金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展*

楊永強(qiáng)，劉 洋，宋長(zhǎng)輝

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

0 前言

3D 打印技術(shù)正在快速改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視并積極推廣該技術(shù)。不少專家認(rèn)為，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)為代表的新制造技術(shù)將推動(dòng)第三次工業(yè)革命。3D 打印技術(shù)其源可以追溯到快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，RP），從3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（3D CAD）發(fā)展開(kāi)始，人們就希望方便地將設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)化為實(shí)物。而3D 打印技術(shù)，就是在計(jì)算機(jī)中將3D CAD 模型分成若干層，通過(guò)3D 打印設(shè)備在一個(gè)平面上按照3D CAD層圖形，將塑料、金屬甚至生物組織活性細(xì)胞[1]等材料燒結(jié)或者黏合在一起，然后再一層一層的疊加起來(lái)。通過(guò)每一層不同的圖形的累積，最后形成一個(gè)三維物體。

金屬零件3D 打印技術(shù)作為整個(gè)3D 打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。

國(guó)外對(duì)金屬零件3D打印技術(shù)的理論與工藝研究相對(duì)較早，且在近幾年已有多家公司推出商品化的設(shè)備。而國(guó)內(nèi)的研究主要集中在基礎(chǔ)的工藝，華南理工大學(xué)[2]的研究重點(diǎn)是SLM 技術(shù)，清華大學(xué)[3]以EBM技術(shù)為主，南京航空航天大學(xué)[4]和華中科技大學(xué)[5]主要研究選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，近期也涉及到SLM 工藝。西北工業(yè)大學(xué)[6]深入研究了LENS工藝。

1 SLM/DMLS技術(shù)

SLM/DMLS 成型原理與選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）基本相同，其中DMLS工藝原理直接出自于SLS[7]。作為金屬零件3D打印技術(shù)的重要組成部分，兩者都可以直接進(jìn)行金屬零件直接制造，不需要后處理，因此本文將兩者歸納為一類。SLM 成型材料多為單一組分金屬粉末[8]，包括奧氏體不銹鋼[9]、鎳基合金[10]、鈦基合金[10]、鈷-鉻合金[11]和貴重金屬[12]等。激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合、高精度的近乎致密金屬零件，是極具發(fā)展前景的金屬零件3D打印技術(shù)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到航空航天、微電子、醫(yī)療、珠寶首飾等行業(yè)。SLM 工藝有多達(dá)50 多個(gè)影響因素[13]，作者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了對(duì)成型效果具有重要影響的六大類：材料屬性、激光與光路系統(tǒng)、掃描特征、成型氛圍、成型幾何特征和設(shè)備因素。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員主要針對(duì)以上幾個(gè)影響因素進(jìn)行工藝研究、應(yīng)用研究，目的都是為了解決成型過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，提高成型零件的質(zhì)量。工藝研究方面，SLM 成型過(guò)程中重要工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距和掃描策略等，通過(guò)組合不同的工藝參數(shù)，使成型質(zhì)量最優(yōu)[14-16]。SLM 成型過(guò)程中的主要缺陷有球化、翹曲變形。球化是成型過(guò)程中上下兩層熔化不充分，由于表面張力的作用，熔化的液滴會(huì)迅速卷成球形，從而導(dǎo)致球化現(xiàn)象[17-18]，為了避免球化，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦龃筝斎肽芰?。翹曲變形是由于SLM 成型過(guò)程中存在的熱應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度，發(fā)生塑性變形引起[19]，由于殘余應(yīng)力的測(cè)量比較困難，目前對(duì)SLM 工藝的翹曲變形的研究主要是采用有限元方法進(jìn)行[20-22]，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。應(yīng)用研究方面，國(guó)外已經(jīng)將SLM 工藝應(yīng)用于航空制造上，也有研究人員[23]采用SLM 成型了高縱橫比的鎳鈦微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），并投入應(yīng)用。Ti-6Al-4V 合金具有良好的生物相容性，作為生物植入體的材料得到國(guó)外研究人員的重視[24-25]。Traini[26]等成型了梯度化Ti-6Al-4V合金多孔牙科種植體，通過(guò)顯微組織分析、機(jī)械性能分析和表面處理，種植體與人體組織具有良好的相容性。Ciocca[27]等采用SLM工藝成型了用于萎縮性上頜拱的引導(dǎo)骨再生的定制化鈦合金網(wǎng)格假體，術(shù)前和術(shù)后頰腭的高度和寬度的誤差分別為2.57 mm和3.41 mm，滿足臨床要求。

