金屬材料3D打印技術研究現狀分析

夏張文，周偉民

（1.上海產業技術研究院，上海 201200；2.上海市納米科技與產業發展促進中心，上海 2000237）

3D打印技術即增材制造，其指的是基于三維的模型數據，使用相應的材料，通過逐層累加的方法，來實現生產制造過程。與傳統的生產制造方式相比較，3D打印技術在生產制造行業當中所帶來的影響是顛覆性的，整個生產制造的工藝、流程、工廠模式以及產業鏈，都因此發生了改變，特別是在一些結構極其復雜而精密的構件制造中，3D打印技術的應用更是具有突出優勢。如在金屬材料領域當中，目前的一些金屬構件設計相當復雜，而且精密度要求高。在這樣的情況下，金屬材料3D打印技術由于迭代速度快，成本日益降低、能力日益提升，所以應用日益廣泛，醫療、軍工、模具乃至航天等諸多行業，都可見到金屬材料3D打印技術的身影。

1 粉末床熔融

粉末床熔融是應用相對較多的一種金屬材料3D打印技術，其分為了若干的工藝類型，如選區激光燒結、選區激光熔化、電子束熔融。

1.1 選區激光燒結

選區激光燒結這種金屬材料3D打印的技術工藝，是由美國研究人員所提出的，其可以將諸多類型的物質作為打印材料，如塑料、陶瓷、尼龍、砂，以及本文主要探討的金屬材料等。選區激光燒結這種3D打印技術工藝需要用到二氧化碳激光器作為其能源，打印時要在工作臺上鋪上一層均勻的粉末，粉末大小為80um到300um。打印中，首先會將金屬材料預熱，接近于金屬的熔化點，然后通過激光對其進行截面掃描，提高粉末的溫度，至其熔化點，并燒結形成粘接。通過對這個過程的不斷重復，便可以獲得所需的金屬構件[1]。實際的制造中，選區激光燒結金屬粉末3D打印的方法可以分為直接燒結金屬原型件法和間接燒結原型件法，它們的原理雖然基本相同，但是也存在各自的特點。如間接燒結原型件法所使用的材料主要為聚合物與金屬的混合粉末，或者聚合物包覆金屬粉末，后處理工藝包括脫脂、高溫燒結、浸漬等，主要的特點是打印完成的構件，含有一定的未熔固相顆粒，因此成品的密度較低、孔隙率相對較高，并且表明粗糙，拉伸強度不是非常理想[2]。直接燒結金屬原型件法使用的材料為低熔點與高熔點金屬粉末混合，后處理工藝包括浸漬低熔點金屬、高溫燒結、熱等靜壓等，其特點是成件的相對密度更高，可以超過82%。

1.2 選區激光熔化

在選區激光燒結的基礎上，進一步發展出了選區激光熔化技術，這是現階段最為主流的3D打印技術，該技術于1995年由德國的一所激光器研究所提出，選區激光熔化和選區激光燒結在技術原理上，具有很高的相似性。但選區激光熔化為了完全熔化金屬粉末，使用的激光能量密度更大，不低于106W/cm2，通常以光纖激光器作為其打印時所使用的激光器[3]。選區激光熔化所使用的打印材料，以金屬粉末為主，如各種貴金屬、鈷鉻合金、鈦基合金以及模具鋼、不銹鋼等等。該種技術的主要優點在于，其能夠保持良好的成件表面光潔度，并且打印的尺寸精度較高，可以打印出結構復雜的精密構建[4]。還有就是其打印成件具有冶金結合組織，所以密度高、力學性能優良，在一些具有高標準、高要求的金屬構件生產制造中，尤為適用。不過其也有較為明顯的缺點，如設備的技術要求更高，因此價格較貴，而且打印速度緩慢，需有外部的支撐結構。

