1 前言
隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，快速成形技術(shù)，特別是3D 打印技術(shù)逐漸在制造業(yè)中顯露頭角并成為其不可或缺的一部分。3D 打印技術(shù)正在快速改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的生產(chǎn)方式與生活方式，未來，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化、定制化為特點的3D 打印制造技術(shù)將推動第3 次工業(yè)革命［1 － 3］。
3D 打印技術(shù)( Three Dimension Print) 是“增材制造”的主要實現(xiàn)形式。所謂“增材制造”是指區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造，不需要原胚和模具，直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，最大優(yōu)點就是能簡化制造程序，縮短新品研制周期，降低開發(fā)成本和風(fēng)險。相比傳統(tǒng)制造工藝，3D 打印節(jié)省原材料，用料只有原來的1 /3 到1 /2，制造速度卻快3 ～ 4倍。
金屬零件3D 打印技術(shù)作為整個3D 打印體系中最前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。按照金屬粉末的添置方式將金屬3D 打印技術(shù)分為3 類: ①使用激光照射預(yù)先鋪展好的金屬粉末，這種方法目前被設(shè)備廠家及各科研院所廣泛采用，包括使用激光照射噴嘴輸送的粉末流，激光與輸送粉末同時工作的激光工程化凈成形( Laser Engineered Net Shaping，LENS) 技術(shù)［4 － 5］，該方法目前在國內(nèi)使用比較多; ②激光選區(qū)熔化( Selective Laser Melting，SLM) 技術(shù)［6］; ③采用電子束熔化預(yù)先鋪展好的金屬粉末的電子束熔化( Electron Beam Melting，EBM) 技術(shù)，此方法與第1 類原理相似，只是采用熱源不同。
本文首先以這3 種技術(shù)為例介紹了金屬3D 打印技術(shù)，包括基本的技術(shù)原理，其次介紹了金屬3D 打印技術(shù)的應(yīng)用研究進展，最后對它們的發(fā)展進行了展望。
2 金屬零件3D 打印技術(shù)的發(fā)展
2. 1 激光工程化凈成形技術(shù)( LENS)
LENS 是一種新的快速成形技術(shù)，它由美國Sandia國家實驗室首先提出［6］。其特點是: 直接制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬功能零件或模具; 可加工的金屬或合金材料范圍廣泛并能實現(xiàn)異質(zhì)材料零件的制造; 可方便加工熔點高、難加工的材料。
在LENS 系統(tǒng)中，同軸送粉器包括送粉器、送粉頭和保護氣路3 部分［7］。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送給機構(gòu)，粉末的流量由步進電機的轉(zhuǎn)速決定。為使金屬粉末在自重作用下增加流動性，將送粉器架設(shè)在2. 5 m的高度上。從送粉器流出的金屬粉末經(jīng)粉末分割器平均分成4 份并通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點的位置完成熔化堆積過程。全部粉末路徑由保護氣體推動，保護氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而避免金屬粉末氧化。LENS 系統(tǒng)同軸送粉器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
2. 2 激光選區(qū)熔化技術(shù)( SLM)
SLM 是金屬3D 打印領(lǐng)域的重要部分，其發(fā)展歷程經(jīng)歷低熔點非金屬粉末燒結(jié)、低熔點包覆高熔點粉末燒結(jié)、高熔點粉末直接熔化成形等階段。由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在1986 年最早申請專利，1988 年研制成功了第1 臺SLM 設(shè)備，采用精細(xì)聚焦光斑快速熔化成30 ～ 51 μm 的預(yù)置粉末材料，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結(jié)合的功能零件。致密度可達到近乎100% ，尺寸精度達20 ～ 50 μm， 表面粗糙度達20 ～ 30 μm，是一種極具發(fā)展前景的快速成形技術(shù)［8 － 9］。
