金属3D 打印技术概述

2023-01-11于忠斌张中标尹婷婷

机械管理开发 2022年1期

于忠斌，张中标，尹婷婷，郭松

（1.海军装备部，四川成都 610000； 2.中国核动力研究设计院，四川成都 610000）

引言

3D 打印技术是一种将建立的三维数字化模型通过切片软件进行路径规划，再使用粉末、线材、液体等材料逐层堆积完成三维实体模型制造的技术。作为对传统加工方式的补充，3D 打印技术的主要特点是无需开模、材料利用率高，并且可以制造传统加工方式难以加工的复杂结构件，因此在航空航天、工业制造、医学教育等众多领域得到广泛应用[1-3]。

金属3D 打印技术成型工艺最为丰富、市场化应用最多的有粉末床熔融技术（VBF）和定向能量沉积技术（DED）。其中，粉末床熔融技术代表工艺有选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔融（SLM）和电子束熔融（EBM），定向能量沉积技术代表工艺有激光净成型技术（LENS）[4-6]。另外，还有原子扩散3D 打印技术（ADAM）、纳米颗粒喷射（NPJ）、大面积光刻（DiAM）等一些新兴的金属3D 打印技术不断涌现。本文主要介绍这些相关的金属3D 打印技术的基本原理、特点以及发展趋势。

1 金属3D 打印技术

1.1 选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结（SLS）属于粉末床熔融技术的一种。打印开始前，先将粉末全部预热至低于烧结点的某一温度，然后用铺粉滚筒将粉末均匀地分布和散布，以形成一个水平、均匀的表面，完全覆盖整个打印区域。接着将聚焦的激光束精确地对准粉末层，并扫描零件的横截面。降低打印平台，并重复该过程，直到烧结所有层。该技术所采用的原材料粉末多为混合物，即在激光照射下，只有一部分低熔点的金属熔化，会作为黏合剂将未熔化的金属粉末粘结在一起。显然，只需考虑让作为黏合剂的金属熔化，这使得SLS 的材料选择广泛，打印成本也更低。另外，SLS 还具有一个突出特点是没有被激光烧结的粉末可以作为支撑，因此不需要打印额外支撑材料。即便如此，SLS 也有着不可忽视的一些缺点，像零件疏松多孔、致密度低，表面粗糙度较大，力学性能不足等[7-8]。这使得SLS 工艺在工业应用甚至高端装备领域的应用受到一定限制。

1.2 选择性激光熔融（SLM）

选择性激光熔融（SLM）也属于粉末床熔融技术的一种，是在SLS 基础上发展起来的金属3D 打印技术。它的成型原理与SLS 极为相似，不同点在于，SLM 的激光温度较高，会完全熔化所有金属粉末成型[9-11]。因此，在SLM 整个打印过程中需要在惰性气体保护的腔体中进行，以避免金属发生氧化。这给SLM 带了更好的成型性能，相比SLS 制造的金属零件的致密度更高，力学性能更好，尺寸精度更高、表面粗糙度也更高，这也是SLM 应用相比SLS 更为广泛的原因。但同时，正是由于热影响的作用，打印悬空结构时，最好设计有支撑结构。因此，导致SLM 工艺参数复杂、制造速度偏低，尤其是面对需要大量支撑结构的复杂零件，SLM 的打印成本、时长会明显提高。

1.3 电子束熔融（EBM）

电子束熔融（EBM）与SLS、SLM 类似，不同之处在于，EBM 是采用高能量、高速度的电子束熔化金属粉末层或金属丝[12-13]。电子束由一组电磁线圈控制，这些线圈精确地将电子束指向需要熔化的区域，电子束在融化粉末时选择性地移动，使金属粉末融合在一起。由于EBM 采用电子束加热，产生的温度较高，因此多用于打印钛、铬钴合金。另外，相对于激光束熔化金属粉末来说，EBM 可以通过高能电子束本身的特性很好地创造一个真空环境，不用专门设置用于隔离材料粉末与外部空气的环境。这也使得EBM 打印的零件密度高、强度高，变形风险低。

1.4 激光近净成型技术（LENS）

激光近净成型技术（LENS）是在激光熔覆技术的基础上结合选择性激光烧结技术发展起来的一种金属3D 打印技术[14]。该技术由激光系统、粉末输送系统与惰性气体保护系统组成。与SLS 相似的是，激光系统也是加热元件，但是区别在于LENS 是对金属基体进行加热熔化。同时，粉末输送系统会将金属粉末从喷嘴喷射到熔池中，快速凝固沉积，反复堆叠直到零件成型。惰性气体保护系统可以在金属熔池区域隔绝外部空气，避免熔池金属发生氧化。由于LENS 的熔池区域远大于粉末床熔融技术、激光系统运动自由度更高、可以中途换粉，虽然牺牲了零件成型的精度，但也极大地提高了成型效率。这使得LENS 在一些内腔复杂、结构悬臂的金属零件的成型技术上有着独特优势，同时还能对复杂零件和模具进行修复，甚至可以制造出化学成分不同的功能梯度材料。

