李瑞鋒，李 客，周偉召

(1.陜西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，陜西 寶雞 721001； 2.陜西奇智聚德智能裝備有限公司，陜西 寶雞 721001； 3.洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471003； 4.陜西博鼎快速精鑄科技有限責(zé)任公司，陜西 渭南 714000)

3D打印技術(shù)是基于“離散/堆積成型”的成型思想，用分層加工的方法將成型材料“堆積”后，進而形成實體零件的一種技術(shù)，也稱為“快速成型技術(shù)”或“疊加制造技術(shù)”。從原理上講，3D打印需要通過計算機軟件建立一個三維數(shù)字化模型，根據(jù)打印工藝和零件的結(jié)構(gòu)不同，選擇合理間隔的切割平面將數(shù)字化模型分割成若干薄層，然后根據(jù)這些薄層的輪廓，按照先后順序逐層進行原料的熔化和堆積，最后形成一個立體實物。3D打印技術(shù)具有能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料、無需復(fù)雜的工裝、成型速度快的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在航空航天、武器、車輛制造、電子器件和生物組織工程等領(lǐng)域。因此，3D打印技術(shù)是最具有吸引力的制造業(yè)研究方向之一，并且被大多數(shù)學(xué)者認為是一次制造業(yè)的重大革命。

3D打印技術(shù)根據(jù)制造熱源的不同，分為激光3D打印技術(shù)、高能束3D打印技術(shù)。其中激光3D打印技術(shù)是當今眾多科研工作者研究的熱點方向，占絕對主流地位，在知網(wǎng)上以“激光技術(shù)”為關(guān)鍵詞的科研論文數(shù)量是以“高能束”為關(guān)鍵詞的科研論文數(shù)量的8倍。

激光3D打印技術(shù)，是一種利用激光來加熱材料并使其熔化，然后再逐層堆積成實物的增材制造技術(shù)。由于激光可以產(chǎn)生很高的能量，其能量足以使難融的金屬受熱熔化，所以，激光3D打印技術(shù)可以用于難熔金屬的3D打印，例如常見高溫合金就可以用3D打印技術(shù)進行加工。激光3D打印技術(shù)還有一個優(yōu)點就是可以打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，這是因為打印過程是一個逐層堆積材料的過程，零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在加工過程中是暴露在外的，所以它可加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。激光金屬3D打印的材料是金屬材料，能夠用于打印的材料種類多、成本低，打印出來的零件導(dǎo)電性好、強度高，因此，特別受科研人員重視，成為研究的重點之一。

目前，歐美發(fā)達國家都站在21世紀制造業(yè)競爭的戰(zhàn)略高度，對激光金屬3D打印技術(shù)進行了大量的開拓性研究，使激光金屬3D打印技術(shù)工藝更加豐富，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。同時，我國也在激光金屬3D打印技術(shù)領(lǐng)域投入大量人力物力進行研究，取得了豐碩的成果。本文先分別介紹4種常見的激光3D打印技術(shù)的工作原理及其特點，然后分別對每種打印技術(shù)在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用情況進行綜述，最后對激光3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢進行預(yù)測。

1 激光金屬3D打印的分類及其工作原理

激光金屬3D打印技術(shù)，根據(jù)金屬材料的成型工藝不同陸續(xù)產(chǎn)生多種打印技術(shù)，鑒于科研工作者對個別打印工藝的分類還存在分歧，因此本文僅介紹具有代表性的4種打印工藝：選擇性激光燒結(jié)；選擇性激光熔化；直接金屬激光燒結(jié)和激光工程凈成型。其中選擇性激光熔化和直接金屬激光燒結(jié)工藝基本相同，區(qū)別僅在于兩者的金屬粉末組分不同。下面分別介紹這4種金屬3D打印技術(shù)的工作原理及其特點。

1.1 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)(SLS)，是一種用激光束來燒結(jié)預(yù)先加熱過的提前鋪設(shè)在粉末床上的金屬粉末，由計算機控制進行分層燒結(jié)，分層堆積的零件加工技術(shù)。其工作原理如圖1所示。

