靠此技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(guò)改變不同沉積層中的金屬成分來(lái)生產(chǎn)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(yīng)用于航空航天、醫(yī)療保健、能源、汽車(chē)、船舶以及其他行業(yè)[5-8]，其在各行業(yè)的分布情況如圖1所示。3D金屬打印技術(shù)能夠使用同一設(shè)備，在較短的交貨期限內(nèi)，生產(chǎn)制造出不同的產(chǎn)品[2]，并且能夠按需進(jìn)行定制生產(chǎn)，比如在醫(yī)療保健領(lǐng)域患者專(zhuān)用的醫(yī)療植入物以及用于安全運(yùn)行核電站的金屬葉輪[2]。3D金屬打印技術(shù)可將多個(gè)組件整合為一個(gè)組件，在減少零件數(shù)量方面具有良好的投資回報(bào)率，并能夠維持一些供應(yīng)鏈不再存在的傳統(tǒng)產(chǎn)品[5，9]。

圖1 3D金屬打印在各行業(yè)中的應(yīng)用及分布

由于3D金屬打印在各行業(yè)中具有良好的可行性，能夠打印結(jié)構(gòu)特殊的組件，以及具有克服當(dāng)前制造工藝缺陷的潛力，因此該技術(shù)已成為目前增材制造領(lǐng)域增長(zhǎng)最快的行業(yè)[10]。近年來(lái)，3D金屬打印設(shè)備銷(xiāo)量的快速增長(zhǎng)情況[10]，也證明了用戶(hù)數(shù)量的增加（見(jiàn)圖2）。統(tǒng)計(jì)2019年前五年授予的專(zhuān)利可用數(shù)據(jù)中也可以明顯看出，3D金屬打印行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)于2019年2月14日從谷歌專(zhuān)利處收集，如圖3所示。全球3D金屬打印專(zhuān)利總數(shù)與其他廣泛使用的制造工藝技術(shù)專(zhuān)利數(shù)量相當(dāng)，表明3D打印在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)將繼續(xù)增長(zhǎng)。

圖2 3D金屬打印設(shè)備銷(xiāo)量

圖3 不同制造工藝的專(zhuān)利數(shù)量

像所有新興技術(shù)一樣，3D金屬打印也面臨著許多挑戰(zhàn)。與其他相對(duì)更成熟和更常見(jiàn)的制造方法相比，3D打印產(chǎn)品目前的規(guī)模較小[11]。該技術(shù)需要進(jìn)一步提高其生產(chǎn)率、質(zhì)量控制以及可重復(fù)性[4]。3D打印技術(shù)在學(xué)術(shù)活動(dòng)以及工業(yè)活動(dòng)中所解決的基本原理問(wèn)題或技術(shù)問(wèn)題中的相關(guān)成果表明，科學(xué)論文主要來(lái)自于大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，而大多數(shù)專(zhuān)利歸公司所有。論文主要描述其基本原理，基本上沒(méi)有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面的分析，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)往往過(guò)于抽象，而在工業(yè)上的創(chuàng)新大多數(shù)選擇不發(fā)表，以此來(lái)保障自身利益。3D打印行業(yè)的需求與正在進(jìn)行的研究以及發(fā)展之間的鴻溝亟待解決，因此更好地理解對(duì)待科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，便于找到潛在的解決方案。

2 科學(xué)挑戰(zhàn)

科學(xué)上的挑戰(zhàn)主要來(lái)自于3D金屬打印中存在的不同的加工條件和復(fù)雜的熱循環(huán)，以及它們對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的特征和缺陷的作用，是否會(huì)影響到部件的屬性及性能尚未可知。

2.1 工藝-微觀結(jié)構(gòu)-屬性-性能之間的關(guān)系

由于3D打印工藝方法、加工參數(shù)較多，且金屬組件的結(jié)構(gòu)、屬性以及性能具有多樣性，因此導(dǎo)致目前正在研究的商業(yè)合金的加工與微觀結(jié)構(gòu)、屬性、性能之間的關(guān)系進(jìn)展緩慢。需要指出的是，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的持續(xù)研究和開(kāi)發(fā)，才為主要合金的焊接創(chuàng)建了工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系知識(shí)庫(kù)[12]。為了滿(mǎn)足增材制造行業(yè)的需求，在未來(lái)幾十年仍需對(duì)其進(jìn)行類(lèi)似的深入研究。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變得復(fù)雜[1]。打印的金屬制品通常顯示出高位錯(cuò)密度、元素偏析、精細(xì)的凝固組織和細(xì)長(zhǎng)的晶?，F(xiàn)象[1]。理解和控制微觀結(jié)構(gòu)打印的演變過(guò)程便于定制組件的微觀結(jié)構(gòu)[1，2]，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性能組合，打印出既具有高強(qiáng)度又具有良好延展性的金屬制品[13]。

