金属3D打印技术研究现状及其趋势*黎志勇，杨 斌，王鹏程，李 俏，莫玉梅 (广东理工学院 工业自动化系，广东 肇庆 526100) 摘 要：作为工业4.0时代最具发展前景的制造技术之一的金属3D打印技术，提供了一种高效低成本的金属加工实现手段，减少了制造流程，提高了生产效率，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。通过大量查阅和研究国内外金属3D打印技术最新资料，分析归纳了当前国内外金属3D打印技术研究现状，包括电子束熔融技术、电子束焊接技术、选择性激光熔融技术、数字光处理技术、激光净型制造和熔滴打印等，论述了制约其发展的主要因素及其发展趋势，可为进一步深入金属3D打印技术科学研究和企业发展提供借鉴。 关键词：金属3D打印；金属丝材；激光快速成型 增材制造技术(又称3D打印技术)作为工业4.0时代最具发展前景的制造技术之一，是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术。该技术以计算机预先设计好的三维实体图为基础，通过计算机软件对实体图进行切片分层，用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，无需专用的模具或夹具，零件的形状和结构可不受任何约束，节省了工装和专用工具设计制造的时间，减少了制造流程，提高了制造效率。金属3D打印技术是技术最为密集，最有潜力的3D打印技术，已经应用于医疗器械、造船、汽车和航空航天等高精尖领域中形状复杂、价格昂贵的零件制造。目前，可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有电子束熔融(EBM)技术、电子束焊接(EBW)技术、选择性激光熔融(SLM)技术、数字光处理(DLP)技术、激光净型制造(LENS)技术和熔滴打印技术。 1 金属3D打印技术研究现状金属3D打印技术是20世纪80年代后期产生于美国，并很快扩展到日本及欧洲，于20世纪90年代初引入我国，是近20年来制造技术领域的一项重大突破。近年来，金属3D打印领域得到快速发展，据统计，2015年全球金属3D打印机销量增长了35%，2016年上半年同比增长了17%。欧美国家在3D打印产业中一直处于领先地位，而国内的研究主要集中在基础的工艺。华南理工大学的研究重点是SLM技术；清华大学以EBSM技术为主；南京航空航天大学和华中科技大学主要研究SLM技术；西北工业大学深入研究了LENS工艺；中北大学则在SLM技术的基础上研制了变长线扫描SLS RPT[1]。 1.1 EBM技术 EBM技术是近年来一种新兴的先进金属快速成型制造技术。其原理是将零件的三维实体模型数据导入EBM设备，然后在EBM设备的工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层，利用高能电子束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量，使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融，电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层[2]。 EBM技术具有如下特点：1)成型区可以同时进行多个零件的制造，只要它们都固定在成型台上；2)金属粉末粒子大小、形状和杂质都会影响零件成型后的密度、微结构、纯度、力学性能和热学特性；3)不需要额外的辅助仪器，原料处理高效，后续加工处理过程简单，设计不受限，适用于高熔点、高活性材料；4)设计时间减少，可快速面向市场；5)成品密度高，力学性能好，热压少。但该技术制造速度较慢，成本高，目前只适用于钛合金、钴铬合金、铝和铝合金、超耐热不锈钢、金属间化合物以及高熔点合金等部分金属。 瑞典Arcam AB公司发明了世界首台利用电子束来熔融金属粉末，并经计算机辅助设计的精密铸造成型设备。它能用于加工专为病人量身定做的植入手术所需的人工关节或其他精密部件等。由于钛粉末在真空中熔融并成型，故可避免在空气中熔融所带来的氧化缺陷等质量事故。 1.2 EBW技术 EBW技术的原理是将金属粉末喷射到高功率激光器的聚焦激光束中，聚焦激光束熔化靶材料的表面，并产生基体材料的一小熔池，喷射的粉末被吸收入熔池，通过逐层堆积，金属沉积，成形零件。该技术可以用于各种金属材料的零件生产制造或金属零部件的修理，包括镍、钴、钢，以及铝和钛及其合金。 以EBW技术专长的美国芝加哥焊接公司Sciaky成立于1939年，其EBW技术制造的最大零件为5.8 m×1.2 m×1.2 m，且具有超高的打印速度，每小时可打印4.5～18 kg的金属钛，而大多企业每小时的打印量仅为2.3 kg。 1.3 SLM技术 SLM技术的成型原理与EBM技术相同，都是使用激光照射预先铺展好的金属粉末，金属零件成型后完全被金属粉末覆盖。两者的主要区别是热源不同[3]。 SLM技术成型的零件不受零件形状和尺寸限制，每层金属的接合性好，成品力学性能优于同等材料的铸造件，应用越来越广泛，是一项非常有发展潜力的成型技术。目前，发达欧美国家在SLM技术方面的工艺研究、原材料制备等都处于较领先地位。