1.3 電子束熔融

這種技術和選區激光熔化又具有一定的相似性，差別在于其所使用的能量源不同，以電子束作為打印的能量源。它的主要技術優勢是在電子束下，材料的能量吸收、利用率更高，反射相當小，不會造成過多的能源浪費。再者是其粉末粒徑范圍寬，由于電子束具有更強的穿透力，所以可以將更厚的粉末層熔化，其鋪粉厚度往往需要達到75um到200um，金屬粉末的粒徑可在45um到105um，甚至更粗。并且其打印加工的效率高，利用磁偏轉線圈產生變化的磁場操縱電子束在粉末層上快速移動，掃描頻率為20kHz。打印完成的構件，殘余應力小，不需要外部的其他支撐，可以在多個行業的金屬材料打印中得到應用，以各種金屬作為加工材料。其缺點或者說技術限制，是需要保持真空狀態，對設備的氣密性具有特殊要求，而且會造成額外的能源消耗。成件完成后，熱量不能通過直接打開真空室排放，只能以輻射散失的方式排放，所以整體來說效率并不是非常理想。

2 定向能量沉積

作為另一種金屬材料3D打印技術，定向能量沉積工藝也得到了較高程度的關注和重視，其分為激光近凈成形、絲材電弧增材制造等具體工藝類型。

2.1 激光近凈成形

在激光近凈成形金屬材料3D打印中，激光束在底板或零件修復處形成熔池，與此同時將金屬粉末同步送入熔池中并快速熔化凝固，激光束按照掃描路徑由點到線、由線到面的順序熔覆，從而完成一層的打印工作。然后沿著垂直方向提升一定的高度，進行下一層的打印工作，如此循環往復直至制造出近凈形的零部件實體。但是該項技術工藝對金屬材料的3D打印，只能夠制造出構件毛坯，獲得毛坯之后，還需要進步通過數控加工，來提高其制造精度，這樣才能最終達到制造要求。不過在某些行業領域當中，該項技術還是相當適用的，如在磨損或破損葉片的修復和再制造中，通過該種技術的應用，便可以大大降低修復、制造的成本，并提高作業效率。激光近凈成形的主要特點、優勢，是能夠進行無模金屬材料構件打印制造，適應多種金屬材料打印加工，在損壞、磨損金屬構建的修復中，可以取得快速、低成本的作用效果。而且不論構件的復雜程度和尺寸大小，加工難度均不受影響，成件的金屬力學性能良好，技術兼容性強，可以與智能化技術聯用。

2.2 絲材電弧增材制造

采用電子束或是激光作為能源的金屬材料3D打印技術，雖然應用廣泛，在軍工、汽車以及航天領域當中，都已經得到了應用實踐，可以制造出高精尖類型的金屬構件，不過客觀來講，它們所存在的技術限制還較為明顯。如首先是成本較高，而且打印過程當中金屬粉末容易受到污染，利用率低。以電子束為能源的電子束熔融金屬材料3D打印受真空室尺寸的限制。以激光為能量源的選區激光燒結、選區激光熔化金屬材料3D打印，其打印生產制造效率又較慢，部分材料對激光的吸收率不高。所以，為了滿足航空航天領域大型化、整體化復雜結構件的需求，基于堆焊技術發展起來的低成本、高效率電弧增材制造技術受到研究機構的關注。如絲材電弧增材制造作為金屬材料3D打印技術，它所使用的能源可以是鎢極氬弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護焊等，通過逐層熔覆的基本工藝原理，將金屬絲材作為打印的原材料，按照設計的三維模型數據，準確的進行線-面-體打印。其主要的技術優勢是對金屬絲材的利用效率高，成本低，而且打印獲得的成件，組織密度均勻，各種尺寸和復雜度的構件，均可打印。實踐發現，通過該項技術生產制造高質量鈦金屬部件，能夠顯著降低生產制造成本，效率也可明顯提高。不過需要一提的是，該項技術的精度稍有欠缺，后期需要進行一定的表面加工。