國(guó)外對(duì)SLM 工藝進(jìn)行開(kāi)展研究的國(guó)家主要集中在德國(guó)、英國(guó)、日本、法國(guó)等。其中，德國(guó)是從事SLM 技術(shù)研究最早與最深入的國(guó)家。第一臺(tái)SLM 系統(tǒng)是1999 年由德國(guó)Fockele 和Schwarze（F&S）與德國(guó)弗朗霍夫研究所一起研發(fā)的基于不銹鋼粉末SLM 成型設(shè)備。目前國(guó)外已有多家SLM設(shè)備制造商，例如德國(guó)EOS 公司、SLM Solutions公司和Concept Laser 公司。華南理工大學(xué)于2003年開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)的第一套選區(qū)激光熔化設(shè)備DiMetal-240，并于2007年開(kāi)發(fā)出DiMetal-280，2012年開(kāi)發(fā)出DiMetal-100，其中DiMetal-100 設(shè)備已經(jīng)入預(yù)商業(yè)化階段。

2 LENS技術(shù)

LENS（Laser Engineered Net Shaping）是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種金屬零件3D打印技術(shù)。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。1999年，LENS工藝獲得了美國(guó)工業(yè)界中“最富創(chuàng)造力的25 項(xiàng)技術(shù)”之一的稱號(hào)。國(guó)外研究人員[28]研究了LENS工藝制備奧氏體不銹鋼試件的硬度分布，結(jié)果表明隨著加工層數(shù)的增加，試件的維氏硬度降低。國(guó)外研究人員[29]應(yīng)用LENS工藝制備了載重植入體的多孔和功能梯度結(jié)構(gòu)，采用的材料為Ni、Ti 等與人體具有良好相容性的合金，制備的植入體的孔隙率最高能達(dá)到70%，使用壽命達(dá)到7-12 年。Krishna[30-31]等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制備了多孔生物植入體，并研究了植入體的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)孔隙率為10%時(shí)，楊氏模量達(dá)到90 GPa，當(dāng)孔隙率為70%時(shí)，楊氏模量急劇降到2 GPa，這樣就可以通過(guò)改變孔隙率，使植入體的力學(xué)性能與生物體適配 。Zhang[32]等制備了網(wǎng)狀的Fe基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）組件，研究發(fā)現(xiàn)MG 的顯微硬度達(dá)到9.52 GPa。Li[33]通過(guò)LENS 工藝修復(fù)定向凝固高溫合金GTD-111。國(guó)內(nèi)的薛春芳[34]等采用LENS工藝，獲得微觀組織、顯微硬度和機(jī)械性能良好的網(wǎng)狀的Co基高溫合金薄壁零件。費(fèi)群星[35]等采用LENS工藝成型了無(wú)變形的Ni-Cu-Sn合金樣品。

圖1 三款設(shè)備

3 EBSM技術(shù)

EBSM 技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代中期發(fā)展起來(lái)的一種金屬零件3D打印技術(shù)，其與SLM/DMLS系統(tǒng)的差別主要是熱源不同，在成型原理上基本相似。與以激光為能量源的金屬零件3D打印技術(shù)相比，EBSM 工藝具有能量利用率高、無(wú)反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點(diǎn)[36]。在目前3D打印技術(shù)的數(shù)十種方法中，EBSM 技術(shù)因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度關(guān)注。國(guó)外對(duì)EBM工藝?yán)碚撗芯肯鄬?duì)較早，瑞典的Arcam AB公司研發(fā)了商品化的EBSM 設(shè)備EBM S12 系列，而國(guó)內(nèi)對(duì)EBSM 工藝的研究相對(duì)較晚。Heinl[37]等采用Ti6-Al4-V、Ramirez[38]采用Cu、Murr[39]采用Ni基和Co基高溫合金、Hernandez[40]等人采用TiAl制備了一系列的開(kāi)放式蜂巢結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變預(yù)設(shè)置彈性模量E，可以獲得大小不同的孔隙，降低結(jié)構(gòu)的密度，獲得輕量化的結(jié)構(gòu)。K.N.Amato[41]等人利用Co基高溫合金矩陣顆粒制備了柱狀碳化物沉積結(jié)構(gòu)。Ramirez[42]等采用Cu2O制備了新型定向微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在制備過(guò)程中，柱狀Cu2O沉淀在高純銅中這一現(xiàn)象。劉海濤[36]等研究了工藝參數(shù)對(duì)電子束選區(qū)熔化工藝過(guò)程的影響，結(jié)果表明掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度呈明顯的線性關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層面質(zhì)量。鎖紅波[43]等研究了EBSM制備的Ti-6Al-4V 試件的硬度和拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能，結(jié)果表明成型過(guò)程中Al元素?fù)p失明顯，低的氧氣含量及Al含量有利于塑性提高；硬度在同一層面內(nèi)和沿熔積高度方向沒(méi)有明顯差別，均高于退火軋制板的硬度水平。