德国EOS、ConceptLaser、SLMSolutions和ReaLizer等公司将激光束光斑直径聚焦到0.1～0.5 mm，大幅提高了激光扫描的速度，减少了成形时间，致密度近100%，其成型零件性能与锻件相当，尺寸精度达20～50 μm，表面粗糙度达20～30 μm；近年来，美国3DSystems、DM3D、Exone和EFESTO等公司先后开发出高温合金精密激光选区熔化成形技术商业化设备；华南理工大学、北京航空制造工程研究所、西安铂力特激光成形技术有限公司、西北工业大学和华中科技大学等单位陆续开展的相关研究不断向广度及深度推进，SLM技术的硬件系统、工艺特性和成型件力学性能等方面部分达到或接近国际先进水平[4]。 1.4 LENS技术 LENS技术原理是在计算机上设计CAD模型，然后使CAD模型离散为一系列二维平面图形，计算机由此获得扫描轨迹指令，激光束与金属基体发生交互作用形成熔池，金属粉末进入小熔池中，熔化、凝固结晶，逐层堆积成型零件。与SLM技术相似，成型零件不受形状和尺寸限制，每层金属的接合性好，力学性能优。SLM技术与LENS技术的主要区别在于送粉方式不同。美国Optomec公司在LENS技术工艺研究方面走在前列，生产的生产设备能生产多种高性能金属部件。LENS技术沉积系统使用高功率激光的能量，在瞬间直接将金属粉末变成结构层。成型后的零件微观组织中无夹杂、无气孔、无凹陷、无裂纹，致密度达到100%，力学性能优于相应的铸件及锻件。 1.5 金属3D打印+金属切削混合制造技术 金属3D打印+金属切削混合制造技术是在一台设备上完成金属3D打印和切削这2种加工，通过整合2种加工技术的优点，取长补短，实现难加工材料的加工。日本松浦公司生产的金属3D打印机LUMEXAvance—25，是世界上首个将金属激光烧结增材制造技术和高速铣削工艺结合在一起的综合制造设备；日本马扎克公司开发出的金属3D打印机Integrexi—400am采用的是激光烧结增材制造方法，除了直接生产零件外，也可以用于零部件的修复；德国DMGMORI公司开发出的金属3D打印机LASERTEC65，通过粉末喷嘴进行激光堆焊与铣削加工共同构成独特的复合技术，是将激光堆焊与五轴铣削结合在一起的复合加工技术，该技术比在粉床中成形速度最高可快20倍[5]；华中科技大学张海鸥教授主导研发的“铸锻铣一体化”金属3D打印技术，以金属丝材为原料，材料利用率>80%，使用高效廉价的电弧作热源，生产的零件表面比激光3D打印的零件表面光洁50%，零件的形状尺寸和组织性能可以控制，同时生产效率更高，处于国际领先水平。 1.6 超声波3D打印(UAM)技术 UAM设备原理上是一个内置了超声波焊接技术的数控铣床，薄薄的金属箔被一层一层放置，用超声波焊接在一起，然后用铣床切割密集堆放的金属片，以创建出最终零件。UAM超声波增材制造金属不被高温熔化，基体金属温度≤200 ℉(93 ℃)。德国Fabrisonic公司是一家以UAM技术为核心的工业金属3D打印机生产商。 1.7 金属微滴3D打印技术 金属微滴3D打印技术是基于喷墨打印的思维发展起来的，其机理是将CAD实体模型离散为二维平面图形，通过数控系统控制，将熔融的金属滴液逐层堆积成实物。西北工业大学、北京航空航天大学和北京航空制造工程研究所等将熔滴按需喷射、增材制造和快速凝固三大技术集成起来，研发了一种金属微滴3D打印技术。金属微滴喷射器将金属微滴喷射出来后，精确地控制金属微滴逐点、逐层堆积在运动平台上；与此同时，控制运动平台的轨迹，从而形成复杂的金属零件。 2 制约金属3D打印技术发展的主要因素2.1 金属3D打印材料 金属3D打印市场潜力无限，但因金属粉末材料技术壁垒较高、生产困难，导致市场产量不足。目前，金属3D打印仅能打印十几种金属，主要包括铝合金、钛合金、模具钢、钴铬合金、不锈钢、铁镍合金和铜合金等。金属3D打印技术不能有效推广的主要原因是材料的种类少及其制备还未能满足设计要求，并且国内金属3D打印材料大部分依赖进口，价格昂贵，开发专用的、廉价的金属3D打印原材料是推动金属3D打印发展的必然因素。 2.2 金属3D打印产品质量 目前，金属3D打印出的产品致密度还比较低，最高能达到铸造件致密度的98%，远低于锻造件的力学性能，产品力学性能约处于铸件和锻件之间；打印制品表面质量差，精度为2～10 μm，需要打磨、抛光和机加工等后处理；3D打印具有复杂曲面的零部件时，支承材料难以去除。目前，金属3D打印产品极少能作为零部件直接组装应用。 2.3 金属3D打印效率低，打印设备昂贵 层层叠加、激光熔化的加工方式决定了金属3D打印机打印出成品所需的时间比较长，效率不高，这是3D打印技术产业化必须解决的一个难题，各类3D打印材料直接影响打印产品性能和后续工艺是由于3D打印技术采用在水平面内逐行成型。 金属打印3D设备价格高，主流的250 mm×250 mm×325 mm、400 W激光器规格的设备，国产设备价格约为200～300万元，国外设备价格约为500～600万元。 2.4 金属3D打印人才 金属3D打印集机械工程、CAD/CAM技术、计算机、数控技术、材料科学、精密伺服驱动和激光技术等技术于一身，产业关联性也很强，不仅要能生产打印机，还要能解决打印机的其他附加难题，这需要专门的金属3D打印人才。据统计，国内很多企业专业金属3D打印人才缺乏。 3 金属3D打印技术的发展趋势3.1 金属3D打印材料将成为研究开发的焦点 随着金属3D打印需求的增加，金属3D打印材料的种类和形态得到了迅速拓展，价格下降可期，精度、强度、稳定性和安全性也将更加有保障。 金属3D打印对材料的形态有严格的要求，一般为粉末状、丝状等，价格比较昂贵，无法满足个人与工业化生产的需要，适价材料才能为技术的发展提供足够大的选择空间、为应用的扩展提供足够大的想象空间。 