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嘉峪檢測網 2020-10-14 17:04
3D打印，也稱為增材制造（Additive Manufacturing，AM），是一個從三維模型數據出發，將材料逐層堆積制造物體的過程，而不是傳統的減法制造方法[1]。這種無需原胚和模具的制造方法可以給行業帶來新的設計靈活性，減少能源使用和縮短上市時間[2]。增材制造的主要應用包括快速成形、快速模具、直接零件生產及塑料、金屬、陶瓷和復合材料的零件修復[3]。近年來，電子計算能力、材料和建模科學的進步以及 AM 技術所帶來的優勢，使 AM 從快速成型轉向直接制造金屬零件[4]。任何金屬的AM工藝都有兩個主要參數，分別是原料輸入和用于形成零件的能源[5]。輸入的原材料可以是金屬粉末或絲，而電子束或激光/電弧可作為能量源，如圖 1所示。AM 機器需要將 CAD模型轉換為.stl（stereo lithography）格式的文件，然后用專用切片軟件將該模型切成多個橫截面層，AM機器將逐一構建這些橫截面層，形成一個完整的零件[6]。這些層的厚度取決于制造給定零件的原材料類型和AM工藝。
圖1 一般金屬增材制造工藝
Fig.1 Common metal additive manufacturing process
1 金屬3D打印技術分類及成形特點
金屬AM工藝可大致分為兩個主要大類：粉末床熔合技術（Powder bed fusion，PBF）[7-8]和定向能量沉積技術（Directed energy deposition，DED）[9]。這兩種技術都可以根據所使用的能源類型進一步分類。在PBF技術中，熱能選擇性地熔化粉末層區域。PBF技術的主要代表性工藝有：選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）、選擇性激光熔化成形（Selective Laser Melting，SLM）、直接金屬激光燒結（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）和電子束熔化成形（Electron beam melting，EBM）。在DED技術中，通過使用聚焦的熱能來熔化材料（粉末或絲狀）而沉積。一些常用的DED技術包括激光工程化凈成形（Laser engineered net shaping，LENS）、直接金屬沉積（Direct metal deposition，DMD）、電子束自由成形制造（Electron beam free form fabrication，EBFFF）和電弧增材制造。本文主要介紹了 SLS、SLM、DMLS、EBM和LENS金屬3D打印技術的基本原理、特點及其應用。
1.1 選擇性激光燒結（SLS）
選擇性激光燒結作為一種增材制造技術，采用的冶金機制為液相燒結機制，成形過程中激光將粉末材料部分熔化，粉末顆粒保留其固相形態，并通過后續的液相凝固、固相顆粒重排粘接實現粉末致密化。SLS系統由激光器、掃描系統、鋪粉滾筒、粉末床和粉末輸送系統等組成，原理如圖2所示[10]。在計算機上繪制好CAD三維實體零件模型，將其轉換成STL文件格式，再利用切片軟件將文件切分成一定厚度的一系列有序片層，將切片數據傳送到 SLS系統中。燒結開始前，將金屬粉末預熱到低于燒結點某一溫度后，一側的供粉缸上升至給定量，鋪粉滾筒將粉末均勻地鋪在粉末床上表面，激光束在計算機系統的控制下，按照設定的功率及速度對第一層截面輪廓進行掃描。激光束掃過之后，粉末燒結成給定厚度的實體輪廓片層，未被燒結的粉末作為支撐，這樣零件的第一層燒結完成。這時，粉末床下移一個分層厚度，供粉缸上移，鋪粉滾筒重新鋪粉，激光束進行下一個分層的燒結，前后燒結的實體片層自然粘接為一體，如此循環往復，逐層堆疊，直至三維實體零件燒結完成。
