張賽博，趙俊淞，李小海，高勝學(xué)，丁興平

（佳木斯大學(xué) 機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

隨著社會的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進步，金屬3D 打印技術(shù)以其材料利用率高以及制造周期短，靈活性高等特點迅速在金屬制造業(yè)中占據(jù)了重要的地位，金屬3D 打印技術(shù)可以打印一些體積小結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高精密的金屬零件，所以該技術(shù)對提高整個工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率起著關(guān)鍵的作用，改善了金屬零件制造的現(xiàn)狀，在制造金屬零件的過程中提供了更多的可能性，促進了金屬制造業(yè)的發(fā)展[1，2]。

1 金屬3D 打印技術(shù)的應(yīng)用

目前，市場上主流的直接用于制造金屬零件金屬3D 打印技術(shù)有：選擇性激光燒結(jié)（selective laser sin原tering，SLS）技術(shù)、選擇性激光熔化（selec-tive laser melting，SLM）技術(shù)、直接金屬激光燒結(jié)（direct metal laser sintering，DMLS）技術(shù)、激光近凈成形（laser engi原neered net shaping，LENS）技術(shù)和電子束選區(qū)熔化（electron beam selective melting，EBSM）技術(shù)等。

1.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)是出現(xiàn)最早的金屬3D 打印技術(shù)，所采用的冶金機制為液相燒結(jié)機制，所使用的材料為高熔點金屬與低熔點金屬或者高分子材料的混合粉末，在熔融的過程中低熔點的金屬或者高分子材料粉末融化，而高熔點的金屬粉末不會融化，并且作為結(jié)構(gòu)金屬保留其固相核心。而被融化的材料作為粘結(jié)金屬在熔融過程中生成液相將固相金屬進行包覆、潤濕和粘結(jié)以此使燒結(jié)致密化。整個工藝裝置包括粉末缸和成型缸兩個部分，工作時左面的粉末缸上升一層，然后通過鋪粉輥將粉末在成型缸中均勻的鋪一層，再由計算機控制的激光束根據(jù)切片后的模型進行在粉末上進行掃描，使金屬粉末達到熔點并進行燒結(jié)來完成零件的一層截面，完成后成型缸下降一層高度，鋪粉輥會在成型缸中重新鋪上一層均勻的粉末，進行下一層的燒結(jié)，如此往復(fù)來完成整個零件的制作。工作原理如圖1 所示。

圖1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)原理圖

選擇性激光燒結(jié)的特點：優(yōu)勢有：（1）可以使用多種材料。包括高分子材料、金屬粉末、陶瓷粉末、尼龍粉末等，選擇性強。（2）不需要支撐。因為在打印過程中未經(jīng)燒結(jié)的粉末即可支撐生成的懸空層。（3）材料利用率高。打印過程中無需支撐，且材料價格低。劣勢有：（1）表面粗糙。SLS 工藝制造原型的表面是粉末進行熔融粘結(jié)的，為粉粒狀，所以表面質(zhì)量不高。（2）工藝過程中有異味。這是因為高分子材料或者粉粒在燒結(jié)時會散發(fā)異味。

1.2 選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)

選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)是在SLS 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本原理與SLS 相似，首先由計算機三維建模軟件建立模型，再由切片軟件調(diào)整參數(shù)并得出每一層的數(shù)據(jù)，再由計算機控制激光束進行逐層掃描融化層層堆積成型，需要注意的是，SLM 工藝過程中為了防止金屬在高溫下與其他氣體反應(yīng)，需要在惰性氣體下進行，與SLS 工藝不同的是，SLM 工藝中必須要求金屬粉末完全熔化再冷卻成型，所以需要高功率密度的激光器對粉末進行掃描，工作原理如圖2 所示。

圖2 選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)原理圖

選擇性激光熔化的特點：優(yōu)勢有：（1）加工過程中粉末完全熔化且不需要粘結(jié)材料，所以，加工所形成零件的精度以及力學(xué)性能都要比SLS 成型的好。（2）致密度高。激光束光斑直徑細微，致密度接近100%，幾乎等于冶金。（3）可以簡單并且直接的制造出復(fù)雜形狀的金屬件。劣勢有：（1）設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜。需要專業(yè)人員來操作。（2）后處理復(fù)雜。SLM 工藝需要添加支撐，需要對成型件進行后處理來去掉支撐。

1.3 電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)