圖1 SLS技術(shù)原理圖[7]

SLS技術(shù)的優(yōu)點：①可以快速打印，速度高達25.4 mm/h；②材料利用率高，沒有燒結(jié)的粉末可回收反復(fù)利用；③無需額外支撐結(jié)構(gòu)；④成型件致密度高。

SLS技術(shù)的缺點：①零件表面不光滑；②金屬顆粒結(jié)合度低，需要進一步熱處理；③如果采用氮氣作為保護氣體的話，會產(chǎn)生有害氣體。

1.2 選擇性激光熔化

擇性激光熔化(SLM )，是一種與SLS技術(shù)加工原理類似，克服了金屬粉末結(jié)合度不高缺點的一種3D打印技術(shù)。SLM技術(shù)的基本原理：先用計算機軟件構(gòu)建實物的數(shù)字化三維模型；然后根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)選擇合適的切割平面，將數(shù)字化三維模型切割成若干薄層。接著激光束在計算機的控制下沿著薄層的輪廓線進行運動，激光束照射到提前鋪設(shè)好的金屬粉末上，金屬粉末開始熔化然后再凝固成固態(tài)，沒有照射到的金屬粉末可以回收再利用；然后在凝固好的金屬上繼續(xù)下一層的金屬粉末的加工如此反復(fù)直到整個零件加工完成，SLM技術(shù)打印原理如圖2所示。SLM在加工零件的時候，為了防止零件受熱發(fā)生氧化反應(yīng)，成型室采用密封結(jié)構(gòu)用來隔絕空氣，并且充滿惰性氣體加以進一步的防護。

圖2 SLM技術(shù)原理圖[11]

SLM與SLS主要區(qū)別在于：SLS并未完全熔化金屬粉末，金屬粉末只是粘接在一起，需要進行后處理。而SLM由于使用的激光束能量很大，金屬粉末被完全熔化；然后冷卻凝固，零件可以達到很高的致密度，所以不需要進行再次燒結(jié)。

SLM優(yōu)點：①金屬顆粒完全熔化、逐層堆積而成，零件致密度和機加零件接近，超過99%；②打印零件的尺寸很準確(可達±0.1 mm)；③零件外觀光滑(Ra為20～50 μm)；④可打印的材料種類多，沒有熔化的金屬粉末可以重復(fù)利用；⑤無需后續(xù)處理工藝。

SLM缺點：①激光源功率大，密閉加工空間導(dǎo)致SLM加工成本高；②由于需要將金屬加熱至熔化，激光束停留時間長，打印速度偏低；③加工復(fù)雜，工藝參數(shù)優(yōu)化難度大；④需要額外材料固化后作為支撐，防止零件坍塌；⑤加工室需要惰性氣體保護。

1.3 直接金屬激光燒結(jié)

直接金屬激光燒結(jié)(DMLS )，是一種利用大功率激光束加熱金屬粉末層，并使其熔化的3D打印技術(shù)。DMLS與SLS的加工工藝是相似的，不同之處在于兩者的金屬粉末的組分不同。圖3給出了DMLS工藝中的重要部件有：打印平臺、粉末分配機構(gòu)、重涂臂、激光激勵器、光線調(diào)整機構(gòu)(光學(xué)元件，XY-掃描鏡等)、高速掃描儀和計算機工藝軟件等；其中高速掃描儀和計算機工藝軟件圖中未顯示。

圖3 DMLS技術(shù)原理圖[21]

DMLS與SLM主要區(qū)別在于兩者的金屬粉末組分不同。SLM技術(shù)用的是一種金屬粉末進行打印。然而DMLS技術(shù)用的是兩種以上的混合金屬混合粉末，金屬粉末在激光束的照射下完全熔化，不同材質(zhì)的粉末在熔化過程中相互滲透，提高了零件的致密度和精度。