SLS技術具有可直接制造復雜結構金屬制品并且制作時間短，使用材料廣泛，價格低廉，材料利用率極高，制造工藝比較簡單，可以實現設計制造一體化，應用面廣等優點。此外，該工藝無需設計支撐結構，未燒結的粉末直接支撐成形過程中的懸空部分，成形精度平均可達0.05～2.5 mm[11]，可以實現一定批量的個性化定制[12]。但 SLS工藝也存在很多不足：原材料和設備成本都很高；零件內部疏松多孔，表面粗糙度較大，機械性能不足；零件質量容易受到粉末的影響；成形時消耗大量的能量，需要比較復雜的輔助工藝；零件的最大尺寸受到限制。
圖2 選擇性激光燒結原理
Fig.2 Schematic of SLS
1.2 選擇性激光熔化成形（SLM）
選擇性激光熔化成形（SLM）是在SLS基礎之上發展起來的一種快速成形技術。SLM 的基本原理[13-14]是利用計算機三維建模軟件（UG、Pro/E等）設計出零件實體模型，然后用切片軟件將三維模型切片分層，得到一系列截面的輪廓數據，輸入合適的工藝參數，由輪廓數據設計出激光掃描路徑，計算機控制系統將按照設計好的路徑控制激光束逐層熔化金屬粉末，層層堆積形成實體金屬零件。成形原理如圖3所示，激光束掃描開始前，利用鋪粉輥均勻地在成形缸的基板上鋪上一層很薄的金屬粉末，計算機控制激光束對當前層進行選擇性激光熔化，熔化的金屬粉末冷卻固化后，成形缸降低一個單位高度，粉料缸上升一個單位高度，鋪粉輥在加工好的片層之上重新鋪好金屬粉末，激光束開始掃描新一層，如此層層疊加，直至整個零件成形。SLM 的整個加工過程在惰性氣體保護的加工室中進行，以避免在高溫下金屬發生氧化[15]。
SLM與SLS主要區別在于SLS并未完全熔化金屬粉末，而SLM將金屬粉末完全熔化后成形。SLM優點是：金屬零件的致密度超過99%，優良的機械性能與鍛造相當[16-17]；粉末完全熔化，所以尺寸精度很高（可達±0.l mm），表面粗糙度較好（Ra為20～50 μm）[18]；選材廣泛，利用率極高并且省去了后續處理工藝。然而SLM也存在一些缺陷，如SLM設備昂貴，制造速度偏低，工藝參數很復雜，需要加支撐結構。
圖3 選擇性激光熔化成形原理[19]
Fig.3 Schematic of SLM [19]
1.3 直接金屬激光燒結（DMLS）
直接金屬激光燒結（DMLS）是一種利用高能量的激光束（200 W），根據三維模型數據直接燒結金屬粉末薄層（20～60 μm）形成致密的實體零件[20]。DMLS與SLS的原理基本相同，主要區別在于粉末的性質。圖 4給出了 DMLS工藝中的重要部件有構建平臺、分配器單元、重涂單元、激光系統、精密光學元件（如F-θ透鏡或聚焦單元）、高速掃描儀和計算機工藝軟件[21-22]。DMLS技術構建原型零件/模具的步驟如下：①原型零件/模具三維 CAD模型的建立；②將 CAD模型轉換為 STL格式；③定義支撐結構和需要平滑角/邊；④將STL模型切成薄層；⑤將文件層STL發送到DMLS-AM/快速成形機器。
通過DMLS打印的零部件具有不同的材料結構/機械性能，然而常規技術要獲得這樣的結果取決于材料。DMLS工藝最大的優勢在于不需要昂貴且費時的預處理和后續處理工藝[23]，且制作精度高（±0.05 mm），零件整體致密度達到理論密度的90%以上，可用于小批量生產。然而由于金屬粉末在 DMLS中的“球化”效應和燒結變形，使形狀復雜的金屬零件很難精確成形[24]。成形過程中需要支撐結構，成形后需要用電火花線切割機從基板上切下金屬零件。
圖4 直接金屬激光燒結原理[25]
Fig.4 Schematic of DMLS [25]
1.4 電子束熔化成形（EBM）
電子束熔化成形（EBM）是另一種以 PBF為基礎的增材制造工藝，在真空環境中，采用高能高速的電子束選擇性地熔化金屬粉末層或金屬絲，熔化成形，層層堆積直至形成整個實體金屬零件[26]。基本原理如圖5a所示，在EBM中加熱的鎢絲發射高速電子，然后由兩個磁場控制，即聚焦線圈和偏轉線圈。聚焦線圈作為磁性透鏡，將光束聚焦到所需直徑至 0.1 mm，而偏轉線圈使聚焦光束在所需點偏轉以掃描金屬粉末[27]。當電子高速撞擊金屬粉末時，它的動能轉化為熱能，熔化金屬粉末。EBM的工藝步驟如圖5b所示，先將平臺加熱到一定溫度后，按預設厚度均勻地將金屬粉末鋪在平臺上，每個粉末層掃描分為預熱和熔化兩個階段。在預熱階段，通過使用高掃描速度的高電子束多次預熱粉末層（預熱溫度高達0.4～0.6Tm）；熔化階段，使用低掃描速度的低電子束來熔化金屬粉末。當一層掃描完成后，臺面下降，重新鋪放金屬粉末層，重復該過程直到形成所需的金屬部件。EBM整個工藝在10-2～10-3 Pa的高真空下進行。
