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(jì)到零件制造周期長，且對具有復(fù)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(yīng)制造需求。20 世紀(jì)90 年代以來，隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)以及機(jī)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(yīng)運(yùn)而生，迅速成為3d打印領(lǐng)域內(nèi)最有發(fā)展前途的先進(jìn)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(diǎn)，并綜述其國內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用。

技術(shù)原理和特點(diǎn)
       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(yīng)方式分預(yù)置法和同步送粉法2種。圖1為側(cè)向和同軸送粉實(shí)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(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)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(fù)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(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光和新材料等最新技術(shù)而發(fā)展起來的先進(jìn)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(jìn)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(jī)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(shí)體[5-6]。這樣將一個物理實(shí)體的復(fù)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(shí)體形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度無關(guān)。該技術(shù)的主要特點(diǎn)有：高柔性，可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體；CAD模型直接驅(qū)動，設(shè)計(jì)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(yù)或只需較少干預(yù)，是一種自動化的成形過程；成形全過程的快速響應(yīng)，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(yuǎn)，一般只能作為原型看樣和對設(shè)計(jì)、裝配進(jìn)行驗(yàn)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(fèi)用、 降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)”的原始初衷和動機(jī)，大大限制了其在現(xiàn)代裝備制造業(yè)中的推廣應(yīng)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(fù)雜形狀的零件，其實(shí)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（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(fù)雜的功能金屬零件；為代表，粉末材料預(yù)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(yù)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(yīng)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(jì)70 年代末期的激光多層熔覆研究，但直到20世紀(jì)90年代，國內(nèi)外眾多研究機(jī)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(xué)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(jī)鈦合金用量已高達(dá)41%，其中機(jī)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(dá)到5.53m2，鍛件毛坯重達(dá)到1897~2976kg，最終機(jī)械加工后零件重量僅83.7~143.8kg，材料利用率達(dá)到2.92%~4.90%，單件零件機(jī)械切削加工時(shí)間長達(dá)6 個月以上。與鍛壓- 機(jī)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(diǎn)：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(jī)加工量小，數(shù)控機(jī)加工時(shí)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(yīng)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(shí)現(xiàn)梯度材料高性能金屬零件的直接制造。由于上述獨(dú)特優(yōu)勢，1995年以來，美國國防部先進(jìn)計(jì)劃署和海軍辦公室先后實(shí)施了一系列專門研究計(jì)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(xué)、賓州大學(xué)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(xiàng)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(biāo)就是實(shí)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(qiáng)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(fèi)支持，主要進(jìn)行機(jī)身鈦合金結(jié)構(gòu)件的3d打印研發(fā)，飛機(jī)和艦船上鈦合金件修復(fù)。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(duì)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(yīng)用。美國Sandia、Los Alomos 國家實(shí)驗(yàn)室和密西根大學(xué)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(shí)驗(yàn)室采用LENSTM技術(shù)實(shí)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(shí)1 周。而此零件采用傳統(tǒng)機(jī)械加工的方法則需要11 周。美國錸公司則采用DLF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了SM3導(dǎo)彈三維導(dǎo)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(shí)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(shí)質(zhì)性的成果，可制備疊層材料、功能復(fù)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(xué)性能達(dá)到鍛件的水平。該技術(shù)相關(guān)成果已在武裝直升機(jī)、AIM 導(dǎo)彈、波音7X7 客機(jī)、F/A-18E/F、F22 戰(zhàn)機(jī)等方面均有實(shí)際應(yīng)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(yīng)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(fù)提供一種高性能、高柔性技術(shù)。由于工作環(huán)境惡劣，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機(jī)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(dǎo)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(bào)廢，將使制造廠方蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。與傳統(tǒng)熱源修復(fù)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(dá)性高等特點(diǎn)逐漸成為其關(guān)鍵修復(fù)技術(shù)。激光直接沉積技術(shù)的典型應(yīng)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(yù)研計(jì)劃、國家“973”計(jì)劃、國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會等重點(diǎn)項(xiàng)目支持。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、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(jī)構(gòu)先后開展激光快速成型與修復(fù)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(xué)在飛機(jī)大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光3d打印及裝機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得突破性進(jìn)展，研制出某型號飛機(jī)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(fù)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(diǎn)材料的混合物，成形過程中，僅低熔點(diǎn)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(xué)性能差，需要經(jīng)過高溫重熔或滲金屬填補(bǔ)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(dāng)?shù)娜我鈴?fù)雜結(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(jìn)。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(shí)間，其成形零件性能與鍛件相當(dāng)，其典型應(yīng)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(fù)雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)、用傳統(tǒng)方法無法制造的復(fù)雜工件；適合單件和小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無模、快速響應(yīng)制造。目前，復(fù)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(fù)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(fù)雜金屬零件，特別適合空間點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件直接制造，實(shí)現(xiàn)了材料- 結(jié)構(gòu)- 功能一樣體化設(shè)計(jì)和制造。近幾年來，英國、德國、法國、美國、瑞典等國外發(fā)達(dá)國家先后開發(fā)了GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬復(fù)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(yīng)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(xué)、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、華南理工大學(xué)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(yīng)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(xué)性能與鍛件相當(dāng)（見圖7），但仍受到層片掃描軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)、應(yīng)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(shí)現(xiàn)激光熔覆制備耐磨涂層和功能梯度材料，而且可修復(fù)高附加值的金屬件和直接制造任意復(fù)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?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)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(yīng)力及變形、材料組織及性能控制、質(zhì)量檢測及標(biāo)準(zhǔn)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(jì)、制造概念。它以相對低的成本、高速造型、可修改性強(qiáng)的特點(diǎn)，獨(dú)特的工藝過程，為提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低成本、縮短設(shè)計(jì)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(fù)雜的零件。