4 華南理工大學(xué)金屬零件3D打印研究現(xiàn)狀

華南理工大學(xué)激光加工實(shí)驗(yàn)室自2002年開(kāi)始追蹤國(guó)外金屬零件3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，經(jīng)過(guò)十幾年的研究，在設(shè)備研發(fā)、工藝過(guò)程及設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制和應(yīng)用探究等方面均取得卓有成效的進(jìn)展。

4.1 設(shè)備研發(fā)

華南理工大學(xué)激光加工實(shí)驗(yàn)室分別于2004年、2007 年研發(fā)了DiMetal-240、DiMetal-280，并于2012年開(kāi)發(fā)了最新一款預(yù)商業(yè)化設(shè)備DiMetal-100，如圖1所示。

其性能如表1所示。

表1 三款設(shè)備的性能比較

4.2 SLM工藝研究現(xiàn)狀

4.2.1 致密度優(yōu)化

SLM 成型過(guò)程中，高能量密度的激光束將金屬粉末瞬間熔化，然后又快速冷卻，此過(guò)程非常不穩(wěn)定，造成成型件表面和內(nèi)部產(chǎn)生大量氣孔，導(dǎo)致成型件致密度不高。為此提出用層間錯(cuò)開(kāi)掃描策略[44]，如圖2所示。

在圖2（a）中，第N+1層掃描線在N層掃描線的頂部熔合，熔化金屬液主要潤(rùn)濕在N 層的頂部，造成兩側(cè)鋪粉厚度增加，熔化金屬不能充分潤(rùn)濕兩側(cè)，容易產(chǎn)生孔隙與結(jié)合不牢等缺陷。圖2（b）是層間錯(cuò)開(kāi)掃描策略示意圖，當(dāng)?shù)贜 層掃描完后，鋪下一層粉，第N+1層掃描線偏移一定距離，使得激光在第N 層的搭接凹谷處開(kāi)始掃描。熔化后的金屬液與第N 層掃描線的側(cè)面潤(rùn)濕，金屬液在重力作用下潤(rùn)濕填充凹谷處，兩層之間的熔合線結(jié)合緊密，鮮有孔洞，潤(rùn)濕效果良好，致密度近乎100%。

圖2 掃描策略

研究發(fā)現(xiàn)，在層間錯(cuò)開(kāi)掃描策略下，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描間距和鋪粉厚度）可以極大地提高零件的致密度[15-16，45]，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的零件致密度能夠達(dá)到98%以上，與熔模鑄造金屬零件的致密度相差無(wú)幾。

4.2.2 表面質(zhì)量?jī)?yōu)化

SLM 成型零件的表面粗糙度一般為15 ～50 μm，相比于傳統(tǒng)方式加工的零件有不小的差距。雖然SLM 成型件經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單手工打磨或者采用噴丸、電解拋光處理等方式進(jìn)行后處理能夠獲得良好表面質(zhì)量，如圖3和圖4所示。但是當(dāng)零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且為關(guān)鍵功能部位，或者是一些精細(xì)零件時(shí)，采用上述后處理方法將不再適用。所以，直接優(yōu)化改善SLM 成型件表面質(zhì)量更為關(guān)鍵，改善的方法包括從工藝、粉末選擇、特殊的掃描策略等方面。研究發(fā)現(xiàn)，采用大間距且相鄰層問(wèn)掃描線錯(cuò)開(kāi)的掃描方式，能夠?qū)⒋植诙萊a控制在8 μm以下[46]。