3 粘合劑噴射

粘合劑噴射這種金屬材料3D打印技術，也會使用到粉床但不同的是，粘合劑噴射在打印過程當中，是采用噴墨打印頭，在打印物體的成形截面粉末當中，噴入粘合劑，從而使截面與粉末粘合起來，這樣一來，一層、一層的粉末，就可以通過粘合劑的作用，最終形成一個整體，打印出具有三維結構的物件。粘合劑噴射3D打印技術可以打印出多種材料的物件，如陶瓷材料、高分子材料，以及金屬材料。就金屬材料的打印而言，用于進行3D打印的原型件，需要在高溫燒結下，去除粘合劑，并將粉末顆粒之間，牢固的連接、融合起來，最終獲得強度、密度符合需求的打印成品。這種技術的主要優勢，是可以在燒結工藝的配合下，生產出100%密度的金屬部件，而且打印生產的設備成本、過程成本都較低，打印生產的速度也相當快，具有相當的發展潛力。

4 材料噴射

這種金屬材料3D打印技術方法是將材料以微滴的形式按需噴射沉積的增材制造工藝，其固化方式主要有三種，分別是冷卻凝固、光照固化和低溫燒結。以金屬納米顆粒噴墨技術為例，其基本的打印流程為將大分子金屬顆粒在打印機內部粉碎成納米級顆粒，然后將納米級金屬顆粒注入到粘合劑之中，形成打印墨水，在墨水中金屬顆粒以懸浮態均勻分布。通過特制的噴頭將墨水噴出，逐層噴射打印零件，層厚可小于2μm。成形后，在構建室內通過高溫將粘合劑蒸發，只留下金屬部分。它的主要技術優點是能使用普通的噴墨打印頭作為工具，成件機械性能良好，組織和化學成分更均勻，適應的材料種類多，顆粒度可調節。

5 薄材疊層

以薄層材料逐層粘結以形成實物的增材制造，便是薄材疊層金屬材料3D打印技術。現階段，超聲波增材制造是主要的薄材疊層金屬材料3D打印工藝，其基本的打印生產制造原理，是通過超聲波的連續振動帶來的壓力，使金屬箔相互之間發生高頻率的摩擦，剝離表面的污染物、氧化物。再通過超聲波的能量輻射，或是通過外部的其他加熱，來軟化金屬材料，并填充至已焊接完成的金屬箔片的表面兩層金屬箔片的分子相互滲透融合，焊接面的強度進一步提高，周而復始，層層疊加，最終成形。薄材疊層金屬材料3D打印技術的主要優勢是，可以在低溫的狀態下進行打印生產制造，其初始溫度僅為150℃，后期摩擦、塑形變形等過程中，局部溫度也只在200攝氏度左右，而且可以適應各種尺寸的構件打印，表面光潔度良好，打印速度快。

6 金屬材料3D打印技術的發展趨勢

現階段，金屬材料3D打印技術在應用時，對產品設計、參數處理等方面的專業性要求較高。除了增加工作人員的負擔外，也帶來了入門門檻高的問題。因此，隨著AI技術、大數據技術的發展，未來的3D打印技術將會向智能化、簡便化方向發展，為用戶提供更加良好的使用體驗。具體發展路徑包括兩方面：其一是硬件方面，即金屬材料3D打印設備。除了進一步降低設備價格外，還應當提供更多人性化的功能，例如可視化功能，向用于展示整個3D打印流程，用戶可以根據實時畫面隨時調節打印參數，有利于獲得想要的打印產品；其二是軟件方面，提供設計軟件、打印控制軟件等多種功能性軟件，支持更多類型的打印需求。再者，金屬材料3D打印技術的發展前景廣闊，在市場規模不斷擴大的背景下，要想讓3D打印可以得到規范化、產業化發展，必須加強頂層設計、健全行業標準。由政府相關部門，或者是行業內的權威機構，盡快編制并出臺統一的制度標準，包括材料生產標準、設備研發標準、技術評估標準等。有了完善的標準制度，為3D打印技術發展提供強有力的保障。

在如今的金屬材料領域當中，應當將3D打印技術的應用作為一項關鍵課題，積極加強研究、探討與實踐，既要客觀認識3D打印技術在金屬材料領域中的優勢，更要根據金屬材料生產制造需求，合理的選擇金屬材料3D打印技術類型，從而將其優勢切實的發揮出來，提高金屬材料生產制造的綜合效益。