DMLS優(yōu)點：①不需進行粉末預(yù)熱，打印的零件不必進行后處理；②零件的尺寸精度高(±0.05 mm)；③零件的致密度大于90%；④適用于個性化定制；⑤與其他激光3D打印不同，調(diào)整參數(shù)可以調(diào)整打印零部件的材料結(jié)構(gòu)/機械性能。

DMLS缺點：①不適合打印過于復(fù)雜精細的零件；②需要生成支撐，防止零件打印過程中坍塌。

1.4 激光工程化凈成型

激光工程化凈成型(LENS)，一種利用激光束將機體金屬熔化后將不同成分、不同性能的金屬粉末送入熔池中熔化的一種3D打印技術(shù)。Sandia國家實驗室和惠普(Pratt Whitney)公司共同提出激光工程化凈成型的概念并提出了技術(shù)方案，Optomec Design公司在該基礎(chǔ)上進一步研究后，于2017年取得了該技術(shù)的發(fā)明專利。其工作原理圖如圖4所示。

圖4 LENS 技術(shù)原理圖[23]

LENS與DMLS ，SLM和SLS主要區(qū)別在于金屬粉末的添加工藝不同。LENS技術(shù)成型過程中，采用的是同步送粉工藝，即金屬粉末通過噴射與激光束加熱同步進行。激光束將噴嘴噴射的金屬粉末加熱熔化，直到金屬粉末與底層金屬完成熔成一體后，激光束和送粉噴頭在計算機的控制下同步移動，進入下一點的加工。而DMLS、SLM和SLS技術(shù)先通過鋪粉結(jié)構(gòu)將金屬粉末鋪設(shè)一層，然后激光束按照預(yù)定軌跡進行燒結(jié)或熔化，如此反復(fù)直到整個零件加工完成。實際應(yīng)用中，也有部分DMLS設(shè)備采用激光和送粉同步工藝，主要用于壁厚超過1 mm的大型零件的加工。

LENS工藝的優(yōu)點：①相比SLM工藝，成型效率高；②金屬零件的致密度極高，可達100%；③LENS進行金屬零件表面噴涂，結(jié)合強度高于傳統(tǒng)噴涂和電鍍工藝；③可以進行零件表面缺陷的修復(fù)。

LENS工藝的缺點：①零件的成型精度稍低，尺寸偏差在3～6 mm；②零件需要后處理，進一步提高精度。

不同的激光金屬3D打印工藝, 具有不同的成型特點，只有根據(jù)打印材料和零件的結(jié)構(gòu)特點恰當選用打印工藝才能最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢。即使相同的打印工藝，不同的工藝參數(shù)對打印質(zhì)量和打印效率都有顯著影響。金屬3D打印工藝參數(shù)包含激光功率、粉層層厚、激光掃描間距、激光掃描方式、激光掃描速度、基板預(yù)熱溫度、金屬熔體溫度等成型參數(shù)。4種激光金屬3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的層厚和掃描間距如表1所示。加工過程中，應(yīng)該合理選擇工藝參數(shù)，達到減小零件表面粗糙度的目的。

表1 不同激光金屬3D打印技術(shù)的典型工藝參數(shù)

2 激光金屬3D打印技術(shù)的研究與應(yīng)用

2.1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究與應(yīng)用

SLS技術(shù)是激光金屬3D打印技術(shù)的重要分支之一，發(fā)展相對成熟，應(yīng)用十分廣泛，在軍工武器、航空航天、機械裝備和醫(yī)療衛(wèi)生等重大關(guān)鍵領(lǐng)域都有應(yīng)用。

汽車制造領(lǐng)域，德國EOS公司用SLS技術(shù)制造鋁合金賽車零件。

在航空領(lǐng)域，德國EOS公司采用SLS技術(shù)來制造飛機的零部件，在代號為F-35 Lighte-ningⅡ的飛機上使用了1 600個由SLS技術(shù)打印的零部件；歐洲宇航防務(wù)集團公司(EADS)在飛機制造過程中使用大量由SLS打印技術(shù)打印的零件。