2.3 缺陷演化及其對(duì)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(xué)性能[14]。目前，已知的未熔合缺陷會(huì)對(duì)拉伸性能產(chǎn)生不利影響，高殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致部件的翹曲、屈曲和分層現(xiàn)象[9]，并對(duì)疲勞性能不利，表面不規(guī)則性可能是導(dǎo)致部件應(yīng)力集中的原因，并且可能會(huì)使其過(guò)早失效。然而，在復(fù)雜的金屬打印熱循環(huán)過(guò)程中，缺陷的形核和增長(zhǎng)機(jī)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(jié)構(gòu)、應(yīng)力和溫度的綜合影響，有必要提高對(duì)各種熱裂紋現(xiàn)象的深入研究。

2.4 凝固組織的特征

對(duì)于給定的合金，凝固形態(tài)和所產(chǎn)生的力學(xué)性能會(huì)受到局部溫度梯度G和凝固生長(zhǎng)速率R的比率的影響，這取決于打印技術(shù)和工藝參數(shù)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(guò)程中的冷卻速率取決于合金、增材制造技術(shù)和工藝條件，進(jìn)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(xiàn)5個(gè)數(shù)量級(jí)變化[11]。G和R的時(shí)空變化和重復(fù)的熱循環(huán)的多樣性為理解打印金屬的凝固組織的發(fā)展提出了不尋常的挑戰(zhàn)。

2.5 晶粒結(jié)構(gòu)、拓?fù)浜唾|(zhì)地的演變

通常在打印部件中形成的柱狀晶粒會(huì)顯著降低其力學(xué)性能[1，15]。目前，對(duì)增材制造過(guò)程中晶粒結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變的基本了解處于初始階段，對(duì)使用晶粒細(xì)化劑[15]以及控制熱流方向[1]的柱狀晶粒分解機(jī)理的理解也才剛剛開(kāi)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(jié)構(gòu)組織的各向異性的性質(zhì)[16]。但是，這種各向異性對(duì)產(chǎn)品性能的影響尚不太明確，因此在這一領(lǐng)域需要投入更多的工作，尤其在復(fù)雜的載荷下，微觀結(jié)構(gòu)的各向異性可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能帶來(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)[1]。

3 技術(shù)挑戰(zhàn)

除了前面所述的科學(xué)問(wèn)題之外，金屬增材制造行業(yè)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用也面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.1 鑒定和認(rèn)證

目前，零件鑒定主要通過(guò)試錯(cuò)法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種暴力的方法阻礙了零件快速準(zhǔn)確的鑒定。構(gòu)建、分段、測(cè)試和表征組件的過(guò)程是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且成本昂貴的。與成熟的制造技術(shù)（如鑄造、機(jī)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(guò)程，僅對(duì)于利基市場(chǎng)而言，高成本和緩慢鑒定過(guò)程的挑戰(zhàn)并不是其主要考慮因素[11]。

3.2 幾何限制和復(fù)雜性

每臺(tái)打印設(shè)備的產(chǎn)品尺寸，幾何形狀和原料的局限性都會(huì)影響組件的構(gòu)建。粉末床融合工藝（PBF）的產(chǎn)品尺寸受粉末床尺寸的限制，而高沉積率的工藝則沒(méi)有此項(xiàng)限制，例如基于絲狀的氣體保護(hù)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(jié)構(gòu)[5，9]。這種基于絲狀的打印方法具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，投資成本低廉，經(jīng)認(rèn)證的可焊焊絲原料有多個(gè)供應(yīng)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(jìn)一步的改進(jìn)[2]。此外，用于打印的復(fù)雜幾何形狀的零件設(shè)計(jì)可能需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，而支撐結(jié)構(gòu)則包括了額外的材料使用和后期的加工處理[17]。復(fù)雜的幾何形狀也對(duì)打印產(chǎn)品的無(wú)損評(píng)估提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，尤其是具有內(nèi)部特征和柵格結(jié)構(gòu)的幾何形狀復(fù)雜零件[9]。因此，金屬打印的零件設(shè)計(jì)要充分考慮其幾何形狀、產(chǎn)品屬性、可制造性以及制造成本[17]。