SLM 技術(shù)的基本原理［10 － 13］是: 先在計算機上利用Pro /e、UG、CATIA 等三維造型軟件設(shè)計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設(shè)備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料， 逐步堆疊成三維金屬零件［14 － 15］。圖2 為其成形原理圖: 激光束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成形缸的基板上，激光束再按當(dāng)前層的填充掃描線，選區(qū)熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層，然后成形缸下降1 個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當(dāng)前層上鋪好金屬粉末，設(shè)備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)［16 － 17］。
2. 3 電子束選區(qū)熔化技術(shù)( EBSM)
EBSM［18］是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進行，且電子束具有的真空環(huán)境，還可以避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化［19］。鑒于電子束具有的上述優(yōu)點，瑞典Arcam公司、清華大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院和美國NASA 的Langley 研究中心，均開發(fā)出了各自的電子束快速制造系統(tǒng)，前兩家利用電子束熔化鋪在工作臺面上的金屬粉末，與激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)類似; 后兩家利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作臺移動，與激光凈成形制造技術(shù)類似。
利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實; 然后，電子束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的熔化/燒結(jié)，層層堆積，直至整個零件全部熔化/燒結(jié)完成［20］。
EBSM 技術(shù)主要有送粉、鋪粉、熔化等工藝步驟［21 － 22］，因此，在其真空室應(yīng)具備鋪送粉機構(gòu)、粉末回收箱及成形平臺。同時，還應(yīng)包括電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)包括掃描控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和溫度檢測系統(tǒng)，如圖3 所示。
3 金屬零件3D 打印技術(shù)的應(yīng)用
3. 1 激光工程化凈成形技術(shù)( LENS) 的應(yīng)用
隨著快速原型技術(shù)的逐漸成熟，金屬粉末激光熔融沉積技術(shù)在西方發(fā)達國家逐漸成為材料加工領(lǐng)域的研究熱點，并迅速進入高速發(fā)展階段。國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)對激光工程化凈成形技術(shù)的原理、成形工藝、熔凝組織、零件幾何形狀和力學(xué)性能等基礎(chǔ)性課題開展了大量研究工作。美國Sandia 國家實驗室、Los Alomos國家實驗室和密西根大學(xué)J. Mazumder 教授研究組，分別提出了技術(shù)原理相類似的激光直接制造技術(shù)( Directed Laser Fabrication，DLF) 和金屬直接沉積技術(shù)( Direct Metal Deposition，DMD) ［23］。目前，國外先進LENS 制造系統(tǒng)典型代表有德國Trumpf 和美國POM 公司DMD505、美國Huffman公司HP-205、美國Optomec公司Lens 850、Aeromet 公司Lasform 等［24］。國外已經(jīng)利用這些商業(yè)化的技術(shù)及設(shè)備取得了實質(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”的材料或零件和修復(fù)高附加值的鈦合金葉片、整體葉盤等構(gòu)件，且其力學(xué)性能達到鍛件的水平。其相關(guān)成果在武裝直升機、AIM 導(dǎo)彈、波音7X7 客機、F /A-18E /F、F-22 戰(zhàn)機等方面均有實際應(yīng)用［25］。譬如，AeroMet 公司利用Lasform 系統(tǒng)制備的F-22 戰(zhàn)機的TC4 鈦合金接頭滿足疲勞壽命2 倍要求，F /A-18E /F的翼根吊環(huán)滿足疲勞壽命4 倍要求，且靜力加載到225% 仍未破壞，并為軍用飛機與發(fā)動機制造鈦合金結(jié)構(gòu)件的試生產(chǎn)件。
