金属材料3D打印技术研究现状分析

夏张文，周伟民

（1.上海产业技术研究院，上海 201200；2.上海市纳米科技与产业发展促进中心，上海 2000237）

3D打印技术即增材制造，其指的是基于三维的模型数据，使用相应的材料，通过逐层累加的方法，来实现生产制造过程。与传统的生产制造方式相比较，3D打印技术在生产制造行业当中所带来的影响是颠覆性的，整个生产制造的工艺、流程、工厂模式以及产业链，都因此发生了改变，特别是在一些结构极其复杂而精密的构件制造中，3D打印技术的应用更是具有突出优势。如在金属材料领域当中，目前的一些金属构件设计相当复杂，而且精密度要求高。在这样的情况下，金属材料3D打印技术由于迭代速度快，成本日益降低、能力日益提升，所以应用日益广泛，医疗、军工、模具乃至航天等诸多行业，都可见到金属材料3D打印技术的身影。

1 粉末床熔融

粉末床熔融是应用相对较多的一种金属材料3D打印技术，其分为了若干的工艺类型，如选区激光烧结、选区激光熔化、电子束熔融。

1.1 选区激光烧结

选区激光烧结这种金属材料3D打印的技术工艺，是由美国研究人员所提出的，其可以将诸多类型的物质作为打印材料，如塑料、陶瓷、尼龙、砂，以及本文主要探讨的金属材料等。选区激光烧结这种3D打印技术工艺需要用到二氧化碳激光器作为其能源，打印时要在工作台上铺上一层均匀的粉末，粉末大小为80um到300um。打印中，首先会将金属材料预热，接近于金属的熔化点，然后通过激光对其进行截面扫描，提高粉末的温度，至其熔化点，并烧结形成粘接。通过对这个过程的不断重复，便可以获得所需的金属构件[1]。实际的制造中，选区激光烧结金属粉末3D打印的方法可以分为直接烧结金属原型件法和间接烧结原型件法，它们的原理虽然基本相同，但是也存在各自的特点。如间接烧结原型件法所使用的材料主要为聚合物与金属的混合粉末，或者聚合物包覆金属粉末，后处理工艺包括脱脂、高温烧结、浸渍等，主要的特点是打印完成的构件，含有一定的未熔固相颗粒，因此成品的密度较低、孔隙率相对较高，并且表明粗糙，拉伸强度不是非常理想[2]。直接烧结金属原型件法使用的材料为低熔点与高熔点金属粉末混合，后处理工艺包括浸渍低熔点金属、高温烧结、热等静压等，其特点是成件的相对密度更高，可以超过82%。

1.2 选区激光熔化

在选区激光烧结的基础上，进一步发展出了选区激光熔化技术，这是现阶段最为主流的3D打印技术，该技术于1995年由德国的一所激光器研究所提出，选区激光熔化和选区激光烧结在技术原理上，具有很高的相似性。但选区激光熔化为了完全熔化金属粉末，使用的激光能量密度更大，不低于106W/cm2，通常以光纤激光器作为其打印时所使用的激光器[3]。选区激光熔化所使用的打印材料，以金属粉末为主，如各种贵金属、钴铬合金、钛基合金以及模具钢、不锈钢等等。该种技术的主要优点在于，其能够保持良好的成件表面光洁度，并且打印的尺寸精度较高，可以打印出结构复杂的精密构建[4]。还有就是其打印成件具有冶金结合组织，所以密度高、力学性能优良，在一些具有高标准、高要求的金属构件生产制造中，尤为适用。不过其也有较为明显的缺点，如设备的技术要求更高，因此价格较贵，而且打印速度缓慢，需有外部的支撑结构。

