3d打印技術(shù)零件的發(fā)展情況（增材制造技術(shù)）

      隨著制造業(yè)全球化及市場的激烈競爭， 產(chǎn)品快速開發(fā)已成為競爭的重要手段之一。為滿足制造業(yè)日益變化的客戶需求，制造技術(shù)必須具有高柔性，能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)迎合市場。傳統(tǒng)金屬零件去材或受迫成形制造方法往往工序多、工模具成本高、從設(shè)計到零件制造周期長，且對具有復雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的零件往往無能為力，難以滿足新產(chǎn)品的快速響應制造需求。20 世紀90 年代以來，隨著激光技術(shù)、計算機技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)以及機械工程技術(shù)的發(fā)展，金屬零件激光增材制造技術(shù)在激光熔覆技術(shù)和快速原型技術(shù)基礎(chǔ)上應運而生，迅速成為3d打印領(lǐng)域內(nèi)最有發(fā)展前途的先進制造技術(shù)之一。本文將主要從激光熔覆和快速原型技術(shù)基礎(chǔ)上闡述金屬零件激光增材技術(shù)的技術(shù)原理及特點，并綜述其國內(nèi)外發(fā)展和應用。

技術(shù)原理和特點
       激光熔覆技術(shù)是利用激光束將合金粉末與基體表面迅速加熱并熔化，快速凝固后形成稀釋率低、呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕等性能的表面改性技術(shù)，其材料供應方式分預置法和同步送粉法2種。圖1為側(cè)向和同軸送粉實例[1-3]。該技術(shù)具有熱影響區(qū)小、可獲得具有良好性能的支晶微觀結(jié)構(gòu)、熔覆件變形比較小、過程易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，已廣泛應用于耐磨涂層和新材料制備（見圖2）[4]。若同種金屬材料多層熔覆，熔覆層間仍屬于良好的冶金結(jié)合，這為制造和修復高性能致密金屬零部件提供了可能性。



      快速原型技術(shù)是一種基于離散/ 堆積成形思想的新型制造技術(shù)，是集成計算機、數(shù)控、激光和新材料等最新技術(shù)而發(fā)展起來的先進產(chǎn)品研究與開發(fā)技術(shù)。其基本過程是將三維模型沿一定方向離散成一系列有序的二維層片；根據(jù)每層輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；成形機制造一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到三維物理實體[5-6]。這樣將一個物理實體的復雜三維加工離散成一系列層片的加工，大大降低了加工難度，且成形過程的難度與待成形的物理實體形狀和結(jié)構(gòu)的復雜程度無關(guān)。該技術(shù)的主要特點有：高柔性，可以制造任意復雜形狀的三維實體；CAD模型直接驅(qū)動，設(shè)計制造高度一體化；成形過程無需專用夾具或工具；無需人員干預或只需較少干預，是一種自動化的成形過程；成形全過程的快速響應，適合現(xiàn)代激烈的產(chǎn)品市場�？焖僭�型技術(shù)有20 多種，其典型技術(shù)包括立體印刷（Stereo Lithography LOM）、熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling， FDM）、選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）等。然而，受成形原理與工藝設(shè)備的制約， 早期快速原型技術(shù)存在著致命的局限性， 即只能制造出少數(shù)幾種材料的原型， 如光敏樹脂、塑料、紙、特種蠟及聚合物包覆金屬粉末等， 這些材料在密度和性能上與所需求的金屬功能零件差距甚遠，一般只能作為原型看樣和對設(shè)計、裝配進行驗證， 還不能作為最終功能性零件或模具直接使用，這大幅削弱了制造業(yè)采用該技術(shù)“縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)省開發(fā)費用、 降低產(chǎn)品開發(fā)風險”的原始初衷和動機，大大限制了其在現(xiàn)代裝備制造業(yè)中的推廣應用。

