金属3D 打印技术研究现状及其趋势

2019-01-03武王凯周琦琛费宇宁李茜计元元尹芳马正阳

中国金属通报 2019年5期

武王凯，周琦琛，费宇宁，李茜，计元元，尹芳，马正阳

（中国石油大学（华东），山东青岛 266580）

3D打印技术是将原材料采用层层堆积法使其成型的一种增材制造新技术，这种技术充分发挥了计算机成型软件的优势，先建立一个三维模型后，再运用切片软件逐层切片三维模型，最后由3D打印设备分析零件模型特征后，自下向上逐层堆积实体零件即可获得所需的零件实体。这一技术不需要刀具模具就能够完成各种复杂零件的制造，有效简化了制造工序，提升了加工效率。目前广泛应用于航空航天、工业制造、生物医疗、艺术修复、影视模型、日常生活消费品设计等各个方面。目前，3D打印不仅能够打印塑料类、尼龙类、石蜡类低熔点材料，还能够将一些金属粉末直接成型，包括不锈钢和陶瓷等高熔点材料的直接成型。金属3D打印也是目前发展潜力与前景最为广阔的一种技术。

1 金属3D打印技术研究现状

目前，金属3D打印技术主要包括粉末床熔合技术(PBF)与定向能量沉积技术(DED)。PBF技术又包括选择性激光烧结技术(SLS)、选择性激光熔化成形技术(SLM)、直接金属激光烧结技术(DMLS)、电子束熔化成形技术(EBM)等。DED技术则主要包括直接金属沉积(DMD)、激光工程化净成形技术(LENS)、电子束自由成形制造(EBFFF)、电弧增材制造等。其中SLS、SLM、EBM、LENS是应用较为广泛的金属材料3D打印技术。

1.1 SLS

SLS主要是以冶金机制为基本原理，通过液相烧结使零件成形，利用激光束将金属粉末材料熔化后，将被熔化的液相金属材料凝固成形，并与未被熔化的固相粉末颗粒进行重排粘接，进而使粉末材料不断致密化。该系统由扫描系统、激光系统、粉末压床、铺粉滚筒以及粉末输送系统等组成。利用计算机三维建模软件绘制三维实体零件模型后，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件直接对该文件进行切割，使其各片层厚度具有可加工性，切割后形成的数据进入SLS系统进行后续加工。先将金属粉末预热，预热后的温度要低于烧结点温度，一侧供粉缸中添加给定量的粉末后，在粉末床上利用铺粉滚筒均匀铺开粉末，利用计算机系统控制激光束按照给定功率与速度扫描第一层截面轮廓，使粉末烧结为设定厚度的实体轮廓片层，并以未烧结粉末为支撑，烧结完第一层粉末。将粉末床转移到下一个分层，上移供粉缸，重复上述动作，上一层实体片层会与下一层自然粘接，逐层烧结即可对整个三维实体零件进行烧结。SLS技术制作时间短，能够烧结多种金属材料，且材料烧结利用率高，烧结成本低，工艺简单，设计制造一体化，可以在不借助支撑结构的工作条件下直接烧结复杂结构金属制品的技术，未被烧结的粉末就能够直接支撑悬空部分，烧结成形精度可达到0.05～2.5mm，并且可进行个性化的批量定制，缺陷在于原材料价格高、设备成本高、成品致密度较、表面粗糙度及机械性能均较差，零件质量受制于粉末质量，成形耗量大、辅助工艺较为复杂，且零件最大尺寸限制较大。

1.2 SLM

SLM是以SLS为基础发展而来的快速成形技术，其基本原理是通过计算机三维建模软件建立三维实体模型后，切片分层，提取截面轮廓数据，给定工艺参数，由SLM系统根据轮廓数据完成激光扫描路径设计工作后，利用计算机控制激光束按照给定路径逐熔化金属粉末，层层堆积逐渐成形。整个加工过程需要在惰性气体保护下完成，因此工作室内需要有足够比例的惰性气体分布，使成形过程不会出现金属氧化。SLM、SLS两种工艺有关键的差异点，即SLS不会要求每一层金属粉末完全熔化，SLM则相反，金属粉末必须完全熔化后，再通过冷却凝固成形，其优势在于金属零件致密度高达99%以上，机械性能可与锻炼相当，尺寸精度高，表面粗糙度低，材料适用范围更广，且利用率更高，无需后续处理即可成形，但其设备昂贵，工艺参数更为复杂，需要支撑结构支撑整个成形过程，制造速率也较低。