EBSM 設(shè)備中兩最個重要的部分包括電子槍、真空室。電子槍包括陽極、陰極、柵級，燈絲、偏轉(zhuǎn)線圈以及聚焦線圈。真空室包括鋪粉器、活塞以及儲粉箱等組成。工作原理是電子槍最上面的燈絲（一般為鎢絲）在高溫條件下其表面產(chǎn)生大量的熱電子，并通過陰極進行發(fā)射，柵級頂端開有小孔，通過與陰極的相對位置可以控制電子束的通過量，在陽極的加速作用下獲得很高的動能，可加速到光速的一半至三分之一左右。在聚焦線圈的作用下對電子束進行聚焦，隨即進入偏轉(zhuǎn)線圈，在偏轉(zhuǎn)線圈的作用下可以對電子束進行偏轉(zhuǎn)，在計算機的控制下對粉末進行選擇性掃描。粉末放置在儲粉箱內(nèi)，工作時通過鋪粉器在粉床上均勻的鋪上一層粉末，利用低能量、低掃描速度電子束對粉床進行預(yù)熱，使得溫度在金屬粉末熔點溫度以下，隨即采用更大的能量和掃描速度對粉末進行熔化，在電子束與金屬粉末撞擊時，其動能轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬粉末熔化。在完成一層的掃描之后，活塞下降一層，鋪粉器重新鋪粉，對新的粉末層進行預(yù)熱和熔化，如此往復(fù)，直到金屬零件完全成型。需要注意的是，EBSM 過程中需在真空條件下進行，零件制作完成后，需要裝置移入后處理設(shè)備中通過吹壓縮氣體來去除周圍粉末，得到最終的打印件，同時剩余的粉末可以重新進行利用[3，4]。工作原理如圖3 所示。

圖3 電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)原理圖

電子束選區(qū)熔化的特點：優(yōu)勢有：（1）EBSM 技術(shù)在真空條件下預(yù)熱溫度很高，可以熔解高熔點金屬，減小了熱應(yīng)力集中，避免了成型件產(chǎn)生彎曲變形的現(xiàn)象。（2）成型過程中不需要支撐。未燒結(jié)的粉末作為支撐，制作完成后只需吹去粉末即可。劣勢有：（1）“吹粉”現(xiàn)象。鋪粉器鋪在粉床上的粉末在電子束的作用下離開預(yù)先的鋪設(shè)位置。出現(xiàn)的原因是電子束使導(dǎo)電性差的粉末帶上靜電，由于靜電的排斥力導(dǎo)致粉末產(chǎn)生潰散。（2）“球化”現(xiàn)象。指金屬未完全熔化而形成了一群彼此分開的金屬球。（3）設(shè)備需要真空條件下完成，維護成本高，且電子束沉積過程中會產(chǎn)生伽瑪射線，可能會導(dǎo)致泄漏，污染環(huán)境等。

1.4 激光近凈成形（LENS）技術(shù)

該技術(shù)上世紀于美國Sandia 國家實驗室率先推出的工藝，該工藝結(jié)合了激光熔覆技術(shù)與選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，采用同軸送粉方法，與激光形成熔池，熔池中粉末熔化再凝固來實現(xiàn)零件的制作。

激光近凈成形的特點：優(yōu)勢有：（1）LENS 技術(shù)采用金屬快速熔凝，成型得到的零件致密度高，力學(xué)性能好。（2）不需要采用模具，節(jié)約成本，可以實現(xiàn)非均質(zhì)材料的加工。劣勢有：（1）成型件表面質(zhì)量不高，表面粗糙，成型過程中熱應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋。（2）成型過程中需采用保護性氣體，同時由于采用的是鈦合金粉末等，使得成本較高。

1.5 直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）技術(shù)

DMLS 技術(shù)是SLS 技術(shù)的一個分支，于20 世紀90年代開始形成，DMLS 技術(shù)直接采用金屬粉末進行燒結(jié)，與SLM 技術(shù)的區(qū)別是，SLM 技術(shù)要求金屬粉末完全熔化，而DMLS 只需要達到燒結(jié)就可以[5]。

直接金屬激光燒結(jié)的特點：優(yōu)勢有：（1）可以直接對金屬件進行燒結(jié)（2）可以使用多種材料。例如不銹鋼，鈷基，鎳基等。（3）加工形成的工件組織致密，結(jié)合強度高。劣勢有：（1）“球化”現(xiàn)象。（2）容易燒結(jié)變形，致密度不高。

1.6 新技術(shù)