      金屬零件激光增材制造技術(shù)以高功率或高亮度激光為熱源，逐層熔化金屬粉末或絲材，直接制造出任意復雜形狀的零件，其實質(zhì)就是CAD軟件驅(qū)動下的激光三維熔覆過程，其典型過程如圖3所示。該技術(shù)具有如下獨特的優(yōu)點：（1）制造速度快，節(jié)省材料， 降低成本 ;（2）不需采用模具， 使得制造成本降低15%~30%，生產(chǎn)周期節(jié)省45%~70%;（3）可以生產(chǎn)用傳統(tǒng)方法難于生產(chǎn)甚至不能生產(chǎn)的形狀復雜的功能金屬零件；為代表，粉末材料預先鋪展在沉積區(qū)域，其層厚一般為20~100μm，利用高亮度激光按照預先規(guī)劃的掃描路徑軌跡逐層熔化金屬粉末，直接凈成形出零件，其零件表面僅需光整即可滿足要求，被稱為激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)。

發(fā)展現(xiàn)狀及應用
1 激光直接沉積增材制造技術(shù)
     該技術(shù)可追溯到20 世紀70 年代末期的激光多層熔覆研究，但直到20世紀90年代，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)才開始對同軸送粉激光3d打印技術(shù)的原理、成形工藝、熔凝組織、零件的幾何形狀和力學性能等基礎(chǔ)性問題開展大量的研究工作[8-15]。
   
    激光直接沉積技術(shù)為航空航天大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)制造提供一種短周期、高柔性、低成本手段。為了提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量、簡化制造工藝，國內(nèi)外飛行器越來越多地采用了大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)。譬如，美國F-22 飛機鈦合金用量已高達41%，其中機身４個整體承力隔框采用整體大型鈦合金鍛件最大投影面積達到5.53m2，鍛件毛坯重達到1897~2976kg，最終機械加工后零件重量僅83.7~143.8kg，材料利用率達到2.92%~4.90%，單件零件機械切削加工時間長達6 個月以上。與鍛壓- 機械加工傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，激光直接沉積增材制造技術(shù)具有以下特點：無需零件毛坯制備，無需鍛壓模具加工，無需大型或超大型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)施；材料利用率高，機加工量小，數(shù)控機加工時間短；生產(chǎn)制造周期短；工序少，工藝簡單，具有高度的柔性與快速反應能力；采用該技術(shù)還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實現(xiàn)梯度材料高性能金屬零件的直接制造。由于上述獨特優(yōu)勢，1995年以來，美國國防部先進計劃署和海軍辦公室先后實施了一系列專門研究計劃，支持金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)的研究。約翰霍普金斯大學、賓州大學和MTS 公司通過3 年的鈦合金激光增材制造技術(shù)研究，開發(fā)出一項以大功率CO2 激光熔覆沉積成形技術(shù)為基礎(chǔ)的“鈦合金的柔性制造”技術(shù)，并于1997 年成立AeroMet公司。該公司的目標就是實現(xiàn)具有高性能、大體積鈦合金零件的制造，尤其是大型整體加強筋結(jié)構(gòu)鈦合金零件的3d打印。截止到2005 年，AeroMet 公司先后獲得波音、格魯曼、洛克• 馬丁公司、美國空軍、美國國防部后勤局等單位經(jīng)費支持，主要進行機身鈦合金結(jié)構(gòu)件的3d打印研發(fā)，飛機和艦船上鈦合金件修復。這一方面降低了鈦合金零件的制造成本，另一方面也使得海、空軍戰(zhàn)隊革新了技術(shù)儲備。此外，金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域也取得較廣泛應用。美國Sandia、Los Alomos 國家實驗室和密西根大學J. Mazumder教授研究組分別提出了技術(shù)原理相類似的激光近凈成形制造技術(shù)（LENS）、激光直接制造技術(shù)（Directed Laser Fabrication， DLF）和金屬直接沉積技術(shù)（DMD）。Sandia 國家實驗室采用LENSTM技術(shù)實現(xiàn)了某衛(wèi)星TC4 鈦合金零件毛坯的成形，成形過程需要64h，完成零件的最終熱處理，整個加工工序耗時1 周。而此零件采用傳統(tǒng)機械加工的方法則需要11 周。美國錸公司則采用DLF技術(shù)實現(xiàn)了SM3導彈三維導向和姿態(tài)控制系統(tǒng)中錸零件的快速制備，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，可降低成本50％，同時縮短50％的制造周期。經(jīng)過十幾年發(fā)展，國外激光直接沉積增材制造系統(tǒng)典型代表包括德國Trumpf和美國POM公司DMD505、美國Huffman 公司HP-205、美國Optomec公司Lens850等。國外利用這些商業(yè)化的技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)取得了實質(zhì)性的成果，可制備疊層材料、功能復合材料、裁縫式地制成“變成分”材料或研制零件整體葉盤、框、梁等關(guān)鍵構(gòu)件，且其力學性能達到鍛件的水平。該技術(shù)相關(guān)成果已在武裝直升機、AIM 導彈、波音7X7 客機、F/A-18E/F、F22 戰(zhàn)機等方面均有實際應用，已成為美國航空航天國防武器裝備金屬結(jié)構(gòu)件的核心制造新技術(shù)之一。近期，美國專門成立了國家增材制造技術(shù)中心，擬加快增材制造技術(shù)推廣應用。