1.3 EBM

EBM增材制造技术基础是PBF技术，加工条件要求真空环境，利用高能量、高速度电子束熔化金属粉末层或金属丝，层层堆积并成形。在EBM中，由聚集线圈与偏转线圈两个磁场对加热后的钨丝发射高速电子逐层熔化成形。电子与金属粉末高速撞击时，其动能就会转换为热能，使金属粉末熔化。工艺步骤主要是：先把平台预报至一定温度，根据预设厚度在平台上均匀铺设金属粉末，每层粉末由预热与熔化两个阶段扫描成形。预热时，将高电子束调整至高扫描速度条件下，对粉末层进行多次预热，使其预热温度达到0.4～0.6Tm。熔化过程中，则是将电子调整至低扫描速度，再将电子束调节到低能量、低速度下，熔化金属粉末，完成一层扫描，就降低一次台面并重铺粉末层，对新的粉末层进行预热与熔化，重复操作即可使金属部件完全成形。整个工艺过程均需在10-2 ～10-3 Pa真空环境下完成。这种工艺与SLM相似，区别在于粉末层熔化能量源是用电子束替代了激光束。成形速度快，是一种无污染、无反射加工技术，能够加工难以加工的难熔材料。缺点在于加工设备与真空系统均具有很强的专用性，增加了加工成本，可加工的零件尺寸较小，加工过程中会产生强烈的X射线，必须做好防护措施，避免造成人员与环境损害。

1.4 LENS

这种技术是由美国Sandia国家实验室首先推出的一种工艺，这种技术是结合了激光熔覆制造技术与SLS技术，既保留了SLS技术成形优势，又解决了SLS存在的成形件致密度与机械性能较差的缺陷。该系统由激光系统、粉末输送系统与惰性气体保护系统组成。与SLS不同之处仅在于切片数据与扫描路径数据输送至LENS系统中，再由该系统根据预设数据成形即可。该工艺能够加工的零件类型更多，零件可制造性更强，具有很高的设计自由度，因此，对于内腔复杂或悬壁结构类金属零件的加工有更好的适用性，还能够用于功能梯度材料成形与复杂零件、模具的修复。但可能会出现零件收缩过度、粉末受热膨胀过快的问题，容易出现粉末飞溅，不仅会浪费粉末，还可能存在一定的安全问题。

2 金属3D打印技术发展趋势

（1）3D打印金属材料开发。金属3D打印技术应用领域的不断扩大，使金属3D打印材料类型与形态也在不断拓展，不仅降低了金属3D打印成本，还提高了打印精度、强度、安全性与稳定性。但金属3D打印材料形态要求过于严格，目前主要为粉末状与丝状，价格较为昂贵，个人需求与工业化批量生产需求较难满足，适价材料是技术发展的开发焦点，有广阔的选择空间与应用扩展空间。

（2）打印机理持续拓展。目前迫切需要对并行打印、大件打印、多材料打印、连续打印等金属3D打印机理进行深入研究，并在产品制造中广泛应用，以此为基础，金属材料直接成形技术可能会成为今后的研究与应用热点。

（3）金属3D打印机技术快速发展。目前，金属3D打印机主要包括桌面级与工业级，桌面级主要是打印一些教学类产品与产品精度要求较低的产品，工业级则主要运用于一些产品质量要求较高的产品生产领域。近几年工业级3D打印机技术得到了飞速发展，桌面级正趋于饱和，而工业级则将有长足发展，以满足智能制造和工业4.0发展的需求。目前，研发与市场上领头级3D打印机研发制造商均将主要精力转向工业级金属3D打印机研发与生产。

（4）产品质量提升飞速。金属3D打印机理、打印工艺、打印机技术的深入研究，使金属3D打印效率显著改善，零件实体致密度也得到了极大提升，机械性能、力学性能得以提高，表面粗糙度与其他物理性能也得到了相应改善。同时，金属3D打印设备性能的方便性、耐用性、经济性发展是必然的发展趋势。