金屬3D 打印技術概述

于忠斌， 張中標， 尹婷婷， 郭 松

（1.海軍裝備部， 四川 成都 610000； 2.中國核動力研究設計院， 四川 成都 610000）

引言

3D 打印技術是一種將建立的三維數字化模型通過切片軟件進行路徑規劃，再使用粉末、線材、液體等材料逐層堆積完成三維實體模型制造的技術。作為對傳統加工方式的補充，3D 打印技術的主要特點是無需開模、材料利用率高，并且可以制造傳統加工方式難以加工的復雜結構件，因此在航空航天、工業制造、醫學教育等眾多領域得到廣泛應用[1-3]。

金屬3D 打印技術成型工藝最為豐富、市場化應用最多的有粉末床熔融技術（VBF）和定向能量沉積技術（DED）。其中，粉末床熔融技術代表工藝有選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融（EBM），定向能量沉積技術代表工藝有激光凈成型技術（LENS）[4-6]。另外，還有原子擴散3D 打印技術（ADAM）、納米顆粒噴射（NPJ）、大面積光刻（DiAM）等一些新興的金屬3D 打印技術不斷涌現。本文主要介紹這些相關的金屬3D 打印技術的基本原理、特點以及發展趨勢。

1 金屬3D 打印技術

1.1 選擇性激光燒結（SLS）

選擇性激光燒結（SLS）屬于粉末床熔融技術的一種。打印開始前，先將粉末全部預熱至低于燒結點的某一溫度，然后用鋪粉滾筒將粉末均勻地分布和散布，以形成一個水平、均勻的表面，完全覆蓋整個打印區域。接著將聚焦的激光束精確地對準粉末層，并掃描零件的橫截面。降低打印平臺，并重復該過程，直到燒結所有層。該技術所采用的原材料粉末多為混合物，即在激光照射下，只有一部分低熔點的金屬熔化，會作為黏合劑將未熔化的金屬粉末粘結在一起。顯然，只需考慮讓作為黏合劑的金屬熔化，這使得SLS 的材料選擇廣泛，打印成本也更低。另外，SLS 還具有一個突出特點是沒有被激光燒結的粉末可以作為支撐，因此不需要打印額外支撐材料。即便如此，SLS 也有著不可忽視的一些缺點，像零件疏松多孔、致密度低，表面粗糙度較大，力學性能不足等[7-8]。這使得SLS 工藝在工業應用甚至高端裝備領域的應用受到一定限制。

1.2 選擇性激光熔融（SLM）

選擇性激光熔融（SLM）也屬于粉末床熔融技術的一種，是在SLS 基礎上發展起來的金屬3D 打印技術。它的成型原理與SLS 極為相似，不同點在于，SLM 的激光溫度較高，會完全熔化所有金屬粉末成型[9-11]。因此，在SLM 整個打印過程中需要在惰性氣體保護的腔體中進行，以避免金屬發生氧化。這給SLM 帶了更好的成型性能，相比SLS 制造的金屬零件的致密度更高，力學性能更好，尺寸精度更高、表面粗糙度也更高，這也是SLM 應用相比SLS 更為廣泛的原因。但同時，正是由于熱影響的作用，打印懸空結構時，最好設計有支撐結構。因此，導致SLM 工藝參數復雜、制造速度偏低，尤其是面對需要大量支撐結構的復雜零件，SLM 的打印成本、時長會明顯提高。

1.3 電子束熔融（EBM）

電子束熔融（EBM）與SLS、SLM 類似，不同之處在于，EBM 是采用高能量、高速度的電子束熔化金屬粉末層或金屬絲[12-13]。電子束由一組電磁線圈控制，這些線圈精確地將電子束指向需要熔化的區域，電子束在融化粉末時選擇性地移動，使金屬粉末融合在一起。由于EBM 采用電子束加熱，產生的溫度較高，因此多用于打印鈦、鉻鈷合金。另外，相對于激光束熔化金屬粉末來說，EBM 可以通過高能電子束本身的特性很好地創造一個真空環境，不用專門設置用于隔離材料粉末與外部空氣的環境。這也使得EBM 打印的零件密度高、強度高，變形風險低。

1.4 激光近凈成型技術（LENS）

激光近凈成型技術（LENS）是在激光熔覆技術的基礎上結合選擇性激光燒結技術發展起來的一種金屬3D 打印技術[14]。該技術由激光系統、粉末輸送系統與惰性氣體保護系統組成。與SLS 相似的是，激光系統也是加熱元件，但是區別在于LENS 是對金屬基體進行加熱熔化。同時，粉末輸送系統會將金屬粉末從噴嘴噴射到熔池中，快速凝固沉積，反復堆疊直到零件成型。惰性氣體保護系統可以在金屬熔池區域隔絕外部空氣，避免熔池金屬發生氧化。由于LENS 的熔池區域遠大于粉末床熔融技術、激光系統運動自由度更高、可以中途換粉，雖然犧牲了零件成型的精度，但也極大地提高了成型效率。這使得LENS 在一些內腔復雜、結構懸臂的金屬零件的成型技術上有著獨特優勢，同時還能對復雜零件和模具進行修復，甚至可以制造出化學成分不同的功能梯度材料。