       激光直接沉積技術(shù)為航空航天、工模具等領(lǐng)域高附加值金屬零部件的修復提供一種高性能、高柔性技術(shù)。由于工作環(huán)境惡劣，飛機結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機零部件、金屬模具等高附加值零部件往往因磨損、高溫氣體沖刷燒蝕、高低周疲勞、外力破壞等因素導致局部破壞而失效。另外，零件制造過程中誤加工損傷是其被迫失效的另一重要原因。若這些零部件被迫報廢，將使制造廠方蒙受巨大的經(jīng)濟損失。與傳統(tǒng)熱源修復技術(shù)相比，激光直接沉積技術(shù)因激光的能量可控性、位置可達性高等特點逐漸成為其關(guān)鍵修復技術(shù)。激光直接沉積技術(shù)的典型應用如圖所示。



    自“十五”開始，國內(nèi)激光直接沉積增材成形技術(shù)獲得總裝預研計劃、國家“973”計劃、國防基礎(chǔ)科研計劃、國家自然科學基金委員會等重點項目支持。北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、北京有色金屬研究總院等國內(nèi)研究機構(gòu)先后開展激光快速成型與修復技術(shù)及其設(shè)備開發(fā)研制，并取得一定成果。其中，北京航空航天大學在飛機大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光3d打印及裝機應用關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得突破性進展，研制出某型號飛機鈦合金前起落架整體支撐框、C919 接頭窗框等金屬零部件；中航工業(yè)北京航空制造工程研究所成功修復了某型號TC11鈦合金整體葉輪，并通過試車考核。

2 激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)
     激光選區(qū)熔化技術(shù)是由德國Frauhofer研究所于1995年最早提出，在金屬粉末選擇性燒結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。2002年該研究所在激光選區(qū)熔化技術(shù)方面取得巨大成功，可一次性地直接制造出完全致密性的零件。
     激光選區(qū)熔化技術(shù)與選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的不同之處在于后者粉末材料往往是一種金屬材料與另一種低熔點材料的混合物，成形過程中，僅低熔點材料熔化或部分熔化把金屬材料包覆粘結(jié)在一起，其原型表面粗糙、內(nèi)部疏松多孔、力學性能差，需要經(jīng)過高溫重熔或滲金屬填補空隙等后處理才能使用；而前者利用高亮度激光直接熔化金屬粉末材料，無需粘結(jié)劑，由3D 模型直接成形出與鍛件性能相當?shù)娜我鈴碗s結(jié)構(gòu)零件，其零件僅需表面光整即可使用。
      隨著高亮度光纖激光的出現(xiàn)，國外金屬粉末選區(qū)熔化激光精密增材成形技術(shù)發(fā)展突飛猛進。譬如，德國EOS GmbH 公司新開發(fā)的激光選區(qū)熔化設(shè)備EOSINT M280 采用束源質(zhì)量高的Yb 光纖激光器，將激光束光斑直徑聚焦到100μm，大幅提高激光掃描的速度，減少成形時間，其成形零件性能與鍛件相當，其典型應用如圖6 所示。