3.3 制造規(guī)模擴(kuò)大

從小型零件到大型、復(fù)雜的組件，擴(kuò)大制造的規(guī)模是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)[4]，因?yàn)樗芟嚓P(guān)機(jī)器零件尺寸和幾何形狀的限制。此外，相關(guān)尺寸的工藝參數(shù)調(diào)整、掃描方法及支撐結(jié)構(gòu)取決于專(zhuān)用的打印設(shè)備和零件設(shè)計(jì)[9]。規(guī)模擴(kuò)大限制了制造產(chǎn)量、批次的加工速度與生產(chǎn)率。3D打印的熱機(jī)械復(fù)雜性面臨形變、殘余應(yīng)力和開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，由于在常用的機(jī)械測(cè)試中使用簡(jiǎn)單試樣，因此這些風(fēng)險(xiǎn)并不總是顯而易見(jiàn)的。

3.4 工藝設(shè)計(jì)和打印順序

目前，關(guān)于實(shí)體模型在空間的構(gòu)建，支撐結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，特定組件過(guò)程變量的選擇以及掃描模式的取向規(guī)范都不基于任何嚴(yán)格的原則[9]。部件的幾何形狀往往需要不斷優(yōu)化，便于減少支撐結(jié)構(gòu)額外材料的使用[18]。盡管人工智能技術(shù)正在興起[19]，但大多數(shù)情況下，幾何優(yōu)化仍需通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的供應(yīng)商可能使用不同的預(yù)編程方法、掃描模式、構(gòu)建次序、軟件系統(tǒng)和工藝方法來(lái)支持用戶(hù)無(wú)法控制的加工過(guò)程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)[2]。零件屬性可以在打印期間就地檢測(cè)，甚至可以檢測(cè)是否偏離其設(shè)計(jì)規(guī)范[2]。不斷改善打印加工過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制，以確保加工產(chǎn)品的精度[2，9]。

3.5 后期處理

拆除支撐結(jié)構(gòu)和基板，進(jìn)行表面清潔、熱等靜壓、機(jī)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(tǒng)以及零件設(shè)計(jì)[2，9]。如選用直接能量沉積（DED）-氣體保護(hù)金屬極電?。℅MA）技術(shù)生產(chǎn)的零件通常需要后期機(jī)加工處理，來(lái)降低表面粗糙度值和尺寸公差[1]。與鑄造或鍛造產(chǎn)品相比，由于打印材料對(duì)熱和化學(xué)后處理的反應(yīng)不同，導(dǎo)致打印金屬部件后期處理也具有明顯差異[2]。目前，對(duì)打印金屬部件焊接和連接的研究仍處于初級(jí)階段。

3.6 安全和健康風(fēng)險(xiǎn)

處理粉末原料和操作打印設(shè)備時(shí)都應(yīng)特別注意。粉末原料是火災(zāi)或爆炸的潛在來(lái)源[21]。最危險(xiǎn)的物質(zhì)之一是凝結(jié)物，如過(guò)濾器中高表面積的細(xì)小顆粒，它是液態(tài)金屬的蒸發(fā)和凝結(jié)所致，因此更換過(guò)濾器就成為打印機(jī)操作中最危險(xiǎn)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(xì)金屬顆粒[1]。激光、電子束或電弧之類(lèi)的熱源具有高能量密度，因此危險(xiǎn)性較大。在進(jìn)行打印制造過(guò)程中，操作人員應(yīng)使用適當(dāng)?shù)淖o(hù)目鏡以防激光輻射，同時(shí)需采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來(lái)處理、加工和回收大量的AM細(xì)粉。超細(xì)合金粉末原料會(huì)嚴(yán)重影響眼睛和呼吸系統(tǒng)，并可能引起哮喘等疾病[22]。對(duì)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(lǐng)域中已知的危害相似。尤其是看似無(wú)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(huì)引起免疫系統(tǒng)功能障礙，并引起焊工上下呼吸道感染，導(dǎo)致其安全和健康受到威脅。

