3D打印技术研究概况

供稿|陈志茹，夏承东，李龙，楚瑞坤，周德敬 / CHEN Zhi-ru, XIA Cheng-dong, LI Long, CHU Rui-kun,ZHOU De-jing

作者单位：1. 银邦金属复合材料股份有限公司技术研究院，江苏 无锡 214145；2. 飞而康快速制造科技有限责任公司技术研发中心，江苏 无锡 214145

3D打印的思想起源于19世纪的美国，20世纪80年代得到发展和推广。相对于传统生产过程所用的“减材加工”方法而言，3D打印是一种“增材制造”技术，其结合了计算机软件、材料、机械等多领域的系统性、综合性特点，运用粉末金属或线材塑料等可黏合材料，通过选择性黏结逐层堆叠积累的方式来制造实体零件，可省去繁琐的工序，快速打印出形状复杂的零件[1-3]。3D打印技术以其独特优势，使其成为“第三次工业革命”的重要标志。随着科技的快速发展，3D打印技术在医学、航天、汽车、电子、生物、建筑、艺术等领域都得到了实际应用[4-5]，如图1所示。

图1 3D打印应用领域

2011年，英国南安普顿大学的工程师使用3D打印技术制造出世界首架无人驾驶飞机[6]。2013年，美国普惠·洛克达因公司采用选择性激光熔覆技术制造了J-2X火箭发动机的排气孔盖，并试验成功[7]。近几年，中国在3D打印技术领域发展迅速，主要研究团队有：西北工业大学、北京航空航天大学、清华大学、华中科技大学、西北有色金属研究总院、中航重机研究团队、北京航空制造工程研究所和材料研究所等为代表的高校、科研院所以及企业研发团队。由SOOPAT统计数据，在2013年至2017年公开专利1.3万项，专利年公开数量具体如图2所示。2016年4月在北京成立的全国增材制造标准化技术委员会，以及计划制定的“增材制造技术工艺和材料分类”“增材制造技术主要特性和测试方法”等8项国家标准，对于中国3D打印技术的快速发展将起到重要的促进和引领作用。3D打印技术涉及内容广泛，主要包括3D打印中的CAD建模、切片软件、数控程序、打印工艺、打印材料等，文章对3D打印技术的研究概况及应用进行了概括总结。

图2 2013—2017年专利数量趋势图

3D打印技术研究概况

1988年，美国3DSystem公司推出的首台商用“液态光敏树脂选择性固化成型机”SLA-250，采用光固化成型技术(Stereo Lithography Appearance，SLA)开启了现代3D打印技术的大门。1992年美国麻省理工学院的Saches和Cima首先提出了“3D打印技术”的概念，3D打印自此日益受到关注[8]。随着快速成型技术的推进，逐渐发展出了熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结(Selective Laster Sintering，SLS)、分层实体造型(Laminated Object Manufacturing，LOM)、三维打印(3 Dimensional Printing，3DP)、激光选区熔化成型技术(Selective Laster Melting，SLM)、电子束熔化沉积成型技术(Electron Beam Melting，EBM)等十几种3D打印技术，常用3D打印技术及优缺点见表1[9-15]。

3D打印技术简介

光固化成型技术(SLA)

光固化成型技术是最早发展的快速成型技术，主要以液态光敏树脂为原料(如丙烯酸树脂、环氧树脂等)，控制紫外线扫描液态的光敏树脂，使其有序累加固化成型[16]。光固化成型工艺制作的立体树脂模可以替代精密铸造中的蜡模进行结壳，可提高浇铸件模型密度，从而获得表面光洁度好的合金铸件[17]。陆红红等[7]提出光固化成型技术的树脂片模型作为熔模进行熔模铸造叶片，叶片模型尺寸精度高、表面质量好、制备效率高。机械制造中，SLA技术制造的模具可用于注塑件的生产，这些模具可以重复的使用几百甚至上千次，对于模具中复杂部分可降低生产周期和加工难度[18-20]。

表1 常用3D打印技术的优缺点对比

熔融沉积成型技术(FDM)