       激光選區(qū)熔化技術(shù)可直接制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間過渡環(huán)節(jié)；零件具有很高的尺寸精度以及好的表面粗糙度（Ra 為10~30μm）；適合各種復雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復雜異型結(jié)構(gòu)、用傳統(tǒng)方法無法制造的復雜工件；適合單件和小批量復雜結(jié)構(gòu)件無模、快速響應制造。目前，復雜金屬零件的研究引人矚目，在航空航天、醫(yī)療等行業(yè)尤其如此。激光選區(qū)熔化精密成形技術(shù)可解決復雜金屬構(gòu)件的難加工、周期長、成本高等技術(shù)難題，可以加工出傳統(tǒng)制造方法無法加工的復雜金屬零件，特別適合空間點陣夾芯結(jié)構(gòu)、復雜薄壁結(jié)構(gòu)件直接制造，實現(xiàn)了材料- 結(jié)構(gòu)- 功能一樣體化設(shè)計和制造。近幾年來，英國、德國、法國、美國、瑞典等國外發(fā)達國家先后開發(fā)了GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬復雜結(jié)構(gòu)的激光選區(qū)熔化增材制造商業(yè)化設(shè)備，并開展應用基礎(chǔ)研究。國外著名企業(yè)羅•羅、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等在航空航天武器裝備上已利用此技術(shù)開發(fā)商業(yè)化的金屬零部件[20]。


    國內(nèi)激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)仍處于起步階段，雖然華中科技大學、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、華南理工大學等單位曾在設(shè)備和工藝方面開展了大量基礎(chǔ)理論研究[21-22]，但該技術(shù)工程化應用基礎(chǔ)研究非常薄弱。2009 年以來，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所通過與國際著名激光粉末燒結(jié)設(shè)備制造商——德國EOS 公司的技術(shù)交流，自主開發(fā)建立激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)平臺，研制出一些典型金屬結(jié)構(gòu)件，其TC4 鈦合金力學性能與鍛件相當（見圖7），但仍受到層片掃描軌跡優(yōu)化設(shè)計、應力及變形協(xié)調(diào)控制等基礎(chǔ)問題制約。



結(jié)束語
     激光增材制造技術(shù)不僅可實現(xiàn)激光熔覆制備耐磨涂層和功能梯度材料，而且可修復高附加值的金屬件和直接制造任意復雜結(jié)構(gòu)的金屬零部件。隨著其成形工藝和裝備不斷地成熟和提高，成形材料從鈦合金、鎳基合金、不銹鋼、鈷鉻合金等成熟材料種類，不斷推出新材料。通過拓撲優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，激光選區(qū)熔化技術(shù)可制造出大幅減輕重量的航空航天金屬結(jié)構(gòu)件。目前，金屬零件激光增材技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括成形過程應力及變形、材料組織及性能控制、質(zhì)量檢測及標準建立等。
    產(chǎn)品創(chuàng)新是我國制造行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而3d打印技術(shù)對新產(chǎn)品的開發(fā)速度和質(zhì)量將起到十分重要作用。金屬零件激光增材制造技術(shù)開創(chuàng)了一個嶄新的設(shè)計、制造概念。它以相對低的成本、高速造型、可修改性強的特點，獨特的工藝過程，為提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量、降低成本、縮短設(shè)計及制造周期，為將產(chǎn)品盡快推向市場提供了有效的方法，尤其適合于形狀復雜的零件。