圖3 成型件表面形貌

圖4 電解拋光后的表面形貌

4.2.3 懸垂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

懸垂結(jié)構(gòu)使SLM 成型零件的局部形狀精度、尺寸精度不能達(dá)到要求，或者成型過(guò)程失敗。懸垂結(jié)構(gòu)的成型主要是預(yù)先添加支撐以保證成型過(guò)程的穩(wěn)定性，成型結(jié)束后再去除支撐，獲得完整的零件。在懸垂結(jié)構(gòu)不可避免的情況下，如果能夠在不添加支撐情況下將懸垂結(jié)構(gòu)順利成型完成對(duì)SLM 工藝的提升和應(yīng)用范圍拓展具有很大的意義。當(dāng)然，由SLM 成型的機(jī)理可知，這幾乎是不可能的，只能通過(guò)優(yōu)化成型過(guò)程，盡量減少支撐。

圖5 是任意曲面零件分層后的示意圖。其中，a～b段與c～d段在SLM成型過(guò)程中將遇到懸垂面成型，在分層切片時(shí)會(huì)形成沒(méi)有自我支撐的懸空部分，層與層之間懸空部分的長(zhǎng)度S＝H·cotθ。

圖5 懸垂面的切片原理模型

其中H為切片厚度，傾斜角θ為切片層輪廓與水平面所成的夾角。在SLM 成型中，S 值越大越容易造成懸垂物與翹曲變形，對(duì)成型很不利，故切片厚度不宜過(guò)大。在分層處理時(shí)，需要合適地?cái)[放零件，使懸垂面最少。

4.3 SLM應(yīng)用研究

SLM 工藝可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合、高精度的近乎致密金屬零件，因此被廣泛地應(yīng)用到醫(yī)療上，用以成型具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)且與生物體具有良好相容性的植入體。包括個(gè)性化骨科手術(shù)模板、個(gè)性化股骨植入體和個(gè)性化牙冠牙橋植入體，如圖6-8所示。

圖6 SLM成型的不銹鋼個(gè)性化骨科手術(shù)導(dǎo)板[47]

圖7 SLM 成型的個(gè)性化不銹鋼股骨植入體[48]

圖8 SLM 成型的個(gè)性化牙冠牙橋[49]

現(xiàn)代制造業(yè)將是向著節(jié)能環(huán)保，工藝流程簡(jiǎn)單的方向發(fā)展，免裝配機(jī)構(gòu)的概念就是在這種背景下提出來(lái)[50]，即采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和裝配并采用選區(qū)激光熔化（SLM）一次性直接成型、無(wú)需實(shí)際裝配工序的機(jī)構(gòu)。免組裝機(jī)構(gòu)具有無(wú)需裝配、避免裝配誤差、多自由度設(shè)計(jì)、無(wú)設(shè)計(jì)局限等優(yōu)勢(shì)，但是在SLM 直接制造過(guò)程中要注意支撐的合理性，零件打印成型方向的合適性以及工藝參數(shù)的合理性，如圖9所示。

圖9 SLM成型的免組裝萬(wàn)向節(jié)機(jī)構(gòu)

此外，本實(shí)驗(yàn)室在SLM 工藝的探索過(guò)程中，積累了一些典型的應(yīng)用實(shí)例，如圖10-12 所示，每一個(gè)實(shí)例的成功都是在SLM 工藝不斷成熟的條件下取得的。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖10 自由設(shè)計(jì)的鑰匙

圖11 自由曲面耦合設(shè)計(jì)的齒輪

圖12 具有復(fù)雜水冷與保護(hù)氣通道噴嘴

隨著社會(huì)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，金屬零件3D打印技術(shù)將會(huì)在更加廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，極大地改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞健ＴO(shè)計(jì)人員不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源約束，拓展產(chǎn)品創(chuàng)意創(chuàng)新空間，降低產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新成本，并縮短研發(fā)周期，同時(shí)增強(qiáng)了我國(guó)工藝制造能力。在未來(lái)，金屬零件3D 打印在航空航天、生物醫(yī)療、工業(yè)模具、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒌玫綐O為廣泛的應(yīng)用。

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