4 經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)

除所述科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題外，當(dāng)前和未來(lái)增材制造行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)還包括經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。

4.1 成本競(jìng)爭(zhēng)力

受產(chǎn)品數(shù)量和復(fù)雜性影響的3D金屬打印行業(yè)，使其制造成本評(píng)估優(yōu)于傳統(tǒng)制造方法[20]。在傳統(tǒng)制造中，如鑄造或機(jī)加工，其成本主要由原材料、設(shè)備、工具、零件復(fù)雜性以及訂單數(shù)量產(chǎn)生[20，24]。如果只制造少量零件，則由于設(shè)備和設(shè)定的初期投資導(dǎo)致單位成本較高，但隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加，在產(chǎn)品之間分配的高額的設(shè)定成本將會(huì)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(shè)定和工具成本，因此每件零件的成本不會(huì)隨產(chǎn)品數(shù)量的變化而發(fā)生顯著變化[25]。同時(shí)，3D金屬打印技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(shè)備、原材料、制造和間接成本產(chǎn)生[24，25]。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[24，26-28]，比較了粉末床融合-激光（PBF-L）技術(shù)制造的各種組件的材料和制造成本，結(jié)果表明，對(duì)于多種工程合金而言，與機(jī)器耗時(shí)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(lái)源。

增材制造技術(shù)在很多情況下不需要復(fù)雜的工具就可以打印復(fù)雜零件，而傳統(tǒng)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(fù)雜性會(huì)增加打印材料以及制造成本，如某些零件由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，需要構(gòu)建相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，且支撐結(jié)構(gòu)通常采用懸垂設(shè)計(jì)，因此在打印制造完成后需要通過(guò)錘擊和研磨表面切屑將其支撐結(jié)構(gòu)除去。而支撐結(jié)構(gòu)所需的額外材料和后處理所需的時(shí)間都增加了制造成本。由于幾何形狀復(fù)雜，在鑄造或鍛造不可行的情況下，采用3D金屬打印技術(shù)，即使成本較高也是合理的[29]，但是在某些情況下，提高系統(tǒng)性能，減少零件數(shù)量或產(chǎn)品重量，也可能抵消產(chǎn)品成本[2]。

4.2 3D金屬打印市場(chǎng)份額低

3D打印產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值升至73億美元，但僅占全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的0.06%[10]。設(shè)施升級(jí)所需的高昂的資金和運(yùn)營(yíng)成本、原料成本、安全實(shí)踐及培訓(xùn)成本，總體超出了傳統(tǒng)制造中的標(biāo)準(zhǔn)水平，這也是通常限制中小型企業(yè)采用3D打印技術(shù)的關(guān)鍵因素[20]。3D金屬打印市場(chǎng)滲透和增長(zhǎng)的當(dāng)前狀態(tài)是隨著技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，這也是其發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)的需要

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、美國(guó)試驗(yàn)材料學(xué)會(huì)（ASTM）和美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE）等許多知名組織正在制訂合格金屬打印部件的標(biāo)準(zhǔn)[11]。遵守標(biāo)準(zhǔn)的責(zé)任取決于不同的組織，具體取決于特定的工業(yè)部門(mén)。在美國(guó)，聯(lián)邦航空管理局負(fù)責(zé)航空航天工業(yè)的認(rèn)證，而食品藥品管理局則監(jiān)管生物醫(yī)學(xué)行業(yè)。當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的制訂發(fā)展緩慢，主要是面臨著在大型多參數(shù)操作窗口中，生產(chǎn)無(wú)缺陷、結(jié)構(gòu)合理且可重復(fù)零件的挑戰(zhàn)。打印機(jī)制造商、原料供應(yīng)商及用戶(hù)將在適應(yīng)和使用此標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮重要作用[2，3]。