在武器領(lǐng)域，美國采用SLS技術(shù)來制造導(dǎo)彈的零部件，代號為AIM-9的響尾蛇導(dǎo)彈中的基座就是用SLS技術(shù)打印出來的。

在醫(yī)療領(lǐng)域，德國EOS公司用SLS技術(shù)制造不銹鋼(型號：316L)內(nèi)腔鏡、鈦合金(型號：Ti64)醫(yī)療植入體等。有研究者利用SLS技術(shù)制造鈦合金生物骨支架，成型的零件經(jīng)900 ℃處理后抗壓強度能達到142 MPa。

在模具領(lǐng)域，1994年，DTM公司于研發(fā)一種叫做Rapid Steel的新技術(shù)，在其研發(fā)的SLS-2000設(shè)備上用樹脂包覆鐵粉打印出注塑模具，然后把模具放入高溫爐再次燒結(jié)，得到的打印模具與傳統(tǒng)工藝制作的模具性能相當。北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司研發(fā)的AFS-300金屬3D打印機已經(jīng)量產(chǎn)，該打印機可打印個性化定制的各類鑄造型殼和熔模，甚至鑄件原型。

2.2 選擇性激光熔化技術(shù)的研究與應(yīng)用

近幾年來，SLM技術(shù)越來越受到世界各國的重視，不斷加大技術(shù)研發(fā)的資金投入，SLM技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴大，在航空航天，國防軍工，裝備制造和醫(yī)療衛(wèi)生等重點領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

在裝備制造領(lǐng)域，設(shè)立于華中科技大學(xué)的模具國家重點實驗室快速制造中心瞄準SLM技術(shù)零件加工尺寸受限的痛點，從溫度控制，裝置預(yù)熱兩個方面進行攻關(guān)，又對激光掃描方式進行創(chuàng)新，一舉突破了這一難題，同時又很好地解決了大尺寸零件變形問題，在此基礎(chǔ)上先后研發(fā)了HRPM-Ⅰ和HRPM-Ⅱ兩套設(shè)備，其工作臺面可達250 mm×250 mm。

在航空領(lǐng)域，2012年美國通用電氣公司 (GE)，在飛機發(fā)動機的制造過程中大膽嘗試，成功地將SLM技術(shù)應(yīng)用于LEAP噴氣式發(fā)動機燃油噴嘴上，并制造成功。與此同時，歐洲空中客車集團創(chuàng)新中心 (Airbus Group Innovations) 也在大力推進SLM技術(shù)的應(yīng)用，先后在用空客320和380飛機艙門的零件制造中使用SLM技術(shù)。該公司以Ti-6Al-4V合金粉末為3D打印的材料, 采用SLM技術(shù)成功制造出艙門托架和發(fā)動機艙門鉸鏈。

在醫(yī)療領(lǐng)域，澳大利亞科學(xué)協(xié)會成功研制出SLM打印機，西班牙薩拉曼卡大學(xué)利用該打印機，進行了鈦合金材料的3D打印研究，成功打印出胸骨與肋骨，并成功植入胸廓癌病人體內(nèi)。西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院的科研工作者，用鈦合金材料3D打印出患者胸骨的缺失部分并植入患者體內(nèi)，完成了胸骨缺失部分的修復(fù)，取得良好效果。

2.3 直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)的研究與應(yīng)用

當前，DMLS技術(shù)是激光金屬3D技術(shù)的新熱點之一，該技術(shù)打印的金屬零件致密度高，因此在航空航天、軍工武器、模具制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于用該技術(shù)進行表面噴涂處理的結(jié)合度高于傳統(tǒng)金屬噴涂工藝，因此在機械零件的修復(fù)方面具有不可替代的作用。