圖5 電子束熔化成形技術
Fig.5 Electron beam melting technology a) schematic of EBM [29], b) steps of EBM proces
電子束熔化成形（EBM）工藝類似于 SLM，唯一的不同之處是熔化粉末層的能量源，這里使用電子束代替激光[7]。EBM技術具有成形速度快、無反射、能量利用率高、在真空中加工無污染和可加工傳統工藝不能加工的難熔、難加工材料等優點[28]。而 EBM技術的缺點是：需要專用的設備和真空系統，成本昂貴；打印零件尺寸有限；在成形過程中會產生很強的X射線，需要采取有效的保護措施，防止其泄露對實驗人員和環境造成傷害。
1.5 激光工程化凈成形（LENS）
激光工程化凈成形（LENS）是在激光熔覆技術的基礎上結合選擇性激光燒結技術發展起來的一種金屬3D打印技術[30]。LENS工作原理同選擇性激光燒結技術相似，采用大功率激光束，按照預設的路徑在金屬基體上形成熔池，金屬粉末從噴嘴噴射到熔池中，快速凝固沉積，如此逐層堆疊，直到零件形成。如圖6所示，LENS系統主要由激光系統、粉末輸送系統和惰性氣體保護系統組成。首先通過三維造型軟件設計出零件的三維CAD實體模型，然后將三維實體模型轉化成 STL格式的文件，再利用切片軟件將實體模型的 STL文件切分成一定厚度的薄層，并得到每一層掃描軌跡，最后把生成的數據傳送到LENS系統中，系統根據給定的數據，層層沉積形成致密的金屬零件[31]。
激光工程化凈成形技術與常規的零件制造方法相比，極大地降低了對零件可制造性的限制，提高了設計自由度，可制造出內腔復雜、結構懸臂的金屬零件，能制造出化學成分連續變化的功能梯度材料，并且還能對復雜零件和模具進行修復。由于使用的是高功率激光器進行熔覆燒結，經常出現零件體積收縮過大，并且燒結過程中溫度很高，粉末受熱急劇膨脹，容易造成粉末飛濺，浪費金屬粉末。
圖6 激光工程化凈成形原理[32]
Fig.6 Schematic of LENS[32]
2 金屬3D打印技術的應用
2.1 選擇性激光燒結（SLS）的應用
SLS技術在金屬零件制造中占有重要地位，它的應用范圍十分廣泛，包括汽車制造、航空航天、建筑橋梁、海洋、醫學和模具等領域。據德國 EOS公司透露，新一代戰機 F-35Lighte-ningⅡ飛機中有 1600個零部件使用 SLS技術快速成形制造出來的，歐洲宇航防務集團（EADS）公司已經在研究使用SLS技術制造飛機[33]。美國采用SLS技術制備AIM-9響尾蛇導彈制導部分的基座[34]。此外EOS公司用SLS技術制造不銹鋼（316L）內腔鏡、鎳合金（IN625/IN718）高溫渦輪部件、鈦合金（Ti64）醫療植入和鋁合金（AlSi10Mg）賽車零件等[35]。
2.2 選擇性激光熔化成形（SLM）的應用
近年來，各國加大了對SLM工藝的研究及設備投入，使得SLM技術制造金屬部件快速商業化，開始應用于航空、汽車、醫療器械和武器裝備等領域。2012年美國通用電氣公司（GE）收購了Morris Technologies公司，利用該公司 SLM 設備與工藝技術成功制造出LEAP噴氣式發動機燃油噴嘴[36]。歐洲空中客車集團創新中心（Airbus Group Innovations）用Ti-6Al-4V合金，采用SLM技術制備空客320和380飛機的艙門托架和發動機艙門鉸鏈[37]。在醫療領域，SLM 技術也有廣泛的應用，西班牙薩拉曼卡大學利用澳大利亞科學協會研制的Arcam型SLM儀器制造出了鈦合金胸骨與肋骨，并成功植入罹患胸廓癌的患者體內[38]。