4.4 原料兼容性

目前，只有少數(shù)幾種商業(yè)合金能可靠地用于3D打印制造行業(yè)[15]，許多其他潛在的用于打印的合金尚未經(jīng)過(guò)測(cè)試或尚不能作為打印原料而使用[11]，同時(shí)金屬打印還需要針對(duì)特定的打印工藝專(zhuān)門(mén)研發(fā)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(jí)，打印貴金屬和熔點(diǎn)很高的金屬組件也具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，將新材料用于3D打印通常需要強(qiáng)大的業(yè)務(wù)案例來(lái)支付對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試和鑒定的費(fèi)用[20]。

4.5 知識(shí)產(chǎn)權(quán)和網(wǎng)絡(luò)安全

隨著基礎(chǔ)專(zhuān)利的到期，知識(shí)產(chǎn)權(quán)格局迅速地發(fā)生變化，這使得更多的公司進(jìn)入打印市場(chǎng)。但是，打印制造方法及其子系統(tǒng)的后續(xù)專(zhuān)利仍可以使設(shè)備具有獨(dú)特性，并且由實(shí)體模型定義的組件可能與另一個(gè)系統(tǒng)上制造的組件不匹配。此外，數(shù)字設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工具的快速發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全也帶來(lái)了新的風(fēng)險(xiǎn)[29]。

4.6 缺乏經(jīng)驗(yàn)和培訓(xùn)

金屬打印行業(yè)的新興性質(zhì)極大地受益于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)將焊接工程師、操作員和冶金學(xué)家在該過(guò)程中的傳統(tǒng)角色所占比重降至最低。對(duì)金屬打印行業(yè)來(lái)說(shuō)，交鑰匙機(jī)器在制造領(lǐng)域吸引了全新的勞動(dòng)力來(lái)源。但是，這種趨勢(shì)的不利之處在于，許多新人才沒(méi)有受過(guò)焊接或冶金學(xué)的基礎(chǔ)教育，這些知識(shí)的缺乏會(huì)導(dǎo)致反復(fù)試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)時(shí)間顯著增加，并且制造組件的可靠性降低。此外，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)豐富的金屬打印領(lǐng)域的技術(shù)人員，相關(guān)的教育和培訓(xùn)通常也會(huì)受到限制，最終導(dǎo)致無(wú)法提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及具有最優(yōu)性能的零件設(shè)計(jì)的相關(guān)培訓(xùn)。

5 潛在的解決方案

目前，對(duì)于金屬打印行業(yè)產(chǎn)生的科學(xué)、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，仍沒(méi)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(jiàn)表1。

表1 對(duì)于來(lái)自科學(xué)、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)方面挑戰(zhàn)的解決措施

5.1 創(chuàng)建可打印性數(shù)據(jù)庫(kù)

在焊接實(shí)踐中，廣泛使用的焊接性數(shù)據(jù)庫(kù)有助于預(yù)測(cè)主要合金和焊接工藝的適當(dāng)組合，并指出在正常條件下是否建議進(jìn)行焊接，焊接難度或可行性。類(lèi)似地，可打印性能評(píng)估特定的打印工藝將原材料成功轉(zhuǎn)化為組件的能力，這取決于合金材料性能和工藝條件[1，14]?？纱蛴⌒詳?shù)據(jù)庫(kù)提供了打印產(chǎn)品質(zhì)量的相對(duì)結(jié)果，它考慮了對(duì)常見(jiàn)打印缺陷的敏感性，如未熔合、成分改變、殘余應(yīng)力和變形，還考慮了其冶金和力學(xué)性能[14]。目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有普遍適用的可打印性數(shù)據(jù)庫(kù)[1，14]，開(kāi)發(fā)這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)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(wú)需進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)測(cè)試，就可以減少甚至避免金屬打印中的常見(jiàn)缺陷。

5.2 開(kāi)發(fā)和利用機(jī)械模型

由于打印組件的微觀結(jié)構(gòu)、凝固組織、晶粒組織、拓?fù)涮卣饕约叭毕?，?huì)隨合金成分、印刷技術(shù)和工藝參數(shù)的不同而有很大差異，因此在打印前使用可驗(yàn)證的機(jī)械模型對(duì)這些特征進(jìn)行預(yù)測(cè)有助于控制它們。力學(xué)模型可以計(jì)算重要參數(shù)，例如溫度場(chǎng)、構(gòu)建幾何參數(shù)、冷卻速率、殘余應(yīng)力和變形。這些模型可以制作雙向的，以便于計(jì)算實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所需的冶金或機(jī)械特性對(duì)應(yīng)的過(guò)程變量。機(jī)械模型可以計(jì)算某種微觀結(jié)構(gòu)以獲得特定的冷卻速率所需的熱輸入量。通過(guò)計(jì)算機(jī)械模型，從而改善打印工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也需要先進(jìn)的計(jì)算算法、代碼以及高性能計(jì)算領(lǐng)域的創(chuàng)新。