1.5 原子擴散3D 打印技術（ADAM）

原子擴散3D 打印技術在堆積成型過程中的原理，與擠出成型工藝的熔融沉積3D 打印技術幾乎一致。只不過該技術采用的原材料不是熔融沉積用的塑料、熱塑性樹脂，而是鈦、鋁、鐵等金屬材料。Markforged 公司推出的Matel X 金屬3D 打印機是這一技術的典型代表，技術方案是將金屬粉末、蠟、樹脂按照一定比例制成線材，樹脂起到黏合劑的作用，使得該線材可用于熔融沉積的金屬線材。線材經過3D 打印噴嘴后，材料中的樹脂和蠟達到熔融溫度從而轉變為熔融態，從而在打印平臺上堆積成零件。制成的零件由金屬粉末、樹脂、蠟組成，此時金屬粉末間僅靠樹脂的黏合力連接，因此整個零件的力學性能十分受限。接下來是原子擴散3D 打印技術最關鍵的一步——“燒結”，就是將零件中的金屬粉末緊密粘結在一起。將零件放入清洗機中，用有機溶劑去除零件中的一部分黏合劑成分，再將零件在高溫熔爐中燒結，其中黏合劑全部去除，金屬粉末在燒結過程中會發生原子擴散，最終形成相當致密的純金屬零件。由于黏合劑材料的去除，燒結前后的零件尺寸存在明顯差異，因此ADAM 技術需要在設計時就考慮尺寸縮減的影響并進行補償。

1.6 納米顆粒噴射技術（NPJ）

以色列Xjet 公司在“2016 年法蘭克福國際精密成形及3D 打印制造展覽會”上，展示了首創的可噴射納米顆粒材料的金屬3D 打印系統。該技術原理是先產生包含金屬納米顆粒的“油墨”，“油墨”中的液體介質其實是一個載體，Xjet 公司提供的其中一種材料就是碳化鎢WC/鈷Co 打印“油墨”混合物，鈷溶解在油墨中以有機鈷化物的形式存在。打印機再將這些“油墨”以每秒上千滴的速度噴射在系統的托盤上，堆積形成零件。值得注意的是，其噴射頭在多次經過的相同區域，每次經過都給出微小的偏移，每個噴嘴在多個細微差異的區域噴射打印材料。因此，納米顆粒噴射技術能制造出具有極高的細節層次和表面光潔度的高質量產品。在完成打印后，“油墨”組合零件成型部分工作完成，還需要通過燒結進一步提升零件力學性能。“油墨”毛坯將在封閉的真空和高溫環境下進行加熱，在這個過程中，極高的溫度可使包覆在納米顆粒周圍的液體蒸發，再以接近于材料熔點的溫度進行液相燒結，產生的效果與傳統的金屬零件制造方法的冶金學原理一樣。燒結后的零件強度可以達到切削刀具所需要的強度和硬度。雖然Xjet 公司創造性的金屬3D 打印技術效果顯著，尤其是在精度與復雜度、零件性能方面有著突出優勢，但是由于其材料受限、費用較高方面的問題，暫時難以在市場上進行商業應用推廣。

1.7 大面積光刻技術（DiAM）

大面積光刻技術是由美國LLNL 國家實驗室提出的一種效率極高的金屬3D 打印技術。該技術使用多路復合器，激光二極管和Q 開關激光脈沖來選擇性熔化每層金屬粉末。首先將零件的三維模型進行二維切片，形成每一層的激光掃描圖像。激光隨后閃爍一次即可打印整層金屬粉末，這也是該技術區別于傳統激光掃描成型技術SLS、SLM 的主要特點。顯而易見，大面積光刻可以顯著提高金屬3D 打印的制造效率。另外，DiAM 工藝通過投影圖像中微調灰度梯度的能力，意味著能更好地控制殘余應力和材料微觀結構，這或許將顛覆粉末床選擇性激光熔融技術。

2 金屬3D 打印技術的發展趨勢

2.1 效率和質量的平衡

3D 打印技術一個突出的矛盾點就是效率與質量的共生問題。對于每一項金屬3D 打印技術來說，如果一味提高效率，那么質量問題就無法避免，反之亦然。以SLM 技術為例，加工參數、粉末質量、激光掃描策略、光斑大小等一系列條件均與成型效率和零件的質量息息相關。如果提高粉末顆粒尺寸、單層厚度增加、掃描速度加快，無疑會提高成型效率，但隨之而來的是零件表面粗糙、殘余應力、致密度等因素會影響零件質量。在優化成型工藝及設備方面需要不斷探索，使得效率和質量達到一個完美的平衡點，甚至共同改進，這樣3D 打印技術有望在更多行業領域實現產品制造全覆蓋。

2.2 打印材料的成熟制備

金屬3D 打印技術雖然在不斷豐富，但是最大的制約因素無疑是材料問題。即使對于SLM、EBM這些較為成熟的3D 打印技術來說，存在著諸多困難。包括一些難熔金屬和高導熱、高反射金屬，在激光選區熔融過程中，吸收率低、成型困難、質量難以控制。即便是已經成熟應用的材料，也存在材料制備困難、價格高昂的難題。因此，降低原材料制備成本、拓展材料體系是目前金屬3D 打印技術的發展焦點。

2.3 基于3D 打印技術的設計方法

3D 打印技術拋不開產品設計，因為3D 打印的突出特點就是讓“制造引領設計”改為“功能引領設計”。以創成式設計、拓撲優化等設計方法為主導，基于3D 打印制造的產品有了更多可能性，像中空夾層、鏤空點陣、異性拓撲優化、一體化等結構都給產品設計注入了新的活力，這使得產品減重、減零件數量等設計都變為可操作的。但目前基于3D 打印技術的計算機輔助設計（CAD）軟件尚未完全成熟，在未來融合人工智能、虛擬現實、機器學習等新興技術后，會將設計變得更加智能，進一步降低設計門檻。

3 結語

與廣泛研究的減材制造工藝相比，新興的金屬3D 打印技術具有更多可能性，但也面臨著諸多挑戰。金屬3D 打印技術如果能在材料、工藝、設備、設計各方面取得突破，將極大地改變各領域的產品設計以及制造，推動生產方式的進步。