2.3 直接金屬激光燒結（DMLS）的應用
目前，DMLS技術在航空、船舶、機械和模具制造及修復行業應用廣泛。美國奧斯汀大學用INCONEL625超級合金和 Ti-6Al-4合金，成功制造出 F1戰斗機和AIM-9導彈的金屬零部件[39]。DMLS技術可對大型轉動設備重要零部件，如齒輪、軸、葉片、閥門及模具等，進行磨損、腐蝕和沖蝕后的修復。德國EOS公司研發出DMLS的高階模具技術，可直接燒結各種金屬粉末，如銅基合金、鋁硅鎂、鈷基超級合金、鎳基超級合金、模具鋼、不銹鋼及鈦合金（TiCP/Ti64）等，來發展高階模具技術。EOS研發DMLS技術用于設計異型冷卻水路，達到了最佳的冷卻效果，提升了射出效率。此外，在高度復雜的模具工業中，DMLS非常適用于對局部的模具制造，尤其在大型模具制造中，異型冷卻水路與DMLS結合可以將模具制作的效益發揮到最大[40]。
2.4 電子束熔化成形（EBM）的應用
目前，從事EBM技術研究的企業和科研機構有橡樹嶺國家實驗室、瑞典Arcam公司、意大利AVIO公司、清華大學、北京航空制造工程研究所和中航工業制造所等。EBM 技術在航天航空、生物醫療及汽車領域得到了廣泛應用。意大利 AVIO公司利用EBM技術成功地制備出了TiAl基合金的航空發動機低壓渦輪葉片，比傳統方法制造的葉片質量減輕了20%以上，并且制造時間也大大縮短[41]。中航工業制造所利用BEM技術對鈦合金、鈦鋁金屬間化合物在航空上的應用進行了大量研究，將Ti-6Al-4V合金的性能達到國際領進水平，并成功研制出多個飛機和發動機結構工藝試驗件[42]。生物醫學植入方面，用EBM技術打印的顱骨、脊椎骨、髖臼杯和鈦合金關節頭等骨科植入物已經成功得到臨床應用[37]。
2.5 激光工程化凈成形（LENS）的應用
LENS技術主要應用于國防、航空航天和醫療器械等方面，可制備功能梯度材料，修復鈦合金葉片和整體葉盤等部件，并且其力學性能達到鍛造水平，也可運用到直升機、客機、導彈和 F-22戰斗機的制造中[19]。北京航空航天大學王華明教授團隊用 LENS技術研究出高含碳量（9%～12%）的激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫自潤滑特種耐磨涂層的新材料，并成功應用到我國某新型航空發動機關鍵熱端高溫耐磨運動副零部件上[43]。此技術還用在醫療植入，采用與人體相容性良好的 Ni、Ti合金材料，制備出空隙率達70%的植入體，延長了植入體的使用壽命[44]。
3 總結與展望
金屬3D打印技術具有諸多的優勢，在航空航天、石油天然氣、海洋、汽車、制造工具和醫療領域開始得到廣泛應用。首先，它可以大大減少買飛比（輸入材料質量與最終零件質量之比）。對于傳統制造工藝，航空發動機和結構部件的買飛比分別高達 10:1和20:1，金屬 3D打印可以根據零件要求逐層添加材料成形所需要的構件，將買飛比降低到 1:1。其次金屬3D打印可以生產高度復雜的零件和自由設計的零件，它可以使用有限元分析（FEA）來優化結構，生產出具有低密度、高強度、高能量吸收和良好熱性能的晶體結構，可用于輕量化和更好的散熱。金屬 3D打印還可以減少制造零件所需的模具，降低裝配要求，將裝配所需的零件數量集成到單個零件中，以減少制造時間，降低制造工藝要求并優化所需的機械性能。雖然金屬3D打印技術取得了重大進展和技術進步，但在速度、準確性、工藝控制和成本效益等方面的表現仍有待提高。現今研究和開發工作的重點是解決儀器成本、構建速度、原料成本、表面光潔度、零件尺寸以及質量和認證等突出問題。
目前3D打印金屬零件昂貴，隨著金屬3D打印技術的逐步發展，預計制造成本會下降，表面光潔度的提升、零件質量的改進及零件尺寸的增加將會使其在各行各業開辟應用空間。未來可以根據材料的屬性-結構-加工關系來預測零件性能，實現前期工藝質量缺陷監測，節省所需的原材料和制造時間。預測工藝模型化，更好地了解物理和冶金機制來應對性能變化，可將金屬3D打印技術的優勢發揮到淋漓盡致。
來源：表面技術