在航空領(lǐng)域，美國奧斯汀大學(xué)用INCONEL625超級合金和Ti-6Al-4V作為打印的材料，按照一定比例混合后，用DMLS技術(shù)成功打印出F1戰(zhàn)斗機上的部分零件。北京航空航天大學(xué)對DMLS技術(shù)打印的零件的質(zhì)量缺陷形成機理和改進措施進行攻關(guān)，打印的鈦合金零件力學(xué)性能達到了同種材料的模鍛件水平。西北工業(yè)大學(xué)的研究團隊瞄準大尺寸零件進行研究，成功打印出飛機上的左上緣條，該零件最寬的地方達3 m、質(zhì)量高達196 kg，目前處于世界領(lǐng)先水平。

在武器領(lǐng)域，美國奧斯汀大學(xué)采用DMLS技術(shù)，以INCONEL625超級合金和Ti-6Al-4V合金的混合粉末為打印材料，成功制造出代號為AIM-9的導(dǎo)彈的部分零件。

在模具領(lǐng)域，德國EOS公司對大型模具冷卻進行深入研究，發(fā)現(xiàn)模具中異冷卻水路的冷卻效果直接影響模具的使用效率和壽命；但是異形冷卻水路制造十分復(fù)雜，該公司將DMLS技術(shù)用于異形水路的制造，顯著提升了水路的冷卻效果，進而提升了大型模具的使用效率和使用壽命。

在機械修復(fù)領(lǐng)域，隨著使用時間的推移，設(shè)備上的回轉(zhuǎn)零件會發(fā)生磨損和腐蝕現(xiàn)象，對于大型設(shè)備中這些回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量大，成本高，對零件進行局部修復(fù)而非重新制作是經(jīng)濟可行的方案之一。目前，DMLS技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于大型回轉(zhuǎn)部件的磨損和腐蝕修復(fù)，大大降低了設(shè)備的維修成本。

2.4 激光工程化凈成型技術(shù)的研究與應(yīng)用

目前，LENS技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療和機械制造等領(lǐng)域。

在航空領(lǐng)域，LENS技術(shù)用鈦合金作為打印材料打印的發(fā)動機葉片和輪盤的力學(xué)性能達到很高水平，與鍛造件的力學(xué)性能相當。與此同時，LENS技術(shù)打印的鈦合金零件還被安裝到各類飛機上，并取得很好地效果。北京航空航天大學(xué)王華明教授團隊專注耐磨涂層的研究，采用LENS技術(shù)進行金屬噴涂，在我國某新型航空發(fā)動機耐磨運動副零部件上進行融覆耐磨涂層研究，取得良好的效果。

在醫(yī)療領(lǐng)域，由于Ni、Ti和CoCrMo合金材料與人體的相容性好，被廣泛地用做人體植入體的材料。采用LENS技術(shù)用上述材料打印的植入體，空隙率高達70%，有效地延長了其使壽命。用LENS技術(shù)以CoCrMo合金為打印材料進行打印，打印的仿生骨和天然骨的的彈性非常接近。常見的生物骨的彈性模量的大概是3～20 GPa；而打印的仿生骨的是33～43 GPa，單純從彈性模量上考慮，兩者的差距已經(jīng)不明顯。

在機械制造領(lǐng)域，西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)者在零件的3D打印修復(fù)零件表面損傷方面也做了研究，成功修復(fù)了用K418高溫合金和DZ125鎳基高溫合金材料制作的零件。又有學(xué)者通過深入研究LENS技術(shù)，尤其是3D打印零件的開裂機理，通過調(diào)整參數(shù)的方式，有效控制了零件的開裂問題，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的LENS技術(shù)3D打印。目前有學(xué)者應(yīng)用該技術(shù)在陶瓷零件的打印方面也取得成功。

近年來，北京航空航天大學(xué)研究者關(guān)注LENS技術(shù)的加工工藝，通過調(diào)整各項工藝參數(shù)，努力提升產(chǎn)品性能。目前可以用LENS技術(shù)以Ti合金、Ni合金以及金屬間化合物材料進行3D打印。該大學(xué)研究團隊先后發(fā)表多篇論文對研究成果進行報道，打印的零件力學(xué)性能很好，相當于鍛造件，零件的組織也很均勻。