例如電弧增材制造（WAAM），納米顆粒噴射金屬成型（NPJ）以及超聲波固結(jié)（UAM）等等，這些技術(shù)在將來都有很大的發(fā)展空間[6]。

2 金屬3D 打印技術(shù)的發(fā)展前景

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域范圍擴大

如今金屬3D 打印不再局限于機械模具加工和制造領(lǐng)域，也可以應(yīng)用與其他領(lǐng)域?？梢詰?yīng)用于航空航天領(lǐng)域，利用金屬3D 打印技術(shù)可以替換掉一些已損壞的零件，從而避免大成本的整機替換，延長了其使用壽命；還可以打印飛機的關(guān)鍵構(gòu)件，例如2018年11月，GE 研發(fā)的金屬3D 打印發(fā)動機支架獲批應(yīng)用于飛機制造中[7]?？梢詰?yīng)用于教育教學(xué)領(lǐng)域，金屬3D打印可以作為教學(xué)儀器來引導(dǎo)學(xué)生認識這項技術(shù)，還可以打印教學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生更直觀的了解模型，提高教學(xué)質(zhì)量?？梢詰?yīng)用于汽車領(lǐng)域，2017年大眾汽車打印出的制動鉗通過了專業(yè)測試，滿足了重量最小和強度最高的目標；還可以用于汽車零部件修復(fù)等。除此之外，還可以應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，鈦合金作為一種最常用的牙種植體的材料，傳統(tǒng)的制造方法不僅價格昂貴，而且尺寸單一，不能進行個性化生產(chǎn)，如今可以直接使用通過掃描患者口腔，通過建立牙種植體模型然后利用金屬燒結(jié)技術(shù)直接打印，大大降低了加工的成本和步驟，還有潛在的應(yīng)用領(lǐng)域例如制作一些家居、玩具以及動漫模型等等。

2.2 打印機設(shè)備以及材料專業(yè)化

我國的金屬3D 打印技術(shù)處于剛開始的階段，打印設(shè)備較少而且也不完善，發(fā)展處于瓶頸期。如需改善這種情況就需要打造高性價比的設(shè)備，持續(xù)拓展打印機理，例如需要對并行打印[8，9]、多材料打印、多噴頭打印、大件打印、連續(xù)打印等金屬3D 打印機理進行深入研究，并以此為基礎(chǔ)應(yīng)用于產(chǎn)品制造。打印材料的局限性也在一定程度上制約著金屬3D 打印的發(fā)展，在打印材料方面應(yīng)實現(xiàn)對不同種材料進行打印，打印不同的材料以應(yīng)用于不同的地方。例如鈷材料可以用于燃氣輪機；鎳材料可以應(yīng)用于燃燒室；貴金屬可以用于電子器件集成，以及一些難熔的金屬材料如鎢。新型的打印方式以及新型金屬材料的打印將會是今后的研究熱點和重點，目的是提高金屬3D 打印的質(zhì)量和產(chǎn)量以滿足不同場景和條件的生產(chǎn)[10，11]。

2.3 打印技術(shù)更加完善

金屬3D 打印技術(shù)目前發(fā)展迅速，目前金屬3D打印機分為桌面級和工業(yè)級，桌面級主要是打印體積較小、精度要求較低的產(chǎn)品，工業(yè)級主要是用于對產(chǎn)品質(zhì)量要求高的生產(chǎn)領(lǐng)域。金屬3D 打印技術(shù)的本質(zhì)是金屬焊接，在生產(chǎn)過程中避免不了產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。這些打印件在應(yīng)用到實際生產(chǎn)中之前必須進行檢測，所以對打印件的精度、強度等進行了一定的要求[12，13]。為保證產(chǎn)品的合格性，需制定金屬3D 打印技術(shù)的標準以及進行相關(guān)認證工作，對設(shè)備、材料、打印技術(shù)、質(zhì)量、安全等多個方面進行規(guī)范，只有這樣才能保證金屬3D 打印技術(shù)健康持續(xù)的發(fā)展。

3 結(jié)語

金屬3D 打印技術(shù)在我國取得了一些成就，但由我國對于金屬3D 打印技術(shù)的起步比較晚，發(fā)展的水平較國外相對落后，但是總的來說我國在金屬3D 打印技術(shù)方面有著很大的發(fā)展前景，所以我國必須加快對金屬3D 打印方面的研究，突破工藝、效率等瓶頸問題，這樣才能更好推動金屬3D 打印技術(shù)的發(fā)展，并且將一些比較完善、比較成熟的技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中去，在實踐中不斷創(chuàng)新，推動現(xiàn)代制造業(yè)的蓬勃發(fā)展。