金屬3D打印技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展！

金屬3D打印是目前市場空間最大，最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要研究方向。金屬3D打印可以用于直接制造金屬功能零件的快速成形方法主要有：激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束選區(qū)熔化（EBSM）、激光近凈成形（LENS）等。下圖為主要的金屬3D打印工藝對比，如下表所示。

1. 激光選區(qū)熔化技術(shù)

SLM是在激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。某國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1986年發(fā)明了SLS技術(shù)(采用塑料粉末),并于1989年第一次提出SLS實用化專利申請。2002年,SLM技術(shù)由某國弗芳恩霍夫激光技術(shù)研究所(ILT)成功研發(fā),后取得了某國專利。

SLM成形材料多為單一組分金屬粉末，包括奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷鉻合金、鋁合金和貴重金屬等的粉末。SLM利用激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的熔道，以直接獲得幾乎任意形狀、完全冶金結(jié)合、高精度的致密金屬零件,是極具發(fā)展前景的金屬3D打印技術(shù)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到航空航天、微電子、模具、醫(yī)療器械、珠寶首飾等行業(yè)。SLM工藝有多達(dá)50余個影響因素，作者根據(jù)經(jīng)驗，總結(jié)了對成形效果具有重要影響的六大類因素:材料屬性激光與光路系統(tǒng)、掃描策略、成形氛圍、成形幾何特征和設(shè)備。目前，國內(nèi)外研究人員主要是在針對以上幾個影響因素進(jìn)行工藝和應(yīng)用研究，以避免零件在成形過程中出現(xiàn)缺陷，提高成形零件的表面質(zhì)量和力學(xué)性能。

SLM成形的重要工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距和掃描方式等，可通過組合不同的工藝參數(shù)，使成形質(zhì)量最優(yōu)。SLM成形制件的主要缺陷為球化和翹曲變形。球化是成形過程中上下兩層熔化不充分造成的。由于表面張力的作用，熔化的液滴會迅速卷成球形，從而導(dǎo)致球化現(xiàn)象。為了避免球化,應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦龃筝斎四芰俊６�翹曲變形之所以會產(chǎn)生，是因為SLM成形過程中存在的熱應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度,使材料產(chǎn)生了塑性變形。由于殘余應(yīng)力的測量比較困難，目前對SLM成形制件翹曲變形的研究主要是采用有限元方法進(jìn)行，然后通過實驗驗證模擬整個結(jié)果的可靠性。

目前，國外已經(jīng)將SLM工藝應(yīng)用于航空制造，研究人員通過SLM成形了高縱橫比的鎳鈦微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)并投人使用。SLM成形的梯度化TCA(Ti-6A-4V)合金多孔牙科種植體，經(jīng)過顯微組織分析、力學(xué)性能分析和表面處理，與人體組織具有良好的相容性。Ciocca等人”采用SLM工藝成形了用于萎縮性上領(lǐng)骨的引導(dǎo)骨再生的定制化鈦合金網(wǎng)格假體，術(shù)前和術(shù)后頰腭的高度誤差為2.57mm,寬度誤差為3.41mm，滿足了臨床要求。

在國外，對SLM工藝進(jìn)行了研究的國家主要有德國、英國、日本、法國等。其中,德國是開展SLM技術(shù)研究最早與對其研究最深人的國家。第一臺SLM設(shè)備是1999年由某國(F&S)公司與德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所一起研發(fā)的基于不銹鋼粉末的SLM成形設(shè)備。目前國外已有多家SLM設(shè)備制造商，如EOS公司、SLM Solutions 公司和Concept Laser 公司。在國內(nèi)，華南理工大學(xué)于2003年開發(fā)出第一套SLM設(shè)備DiMetal-240,并于2007年開發(fā)出DiMetal 280,于2012年開發(fā)出DiMetal 100，其中DiMetal-100設(shè)備已經(jīng)進(jìn)人商業(yè)化應(yīng)用階段。

2. 電子束選區(qū)熔化

EBSM技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種金屬3D打印技術(shù)，它與SLM系統(tǒng)的差別主要是熱源不同，二者的成形原理則基本相似。與以激光為能量源的金屬3D打印技術(shù)相比，EBSM工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點。

國外對EBSM工藝?yán)碚撗芯肯鄬�較早，某國的Arcam AB公司研發(fā)了商品化的EBM S12系列EBSM設(shè)備，而國內(nèi)對EBSM工藝的研究相對較晚。Hernandez6采用Ti-Al制備了一系列的開放式蜂巢結(jié)構(gòu)，通過改變預(yù)設(shè)置彈性模量E，可以得到大小不同的孔隙，降低結(jié)構(gòu)的密度，獲得輕量化的結(jié)構(gòu)。Ramirez等人們采用Cu2O制備了新型定向微結(jié)構(gòu)，在制備過程中，出現(xiàn)柱狀Cu2O沉淀在高純銅中的現(xiàn)象。我國研究人員研究了工藝參數(shù)對電子束選區(qū)熔化工藝過程的影響,結(jié)果表明掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度成明顯的線性關(guān)系,通過調(diào)節(jié)搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層面質(zhì)量。我國還研究了EBSM制備的TC4鈦合金試件的硬度和拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能,結(jié)果表明成形過程中鋁元素?fù)p失明顯，試件的氧含量及鋁含量有利于增強(qiáng)試件的塑性；硬度在同一層面內(nèi)和沿沉積高度方向沒有明顯差別，高于退火軋制板的硬度水平。

3. 激光近凈成形

LENS技術(shù)是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種金屬 3D打印技術(shù),通常采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末。國外研究人員研究了利用LENS工藝制備的奧氏體不銹鋼試件的硬度分布,結(jié)果表明隨著加工層數(shù)的增加,試件的維氏硬度降低。用LENS工藝制備載重植人體的多孔和功能梯度結(jié)構(gòu)，所用的材料為鎳、鈦等與人體具有良好相容性的合金,制備的植人體的孔隙率最高能達(dá)到70%,使用壽命達(dá)到7~12年。國外研究人員采用TC4和Co-Cr-Mo合金制備了多孔生物植人體,研究了植人體的力學(xué)性能，他們發(fā)現(xiàn):當(dāng)孔隙率為10%時，制備的植人體楊氏模量達(dá)到90GPa;當(dāng)孔隙率為70%時，植人體楊氏模量急劇降到2GPa。因此可以通過改變孔隙率，讓植入體的力學(xué)性能與生物體適配。

近年來，我國在大型鈦合金構(gòu)件的LENS成形研究方面取得重大突破，解決了其在變形控制幾何尺寸控制、冶金質(zhì)量控制、系統(tǒng)裝備等方面的一系列難題，如:試制成功大飛機(jī)翼肋TC4上、下緣條構(gòu)件,零件尺寸達(dá)450mm＊350mm＊3000mm，成形后長時間放置，大變形量小于1mm，靜載力學(xué)性能的穩(wěn)定性優(yōu)于1%，疲勞性能也優(yōu)于同類鍛件。專用于先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件修復(fù)的激光成形修復(fù)裝備，可修復(fù)5000mm*600mm*3000mm的零件。在裝備建設(shè)方面也去的重大的突破，實現(xiàn)了國產(chǎn)商用LENS裝備制造的突破。

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為了追趕上歐美國家的金屬3D打印技術(shù)，近幾年我國的金屬3D打印技術(shù)也得到了較大的發(fā)展，國家花費較多的人力、財力和技術(shù)支持來發(fā)展此項目。