在生物植入件方面，國外研究人員應(yīng)用LENS 工藝制備了載重植入體的多孔和功能梯度結(jié)構(gòu)，采用的材料為Ni，Ti 等與人體具有良好相容性的合金，制備的植入體的孔隙率最高能達到70%， 使用壽命達到7 ～ 12 年。Krishna［26 － 27］ 等人采用Ti-6Al-4V 和Co-Cr-Mo合金制備了多孔生物植入體，并研究了植入體的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)孔隙率為10% 時，楊氏模量達到90 GPa，當(dāng)孔隙率為70% 時，楊氏模量急劇降至2 GPa，這樣就可以調(diào)整孔隙率，使植入體的力學(xué)性能與生物體適配。Zhang［28］等制備了網(wǎng)狀的Fe 基( Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr)金屬玻璃( MG) 組件，研究發(fā)現(xiàn)，MG 的顯微硬度達到9. 52 GPa。費群星［29］等采用LENS 工藝成形了無變形的Ni-Cu-Sn 合金樣品。
國內(nèi)最早從1998 年開始相關(guān)技術(shù)的研究工作。國家對該研究非常重視，并給予了大力支持，先后安排了973 計劃、863 計劃和總裝“十五”、“十一五”預(yù)研等項目。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、高能束流加工技術(shù)國防科技重點實驗室、清華大學(xué)等國內(nèi)研究機構(gòu)也開展了激光快速成形與修復(fù)技術(shù)及其設(shè)備的開發(fā)研制，并取得了一批成果。譬如，北京航空航天大學(xué)王華明教授研究組已開發(fā)了同軸送粉激光快速成形技術(shù)及裝備，并制備出一些鈦合金結(jié)構(gòu)件，如圖4 所示。
3. 2 激光選區(qū)熔化技術(shù)( SLM) 的應(yīng)用
國際上已經(jīng)有多家成熟的SLM 設(shè)備制造商，包括德國EOS 公司( EOSING M270 及其M280) ，德國Ｒealizer公司，SLM Solutions 公司，Concept Laser 公司( MCusing 系列) ，美國3D 公司( Sinterstation 系列) ，ＲenishawPLC 公司( AM 系列) 和Phenix Systems 公司等［30］。上述廠家都開發(fā)出了不同型號的機型，包括不同的零件成形范圍和針對不同領(lǐng)域的定制機型等，以適應(yīng)市場的個性化需求。
EOSING M270 設(shè)備成形的金屬零件致密度可以達到近乎100% ，尺寸精度在20 ～ 80 μm，表面粗糙度Ｒa 在15 ～ 40 μm，能夠成形的最小壁厚在0. 3 ～ 0. 4 mm。EOS 公司將該設(shè)備應(yīng)用在牙橋牙冠的批量生產(chǎn)中，目前成形工藝已經(jīng)很成熟，一次成形牙冠可以達到500 個。制造成品如圖5 所示。
SLM 250 可成形致密度近乎100% 的金屬零件，尺寸精度為20 ～ 100 μm，表面粗糙度Ｒa 達到10 ～ 15 μm，還可以成形壁厚小于0. 1 mm 的薄壁零件。而且SLM 250可實現(xiàn)全自動制造，可日夜工作，有很高的制造效率。Ｒealizer 的SLM 設(shè)備目前在金屬模具制造、輕量化金屬零件制造、多孔結(jié)構(gòu)制造和醫(yī)學(xué)植入體制造領(lǐng)域，有較為成熟的應(yīng)用［31］。圖6 所示為SLM 250 設(shè)備制造的鈦合金醫(yī)學(xué)植入體。
德國Concept Laser 公司是Hofmann 集團的成員，是世界上主要的金屬激光熔鑄設(shè)備生產(chǎn)廠家之一［32 － 33］。其M3 設(shè)備可以成形致密度近乎100% 的金屬零件，尺寸精度在20 ～ 100 μm，表面粗糙度Ｒa 在10 ～ 15 μm，可成形的最小壁厚在0. 3 ～ 0. 4 mm，而且該設(shè)備可成形的范圍較大，達到300 mm × 300 mm × 350 mm。圖7 是Concept Laser 的SLM 設(shè)備制造的精密金屬零件。國外已經(jīng)將SLM 工藝應(yīng)用于航空制造上，也有研究人員采用SLM 成形了高縱橫比的鎳鈦微電子機械系統(tǒng)( MEMS) ，并投入應(yīng)用。Ti-6Al-4V 合金具有良好的生物相容性，作為生物植入體的材料得到國外研究人員的高度重視。Traini［34］等成形了梯度化Ti-6Al-4V 合金多孔牙科種植體，通過深入研究顯微組織和機械性能的關(guān)系，改善了工藝，所制備的種植體與人體組織具有良好的相容性。Ciocca［35］等采用SLM 工藝成形了用于萎縮性上頜拱的引導(dǎo)骨再生的定制化鈦合金網(wǎng)格假體，術(shù)前和術(shù)后頰腭的高度和寬度的誤差，分別為2. 57 mm 和3. 41 mm，滿足臨床要求［36］。華南理工大學(xué)于2003 年開發(fā)出國內(nèi)第1 套選區(qū)激光熔化設(shè)備DiMetal-240，并于2007 年開發(fā)出DiMetal-280，2012年開發(fā)出DiMetal-100，其中DiMetal-100 設(shè)備已進入預(yù)商業(yè)化階段。
3. 3 電子束選區(qū)熔化技術(shù)( EBSM)