3 激光金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 4種激光金屬打印技術(shù)的特點

激光金屬3D打印技術(shù)是一項具顛覆性的零件制造工藝，相比于傳統(tǒng)工藝具有無需模具、材料利用率高、可以個性定制、可制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)等顯著優(yōu)勢。而且不同類型的激光金屬3D打印技術(shù)工藝有著各自的特點，呈現(xiàn)出優(yōu)勢互補式協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢，4種打印技術(shù)的主要工藝參數(shù)對照如表2所示。

表2 激光金屬3D打印技術(shù)的設(shè)備、材料和工藝[67]

3.2 發(fā)展趨勢和前景

設(shè)備方面

設(shè)備的加工效率和經(jīng)濟成本是制約激光金屬3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的限制條件，針對金屬3D打印技術(shù)效率低下的不足，可以通過增加激光器的功率和改進送粉方式加以改進；但是對3D打印技術(shù)的效率提高十分有限，3D打印技術(shù)在加工效率與傳統(tǒng)加工相比差距仍然很大。因此提高設(shè)備的加工效率和降低設(shè)備的成本成為現(xiàn)在研究的重點問題之一。除此之外，還可以通過多種技術(shù)的整合，克服激光金屬3D打印精度不足的缺點，例如可以通過3D打印與數(shù)控加工相結(jié)合，就可以克服3D打印精度不足的缺點，又不會增加太大的成本。目前德國的DMG MORI就開發(fā)出此類產(chǎn)品。它整合了激光金屬3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)機械加工，先用3D打印技術(shù)制造出復(fù)雜零件形狀，再用機械加工修正零件外觀，進一步提升零件的精度。

工藝方面

SLM工藝：目前雖然對激光金屬3D打印技術(shù)展開了大量前期研究，重點研究金屬的受熱變形，材料冷卻收縮機理；但是由于SLM打印過程過于復(fù)雜，往往伴隨著物理、化學(xué)等多方面的反應(yīng)，所以目前SLM技術(shù)仍然有很多難題沒有突破，打印的零件仍然存在球化、孔隙、裂紋等材質(zhì)缺陷的問題。

DMLS和SLM工藝：在DMLS和SLM成形過程中，為了熔化金屬粉末，必然采用大功率激光束，激光束產(chǎn)生的熱量過大，導(dǎo)致材料受熱不均，溫度變化劇烈，致使3D打印的零件產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終導(dǎo)致零件發(fā)生變形和開裂現(xiàn)象。深入研究3D打印零件的缺陷產(chǎn)生機理，在此基礎(chǔ)上進行工藝參數(shù)優(yōu)化，最大限度地控制打印零件的各類缺陷，是今后一段時間的研究熱點。因為打印零件的各類缺陷與內(nèi)應(yīng)力形成規(guī)律、組織凝固規(guī)律有著密切相關(guān)性，從零件的內(nèi)應(yīng)力和組織凝固規(guī)律出發(fā)研究零件的缺陷形成機理，是解決激光金屬3D打印零件成型缺陷重要突破方向之一。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，新材料、新技術(shù)、新工藝不斷發(fā)展，這些新技術(shù)被應(yīng)用到激光金屬3D技術(shù)中之后，給其帶來了巨大的活力。尤其在致密度、精度、粗糙度、強度和結(jié)合度等關(guān)鍵指標方面，激光金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)取得長足的進步，制備的零件已經(jīng)達到，甚至超過了傳統(tǒng)加工手段制備的零件。但是，激光金屬3D打印技術(shù)的固有缺陷，加工效率低、成本高、加工工藝復(fù)雜、需要額外支撐等缺點依舊沒有實質(zhì)性突破，嚴重制約其發(fā)展。因此，可以預(yù)測激光金屬3D打印技術(shù)將在零部件的修復(fù)、人體植入體等個性化定制方面會取得更大的成就。