熔融沉积成型技术是将丝状的热塑性材料从加热的喷头挤出，按照设定好的平面轨迹和速率进行溶体的逐层沉积，凝固成型[21]，如图3所示。FDM成型技术中填充率、层厚、填充量、打印速度等对打印试样的性能有重要的影响。Spisak E等[22]通过规划新的扫描路径来优化制品的力学性能，表明合适的扫描路径可以增强制品主受力方向的拉伸强度。朱晨颖[23]对PepGo Transformers打印机工艺参数的优化中发现打印速度对水平方向的尺寸精度有显著的影响，较小的层高可以提高成型件的表面精度，尤其是成型方向的尺寸精度，因此可以根据所需要的精度调整打印方向。

图3 熔融沉积成型技术示意图

选择性激光烧结(SLS)

图4 选择性激光烧结原理图

选择性激光烧结的工作原理是将零件的三维实体模型按照一定的厚度进行分层，由计算机控制高能激光束逐层的扫描烧结摊铺在工作腔表面的粉末，从而固结成致密件[24]，如图4所示。SLS技术制造金属部件时，可分为间接法(聚合物覆膜金属粉末)和直接法(直接金属粉末烧结法，DMLS)[25]。烧结件的质量取决于烧结工艺的优化，科研工作者对此进行了大量的实验研究。Bai[26]研究了选择性激光烧结工艺对聚乙烯机械性能的影响，指出增强激光扫描的强度可以强化烧结件，优化表面质量；冷却速度对烧结件的机械性能有显著的影响，冷却速度越慢，聚乙烯的强度越高。杨来侠[27]等对机械混合后的PS/ABS复合粉末进行SLS烧结，发现激光功率的增加可以提高烧结件的弯曲强度，而扫描速度、扫描间距、单层厚度的增加会降低烧结件的弯曲强度。Fatemi[28]对DLMS烧结制备316钢的工艺参数的实验研究指出：激光扫描速度一定时，增加激光频率可以增加层厚；激光频率一定时，增加扫描速度会降低层厚。因此增加激光频率及电流，降低扫描速度，可以制备高致密的烧结件，这为DLMS烧结工艺优化指出了明确的方向。

选择性激光熔化(SLM)

选择性激光熔化是对三维实体模型切片分层后，将各层轮廓数据生成激光扫描填充路径，控制激光束沿扫描路径逐层进行金属粉末的选区熔化，粉末床下降一个粉末层厚度的高度，铺设新的粉末，层层加工直至整个零件完成，整个制备在真空环境下进行[29]。以华南理工大学等为代表的科研团队研发的可通惰性保护气选择性激光熔化成型设备，制备零件精度达到0.01 mm，表面粗糙度达到30~50 μm，致密度接近100%[30，31]。相比传统精密铸造，整个零件的生产周期由30 d左右缩减到2~5 d，例如汽车离合器壳体、发动机缸体的铸造。SLM技术大大减少了新产品的研制周期、降低了生产成本，提高了铸造水平[32]。张冬云[33]的研究表明SLM工艺优化后制备的AlSi10Mg拉伸试样的力学性能超过了该合金铸造后经时效的拉伸试样性能，证明了SLM技术是直接制造金属模型和零件的有效方法。史金光[34]、李文贤[35]等对SLM烧结制备的试样进行适当的退火处理，发现试样成形后的裂纹和孔隙明显减少，强度得到提高。Hengsbach[36]对SLM技术制备的双相不锈钢的组织性能研究中发现，SLM技术的快速冷却可以抑制奥氏体相的生成，且TEM观测到高密度位错，试样经热处理后，组织内再结晶形成奥氏体-铁素体双相钢，但其抗拉强度要明显低于铁素体相试样。

电子束熔化技术(EBM)