電子束選區(qū)熔化技術(shù)的典型代表是瑞典Arcam 公司的S12。從2003 年開始，該公司開發(fā)了EBSM 技術(shù)及設(shè)備，目前以制造EBSM 設(shè)備為主，兼顧成形技術(shù)開發(fā)。美、日、英、德等國的許多研究機構(gòu)，在不同領(lǐng)域開展了EBSM 的應(yīng)用研究［37 － 38］。現(xiàn)在，生物醫(yī)學(xué)植入物方面的研究已較成熟，航空航天及汽車等領(lǐng)域也在積極開展研究。美國波音機器人工廠及NASA Marshall 空間飛行器中心的研究方向，是飛行器及火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)制造以及月球或空間站環(huán)境下的金屬直接成形制造。圖8 為波音公司生產(chǎn)的鈦合金航空發(fā)動機葉輪。
國內(nèi)電子束粉末熔融快速成形方面，清華大學(xué)與桂林電器科學(xué)研究所合作研制了試驗設(shè)備，用于基礎(chǔ)實驗研究，目前仍處于實驗室研究階段。幸福曼德智能工程技術(shù)公司引進的其外方合作伙伴瑞典Arcam 公司S12 型設(shè)備已于2007 年9 月安裝完畢，隨即投入生產(chǎn)，主要生產(chǎn)醫(yī)用鈦合金關(guān)節(jié)頭，工藝較為成熟。Heinl［37］等采用Ti-6Al-4V，Ｒamirez［38］采用Cu，Murr［39］采用Ni 基和Co 基高溫合金，以及Hernandez［40］等人采用TiAl 制備了一系列的開放式蜂窩結(jié)構(gòu)，通過改變預(yù)先設(shè)置的彈性模量E，可以獲得大小不一的空隙，降低結(jié)構(gòu)密度，獲得輕量化結(jié)構(gòu)。K. NAmato［41］等人利用Co 基高溫合金矩陣顆粒，制備了柱狀碳化物沉積結(jié)構(gòu)。Ｒamirez［42］采用Cu2O 制備了新型定向微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在制備過程中，柱狀Cu2O 沉積于高純Cu 這一現(xiàn)象。劉海濤［43］等研究了工藝參數(shù)對EBSM 工藝過程的影響，結(jié)果表明，掃描線寬與電子束流、加速電壓和掃描速度呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)搭接率和掃描路徑可獲得較好的層面質(zhì)量。鎖紅波［44］等研究了EBSM 制備的Ti-6Al-4V 試件的硬度和拉伸強度等力學(xué)性能，結(jié)果表明，成形過程中Al元素?fù)p失明顯，低的O 含量及Al 含量有利于提高塑性;硬度在同一層面內(nèi)和沿熔積高度方向沒有明顯差別，均高于退火軋制的硬度水平。楊鑫［45］等采用EBSM 工藝制備了高致密度和高延伸率的Ti-5Al-2. 5Sn 合金零件。其中水平掃描方式制取的零件相對密度可以達到97% ，抗拉強度740 MPa，斷面收縮率22% ，接近鍛造合金的性能水平，且EBSM 工藝對致密度和力學(xué)性能的貢獻，主要在于電子束選區(qū)熔化工藝的SPLS 燒結(jié)過程中會產(chǎn)生瞬時液相和較快的凝固速率，同時高真空下粉末顆粒表面間隙元素N，H，O 逸出，從而凈化原始顆粒表面。
4 結(jié)語
金屬零件3D 打印技術(shù)作為目前先進制造技術(shù)，我國尚處于起步階段，應(yīng)加大投入，組織各學(xué)科各行業(yè)協(xié)同努力，攻克3D 打印機中各種工藝技術(shù)難關(guān)。制造出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的3D 打印設(shè)備，生產(chǎn)出各制造行業(yè)所需要的較低成本的各種3D 打印金屬構(gòu)件，使我國3D 打印產(chǎn)品從目前的實驗室和小批量試生產(chǎn)走向商品化和工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，為此，目前亟待解決的問題及努力的方向是: ①向高性價比方向努力。金屬零件3D 打印技術(shù)對于目前的機械加工行業(yè)是一項重大創(chuàng)新和補充，但價格高昂的設(shè)備阻礙了它的推廣和應(yīng)用，為了進入商業(yè)化規(guī)模，首先要降低3D 打印設(shè)備的制造成本，朝著高性價比的方向發(fā)展。②成形大尺寸零件。目前，金屬零件3D 打印設(shè)備能夠成形的零件尺寸范圍有限，國內(nèi)外3D 打印設(shè)備廠家正在積極研發(fā)大尺寸零件的成形設(shè)備。要盡快趕超目前國外所能制備的最大尺寸300 mm × 350 mm × 300 mm，此項技術(shù)才能在制造領(lǐng)域走向工業(yè)化應(yīng)用。③與傳統(tǒng)加工方法相結(jié)合。金屬零件3D 打印技術(shù)雖極具優(yōu)勢，但存在制造成本高、成形件表面質(zhì)量欠佳等缺點。因此，若能與傳統(tǒng)加工方法相結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)勢，達到傳統(tǒng)加工方法所實現(xiàn)的精度和表面粗糙度，并能夠成形傳統(tǒng)加工方法無法成形的復(fù)雜形狀零件，使制造周期大幅縮短，這是金屬零件3D打印技術(shù)和設(shè)備追求的主要目標(biāo)之一。
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