5.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)字共享

數(shù)字共享包括打印過(guò)程中的機(jī)械模型、控制模型和統(tǒng)計(jì)模型，以及機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)，它們可以控制微觀結(jié)構(gòu)及其性能，并加快從設(shè)計(jì)到制造的過(guò)程[11，30]。在3D打印的數(shù)字共享模型中，傳感和控制模型可以與多個(gè)傳感器連接[11]。一個(gè)經(jīng)過(guò)良好測(cè)試的機(jī)械模型可以提供重要的冶金變量[1]。統(tǒng)計(jì)模型可以從機(jī)械模型和控制模型中學(xué)習(xí)先前的數(shù)據(jù)，根據(jù)其結(jié)果將錯(cuò)誤最小化。雖然現(xiàn)在已經(jīng)廣泛接受了數(shù)字共享方法的實(shí)用性，但是金屬打印數(shù)字共享的構(gòu)建和測(cè)試才剛剛開(kāi)始。

5.4 利用新興的數(shù)字化工具

金屬打印技術(shù)融合了材料、設(shè)備、計(jì)算以及數(shù)據(jù)的交叉運(yùn)作[1]。先進(jìn)的數(shù)字化工具可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)人類(lèi)智慧，以提供過(guò)程變量和產(chǎn)品屬性的優(yōu)化[31]。當(dāng)與創(chuàng)新的傳感器連接時(shí)，數(shù)字工具可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)-物理系統(tǒng)在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下檢測(cè)出缺陷并在打印過(guò)程中采取糾正措施。通過(guò)減少缺陷，持續(xù)的質(zhì)量改進(jìn)以及基于信息技術(shù)的制造來(lái)改善打印組件的工藝和質(zhì)量鑒定，更好地集成云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)-物理系統(tǒng)、人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。

5.5 制訂標(biāo)準(zhǔn)化政策

制訂新的政策，有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，以及員工隊(duì)伍的培訓(xùn)與知識(shí)的共享。未公開(kāi)參數(shù)集的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)商業(yè)模型可能會(huì)被打印行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化需求和原始設(shè)備制造商（OEM）的供應(yīng)商標(biāo)準(zhǔn)化需求所取代。新的政策必須解決這一變化，同時(shí)將應(yīng)用程序從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模擴(kuò)展到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中。此外，除了制訂為員工進(jìn)行認(rèn)證和培訓(xùn)所需的政策外，能否成功解決金屬打印中現(xiàn)存的問(wèn)題，還取決于原始設(shè)備制造商的供應(yīng)商以及用戶(hù)對(duì)這些政策的適應(yīng)程度。

5.6 競(jìng)爭(zhēng)前加強(qiáng)研究合作

各大學(xué)、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及公司之間的研究合作可以開(kāi)發(fā)工藝-微結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系，從而擴(kuò)展更多合金材料的3D打印應(yīng)用。為了更好地探索制造出工業(yè)中應(yīng)用的真實(shí)部件，可優(yōu)先選擇在大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行簡(jiǎn)單小試樣的測(cè)試，從而加速和擴(kuò)大3D打印行業(yè)的發(fā)展。在了解基本知識(shí)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息共享，可有效緩解嚴(yán)格的知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，避免造成對(duì)商業(yè)利潤(rùn)的威脅[29]。同時(shí)，不同組織之間的合作也會(huì)促進(jìn)知識(shí)共享，有助于為3D打印培養(yǎng)大量?jī)?yōu)秀的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員[32]。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)金屬打印行業(yè)面臨的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，采取相關(guān)的解決方案將進(jìn)一步擴(kuò)大3D打印在不同領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。冶金科學(xué)和其他技術(shù)的成熟、計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅猛發(fā)展以及高科技部門(mén)的創(chuàng)造力的協(xié)同作用是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵因素。