1.5 原子扩散3D 打印技术（ADAM）

原子扩散3D 打印技术在堆积成型过程中的原理，与挤出成型工艺的熔融沉积3D 打印技术几乎一致。只不过该技术采用的原材料不是熔融沉积用的塑料、热塑性树脂，而是钛、铝、铁等金属材料。Markforged 公司推出的Matel X 金属3D 打印机是这一技术的典型代表，技术方案是将金属粉末、蜡、树脂按照一定比例制成线材，树脂起到黏合剂的作用，使得该线材可用于熔融沉积的金属线材。线材经过3D 打印喷嘴后，材料中的树脂和蜡达到熔融温度从而转变为熔融态，从而在打印平台上堆积成零件。制成的零件由金属粉末、树脂、蜡组成，此时金属粉末间仅靠树脂的黏合力连接，因此整个零件的力学性能十分受限。接下来是原子扩散3D 打印技术最关键的一步——“烧结”，就是将零件中的金属粉末紧密粘结在一起。将零件放入清洗机中，用有机溶剂去除零件中的一部分黏合剂成分，再将零件在高温熔炉中烧结，其中黏合剂全部去除，金属粉末在烧结过程中会发生原子扩散，最终形成相当致密的纯金属零件。由于黏合剂材料的去除，烧结前后的零件尺寸存在明显差异，因此ADAM 技术需要在设计时就考虑尺寸缩减的影响并进行补偿。

1.6 纳米颗粒喷射技术（NPJ）

以色列Xjet 公司在“2016 年法兰克福国际精密成形及3D 打印制造展览会”上，展示了首创的可喷射纳米颗粒材料的金属3D 打印系统。该技术原理是先产生包含金属纳米颗粒的“油墨”，“油墨”中的液体介质其实是一个载体，Xjet 公司提供的其中一种材料就是碳化钨WC/钴Co 打印“油墨”混合物，钴溶解在油墨中以有机钴化物的形式存在。打印机再将这些“油墨”以每秒上千滴的速度喷射在系统的托盘上，堆积形成零件。值得注意的是，其喷射头在多次经过的相同区域，每次经过都给出微小的偏移，每个喷嘴在多个细微差异的区域喷射打印材料。因此，纳米颗粒喷射技术能制造出具有极高的细节层次和表面光洁度的高质量产品。在完成打印后，“油墨”组合零件成型部分工作完成，还需要通过烧结进一步提升零件力学性能。“油墨”毛坯将在封闭的真空和高温环境下进行加热，在这个过程中，极高的温度可使包覆在纳米颗粒周围的液体蒸发，再以接近于材料熔点的温度进行液相烧结，产生的效果与传统的金属零件制造方法的冶金学原理一样。烧结后的零件强度可以达到切削刀具所需要的强度和硬度。虽然Xjet 公司创造性的金属3D 打印技术效果显著，尤其是在精度与复杂度、零件性能方面有着突出优势，但是由于其材料受限、费用较高方面的问题，暂时难以在市场上进行商业应用推广。

1.7 大面积光刻技术（DiAM）

大面积光刻技术是由美国LLNL 国家实验室提出的一种效率极高的金属3D 打印技术。该技术使用多路复合器，激光二极管和Q 开关激光脉冲来选择性熔化每层金属粉末。首先将零件的三维模型进行二维切片，形成每一层的激光扫描图像。激光随后闪烁一次即可打印整层金属粉末，这也是该技术区别于传统激光扫描成型技术SLS、SLM 的主要特点。显而易见，大面积光刻可以显著提高金属3D 打印的制造效率。另外，DiAM 工艺通过投影图像中微调灰度梯度的能力，意味着能更好地控制残余应力和材料微观结构，这或许将颠覆粉末床选择性激光熔融技术。

2 金属3D 打印技术的发展趋势

2.1 效率和质量的平衡

3D 打印技术一个突出的矛盾点就是效率与质量的共生问题。对于每一项金属3D 打印技术来说，如果一味提高效率，那么质量问题就无法避免，反之亦然。以SLM 技术为例，加工参数、粉末质量、激光扫描策略、光斑大小等一系列条件均与成型效率和零件的质量息息相关。如果提高粉末颗粒尺寸、单层厚度增加、扫描速度加快，无疑会提高成型效率，但随之而来的是零件表面粗糙、残余应力、致密度等因素会影响零件质量。在优化成型工艺及设备方面需要不断探索，使得效率和质量达到一个完美的平衡点，甚至共同改进，这样3D 打印技术有望在更多行业领域实现产品制造全覆盖。

2.2 打印材料的成熟制备

金属3D 打印技术虽然在不断丰富，但是最大的制约因素无疑是材料问题。即使对于SLM、EBM这些较为成熟的3D 打印技术来说，存在着诸多困难。包括一些难熔金属和高导热、高反射金属，在激光选区熔融过程中，吸收率低、成型困难、质量难以控制。即便是已经成熟应用的材料，也存在材料制备困难、价格高昂的难题。因此，降低原材料制备成本、拓展材料体系是目前金属3D 打印技术的发展焦点。

2.3 基于3D 打印技术的设计方法

3D 打印技术抛不开产品设计，因为3D 打印的突出特点就是让“制造引领设计”改为“功能引领设计”。以创成式设计、拓扑优化等设计方法为主导，基于3D 打印制造的产品有了更多可能性，像中空夹层、镂空点阵、异性拓扑优化、一体化等结构都给产品设计注入了新的活力，这使得产品减重、减零件数量等设计都变为可操作的。但目前基于3D 打印技术的计算机辅助设计（CAD）软件尚未完全成熟，在未来融合人工智能、虚拟现实、机器学习等新兴技术后，会将设计变得更加智能，进一步降低设计门槛。