电子束选区熔化成型技术与激光选区熔化成形技术相似，只是热源由激光束换成了电子束，也是一种基于粉末床的铺粉成形技术。EBM技术制造的产品精度好，致密度高，通常用来制造钛合金件，用于航空航天部件或医疗植入件。清华大学郭超科研团队[37]自主研发的双金属EBM技术制备的钛合金Ti6Al4V和钛铝基合Ti47Al2Cr2Nb梯度材料，过渡区致密无裂纹，满足了发动机叶片与榫头的过渡结合。Biamino[38]等人的研究工作表明，EBM成形的钛铝基合金在经过热处理后获得双态组织，在经过热等静压后获得等轴组织，材料具有与铸件相当的力学性能。葛文君[39]对电子束能量输入、相组成和微观组织结合起来讨论，分析了电子束选区熔化Ti6Al2V微观组织的形成和工艺参数对微观组织的影响，对EBM成形钛合金的组织控制工艺具有指导作用。由于电子束选区熔化成形过程冷却速度较快和成形过程中的热循环作用，Ti-47Al-2Nb-2Cr合金的片层晶团及片层宽度不一致，杨广宇等进行后续1250℃油淬后1200℃保温2 h热处理工艺，最终获得细小均匀的片层组织结构[40]。郭超[41]同样运用EBM技术实现了316L不锈钢的成形，发现p/v值是影响上表面形貌的关键因素，并提出电子束功率递增、多遍扫描的方法改善上表面形貌，制备成形件表面粗糙度低于8 μm，致密度高达99.96%。

分层实体制造(LOM)

分层实体制造技术是指以纸、金属箔、塑料等薄片材料为原材料，并在其表面涂上热熔胶，通过热压辊碾压黏结成一层，用激光束按照分层处理后的CAD模型对截面轮廓进行扫描切割，最终实现零件的立体成形[42]，示意图见5。Ahn[43]对LOM制备零件的表面粗糙度质量进行研究，通过数值计算分析了表面倾斜角、层厚度、切割形状及激光切割深度对表面质量的影响。

图5 分层实体制造烧结原理图

现有3D打印技术对比

现有3D打印技术在打印材料、应用领域以及3D打印设备代表服务商方面的对比情况如表2所示[44-47]。

国内主要3D打印服务商

国内3D打印服务商代表、打印设备及产品应用领域如表3所示。

总结与展望

3D打印的不断发展深化，促进了大批新技术、新设备、新材料的开发应用，推动了工业智能化的快速发展。目前尽管科研团队在3D打印方面做了大量的实验研究，但与发达国家的技术相比，仍需要在3D打印技术及材料研发的广度、深度和实际应用方面继续努力。我国的3D打印产业仍处于起步阶段，需要通过“产学研”相结合，实现3D打印的产业化与规模化；完善3D打印及3D打印技术标准等，指导3D打印工业化发展；促进3D打印设备的实时监视系统的研发，可以监视熔池的尺寸波动及成形质量，从而提高打印设备的精度；提高3D打印技术在材料成型过程中基础理论的研究深度，如3D打印过程中材料对能量的吸收利用、熔池的凝固行为及内应力的演化规律等。

表2 现有3D打印技术对比

表3 国内主要3D打印服务商

摄影 钱大益

[40] 杨广宇，贾文鹏，赵培. 电子束选区熔化成形及后续热处理后Ti-47Al-2Nb-2Cr合金显微组织. 稀有金属材料与工程，2016，45(7)：1683

[41] 郭超，林峰，葛文君. 电子束选区熔化成形316L不锈钢的工艺研究. 机械工程学报，2014，50(21)：152

[42] 于冬梅. LOM(分层实体制造)快速成型设备研究与设计[学位论文]. 石家庄：河北科技大学，2011

[43] Ahn D，Kweon J，Choi J. Quantification of surface roughness of parts processed by laminated object manufacturing. Journal of Materials Processing Technology，2012，212(2)：339

[44] 马北越，张博文，于景坤. 3D打印技术及先进应用研究进展. 材料研究与应用，2016，10(4)：233

[45] 张学军，唐思熠，肇恒跃. 3D打印技术研究现状和关键技术. 材料工程，2016，44(2)：122

[46] 张希平，苏健强，高健. 3D打印技术及我国的发展状况. 信息技术与标准化，2015(6)：17

[47] 钱毅杰，白昊天，刘宇恒. 3D打印技术的现状及发展趋势. 科技资讯，2017 (3)：1