1.3 电子束熔融

这种技术和选区激光熔化又具有一定的相似性，差别在于其所使用的能量源不同，以电子束作为打印的能量源。它的主要技术优势是在电子束下，材料的能量吸收、利用率更高，反射相当小，不会造成过多的能源浪费。再者是其粉末粒径范围宽，由于电子束具有更强的穿透力，所以可以将更厚的粉末层熔化，其铺粉厚度往往需要达到75um到200um，金属粉末的粒径可在45um到105um，甚至更粗。并且其打印加工的效率高，利用磁偏转线圈产生变化的磁场操纵电子束在粉末层上快速移动，扫描频率为20kHz。打印完成的构件，残余应力小，不需要外部的其他支撑，可以在多个行业的金属材料打印中得到应用，以各种金属作为加工材料。其缺点或者说技术限制，是需要保持真空状态，对设备的气密性具有特殊要求，而且会造成额外的能源消耗。成件完成后，热量不能通过直接打开真空室排放，只能以辐射散失的方式排放，所以整体来说效率并不是非常理想。

2 定向能量沉积

作为另一种金属材料3D打印技术，定向能量沉积工艺也得到了较高程度的关注和重视，其分为激光近净成形、丝材电弧增材制造等具体工艺类型。

2.1 激光近净成形

在激光近净成形金属材料3D打印中，激光束在底板或零件修复处形成熔池，与此同时将金属粉末同步送入熔池中并快速熔化凝固，激光束按照扫描路径由点到线、由线到面的顺序熔覆，从而完成一层的打印工作。然后沿着垂直方向提升一定的高度，进行下一层的打印工作，如此循环往复直至制造出近净形的零部件实体。但是该项技术工艺对金属材料的3D打印，只能够制造出构件毛坯，获得毛坯之后，还需要进步通过数控加工，来提高其制造精度，这样才能最终达到制造要求。不过在某些行业领域当中，该项技术还是相当适用的，如在磨损或破损叶片的修复和再制造中，通过该种技术的应用，便可以大大降低修复、制造的成本，并提高作业效率。激光近净成形的主要特点、优势，是能够进行无模金属材料构件打印制造，适应多种金属材料打印加工，在损坏、磨损金属构建的修复中，可以取得快速、低成本的作用效果。而且不论构件的复杂程度和尺寸大小，加工难度均不受影响，成件的金属力学性能良好，技术兼容性强，可以与智能化技术联用。

2.2 丝材电弧增材制造

采用电子束或是激光作为能源的金属材料3D打印技术，虽然应用广泛，在军工、汽车以及航天领域当中，都已经得到了应用实践，可以制造出高精尖类型的金属构件，不过客观来讲，它们所存在的技术限制还较为明显。如首先是成本较高，而且打印过程当中金属粉末容易受到污染，利用率低。以电子束为能源的电子束熔融金属材料3D打印受真空室尺寸的限制。以激光为能量源的选区激光烧结、选区激光熔化金属材料3D打印，其打印生产制造效率又较慢，部分材料对激光的吸收率不高。所以，为了满足航空航天领域大型化、整体化复杂结构件的需求，基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率电弧增材制造技术受到研究机构的关注。如丝材电弧增材制造作为金属材料3D打印技术，它所使用的能源可以是钨极氩弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等，通过逐层熔覆的基本工艺原理，将金属丝材作为打印的原材料，按照设计的三维模型数据，准确的进行线-面-体打印。其主要的技术优势是对金属丝材的利用效率高，成本低，而且打印获得的成件，组织密度均匀，各种尺寸和复杂度的构件，均可打印。实践发现，通过该项技术生产制造高质量钛金属部件，能够显著降低生产制造成本，效率也可明显提高。不过需要一提的是，该项技术的精度稍有欠缺，后期需要进行一定的表面加工。