3.2 金属3D打印机理进一步得到拓展 深入研究并行打印、连续打印、大件打印和多材料打印的工艺方法以实现直接面向产品的制造，金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点。 3.3 工业级金属3D打印机快速发展 金属3D打印机可分为桌面级和工业级，桌面级金属3D打印机主要用于教学以及对产品精度要求不高的产品，而工业级金属3D打印机用于对产品质量要求较高的领域。经过前几年的高速增长，桌面级金属3D打印机趋向饱和，加上桌面级打印机精度低和效率低的局限性，未来工业级金属3D打印机将得到长足发展，这也与智能制造、工业4.0相契合。据统计，目前领头级的3D打印机制造商都转向了金属3D打印机的研发和生产。 3.4 金属3D打印产品质量得到提升 未来，随着金属3D打印机理的拓展深化和金属3D打印工艺的深入研究，金属3D打印的效率将会得到明显改善，金属3D打印零件的致密度会得到大大提升，零件的力学性能会得到提高，表面质量和其他物理性能也会得到改善；另外，金属3D打印设备性能会朝着使用方便和耐用性高的方向发展，成本也会朝着低廉的方向发展。 4 结语作为引领生产方式变革的关键技术之一的金属3D打印技术将会在成型方式和工艺上进一步优化，在各个领域应用取得突破，将极大地改变人们的生活和生产方式。本文详述了当前金属3D打印技术的发展现状和趋势，供相关企业、科研人员以及相关部门参考，以便更好地为金属3D打印技术服务，主动对接生产方式变革，推动社会进步。 参考文献： [1] 杨永强，刘洋，宋长辉.金属零件3D打印技术现状及研究进展[J].机电工程技术,2013(4)：1-8. [2] 王春晓.复合结构多孔钛合金支架设计及制作技术研究[D]. 上海：上海交通大学，2015. [3] 王迪.选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究[D]. 广州：华南理工大学，2011. [4] 蒋小珊,齐乐华.3D打印成形微小型金属件的研究现状及其发展[J].中国印刷与包装研究,2014(5)：15-25. [5] 张曙.增材制造和切削混合加工机床[J].机械制造与自动化,2015(6)：1-7. * 广东省教育教学改革项目(2015770) 广东省教指委质量工程项目(jd2013334) 责任编辑 郑练 Research Status and Trend of Metal 3D Printing Technology LI Zhiyong, YANG Bin, WANG Pengcheng, LI Qiao, MO Yumei (Department of Industrial Automation, Guangdong Institute of Technology, Zhaoqing 526100, China) Abstract：As one of the most promising manufacturing technology in industry 4.0 times, metal 3D printing technology provides a metal processing method with high efficiency and low cost means to reduce the manufacturing process, improve production efficiency and extend the broad range of people making production. Through analyzing a large number of data and the latest printing technology of metal research of 3D at home and abroad, the current domestic and foreign research status of metal 3D printing technology is introduced, including electron beam melting technology, electron beam welding, selective laser melting technology, digital light processing technology, laser net manufacturing and droplet printing. The main factors restricting the development and the trend of development are discussed, for the further development of metal 3D printing technology research and development enterprises to provide reference. Key words：metal 3D printing, metal wire, laser rapid prototyping 中图分类号：TF 124 文献标志码：A 作者简介：黎志勇(1979-)，男，硕士，讲师，主要从事金属材料成型加工等方面的研究。 收稿日期：2017-01-04 |
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