3 粘合剂喷射

粘合剂喷射这种金属材料3D打印技术，也会使用到粉床但不同的是，粘合剂喷射在打印过程当中，是采用喷墨打印头，在打印物体的成形截面粉末当中，喷入粘合剂，从而使截面与粉末粘合起来，这样一来，一层、一层的粉末，就可以通过粘合剂的作用，最终形成一个整体，打印出具有三维结构的物件。粘合剂喷射3D打印技术可以打印出多种材料的物件，如陶瓷材料、高分子材料，以及金属材料。就金属材料的打印而言，用于进行3D打印的原型件，需要在高温烧结下，去除粘合剂，并将粉末颗粒之间，牢固的连接、融合起来，最终获得强度、密度符合需求的打印成品。这种技术的主要优势，是可以在烧结工艺的配合下，生产出100%密度的金属部件，而且打印生产的设备成本、过程成本都较低，打印生产的速度也相当快，具有相当的发展潜力。

4 材料喷射

这种金属材料3D打印技术方法是将材料以微滴的形式按需喷射沉积的增材制造工艺，其固化方式主要有三种，分别是冷却凝固、光照固化和低温烧结。以金属纳米颗粒喷墨技术为例，其基本的打印流程为将大分子金属颗粒在打印机内部粉碎成纳米级颗粒，然后将纳米级金属颗粒注入到粘合剂之中，形成打印墨水，在墨水中金属颗粒以悬浮态均匀分布。通过特制的喷头将墨水喷出，逐层喷射打印零件，层厚可小于2μm。成形后，在构建室内通过高温将粘合剂蒸发，只留下金属部分。它的主要技术优点是能使用普通的喷墨打印头作为工具，成件机械性能良好，组织和化学成分更均匀，适应的材料种类多，颗粒度可调节。

5 薄材叠层

以薄层材料逐层粘结以形成实物的增材制造，便是薄材叠层金属材料3D打印技术。现阶段，超声波增材制造是主要的薄材叠层金属材料3D打印工艺，其基本的打印生产制造原理，是通过超声波的连续振动带来的压力，使金属箔相互之间发生高频率的摩擦，剥离表面的污染物、氧化物。再通过超声波的能量辐射，或是通过外部的其他加热，来软化金属材料，并填充至已焊接完成的金属箔片的表面两层金属箔片的分子相互渗透融合，焊接面的强度进一步提高，周而复始，层层叠加，最终成形。薄材叠层金属材料3D打印技术的主要优势是，可以在低温的状态下进行打印生产制造，其初始温度仅为150℃，后期摩擦、塑形变形等过程中，局部温度也只在200摄氏度左右，而且可以适应各种尺寸的构件打印，表面光洁度良好，打印速度快。

6 金属材料3D打印技术的发展趋势

现阶段，金属材料3D打印技术在应用时，对产品设计、参数处理等方面的专业性要求较高。除了增加工作人员的负担外，也带来了入门门槛高的问题。因此，随着AI技术、大数据技术的发展，未来的3D打印技术将会向智能化、简便化方向发展，为用户提供更加良好的使用体验。具体发展路径包括两方面：其一是硬件方面，即金属材料3D打印设备。除了进一步降低设备价格外，还应当提供更多人性化的功能，例如可视化功能，向用于展示整个3D打印流程，用户可以根据实时画面随时调节打印参数，有利于获得想要的打印产品；其二是软件方面，提供设计软件、打印控制软件等多种功能性软件，支持更多类型的打印需求。再者，金属材料3D打印技术的发展前景广阔，在市场规模不断扩大的背景下，要想让3D打印可以得到规范化、产业化发展，必须加强顶层设计、健全行业标准。由政府相关部门，或者是行业内的权威机构，尽快编制并出台统一的制度标准，包括材料生产标准、设备研发标准、技术评估标准等。有了完善的标准制度，为3D打印技术发展提供强有力的保障。

在如今的金属材料领域当中，应当将3D打印技术的应用作为一项关键课题，积极加强研究、探讨与实践，既要客观认识3D打印技术在金属材料领域中的优势，更要根据金属材料生产制造需求，合理的选择金属材料3D打印技术类型，从而将其优势切实的发挥出来，提高金属材料生产制造的综合效益。