3D打印技術研究概況

供稿|陳志茹，夏承東，李龍，楚瑞坤，周德敬 / CHEN Zhi-ru, XIA Cheng-dong, LI Long, CHU Rui-kun,ZHOU De-jing

作者單位：1. 銀邦金屬復合材料股份有限公司技術研究院，江蘇 無錫 214145；2. 飛而康快速制造科技有限責任公司技術研發中心，江蘇 無錫 214145

3D打印的思想起源于19世紀的美國，20世紀80年代得到發展和推廣。相對于傳統生產過程所用的“減材加工”方法而言，3D打印是一種“增材制造”技術，其結合了計算機軟件、材料、機械等多領域的系統性、綜合性特點，運用粉末金屬或線材塑料等可黏合材料，通過選擇性黏結逐層堆疊積累的方式來制造實體零件，可省去繁瑣的工序，快速打印出形狀復雜的零件[1-3]。3D打印技術以其獨特優勢，使其成為“第三次工業革命”的重要標志。隨著科技的快速發展，3D打印技術在醫學、航天、汽車、電子、生物、建筑、藝術等領域都得到了實際應用[4-5]，如圖1所示。

圖1 3D打印應用領域

2011年，英國南安普頓大學的工程師使用3D打印技術制造出世界首架無人駕駛飛機[6]。2013年，美國普惠·洛克達因公司采用選擇性激光熔覆技術制造了J-2X火箭發動機的排氣孔蓋，并試驗成功[7]。近幾年，中國在3D打印技術領域發展迅速，主要研究團隊有：西北工業大學、北京航空航天大學、清華大學、華中科技大學、西北有色金屬研究總院、中航重機研究團隊、北京航空制造工程研究所和材料研究所等為代表的高校、科研院所以及企業研發團隊。由SOOPAT統計數據，在2013年至2017年公開專利1.3萬項，專利年公開數量具體如圖2所示。2016年4月在北京成立的全國增材制造標準化技術委員會，以及計劃制定的“增材制造技術工藝和材料分類”“增材制造技術主要特性和測試方法”等8項國家標準，對于中國3D打印技術的快速發展將起到重要的促進和引領作用。3D打印技術涉及內容廣泛，主要包括3D打印中的CAD建模、切片軟件、數控程序、打印工藝、打印材料等，文章對3D打印技術的研究概況及應用進行了概括總結。

圖2 2013—2017年專利數量趨勢圖

3D打印技術研究概況

1988年，美國3DSystem公司推出的首臺商用“液態光敏樹脂選擇性固化成型機”SLA-250，采用光固化成型技術(Stereo Lithography Appearance，SLA)開啟了現代3D打印技術的大門。1992年美國麻省理工學院的Saches和Cima首先提出了“3D打印技術”的概念，3D打印自此日益受到關注[8]。隨著快速成型技術的推進，逐漸發展出了熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling，FDM)、選擇性激光燒結(Selective Laster Sintering，SLS)、分層實體造型(Laminated Object Manufacturing，LOM)、三維打印(3 Dimensional Printing，3DP)、激光選區熔化成型技術(Selective Laster Melting，SLM)、電子束熔化沉積成型技術(Electron Beam Melting，EBM)等十幾種3D打印技術，常用3D打印技術及優缺點見表1[9-15]。

3D打印技術簡介

光固化成型技術(SLA)

光固化成型技術是最早發展的快速成型技術，主要以液態光敏樹脂為原料(如丙烯酸樹脂、環氧樹脂等)，控制紫外線掃描液態的光敏樹脂，使其有序累加固化成型[16]。光固化成型工藝制作的立體樹脂?？梢蕴娲荑T造中的蠟模進行結殼，可提高澆鑄件模型密度，從而獲得表面光潔度好的合金鑄件[17]。陸紅紅等[7]提出光固化成型技術的樹脂片模型作為熔模進行熔模鑄造葉片，葉片模型尺寸精度高、表面質量好、制備效率高。機械制造中，SLA技術制造的模具可用于注塑件的生產，這些模具可以重復的使用幾百甚至上千次，對于模具中復雜部分可降低生產周期和加工難度[18-20]。

表1 常用3D打印技術的優缺點對比

熔融沉積成型技術(FDM)

熔融沉積成型技術是將絲狀的熱塑性材料從加熱的噴頭擠出，按照設定好的平面軌跡和速率進行溶體的逐層沉積，凝固成型[21]，如圖3所示。FDM成型技術中填充率、層厚、填充量、打印速度等對打印試樣的性能有重要的影響。Spisak E等[22]通過規劃新的掃描路徑來優化制品的力學性能，表明合適的掃描路徑可以增強制品主受力方向的拉伸強度。朱晨穎[23]對PepGo Transformers打印機工藝參數的優化中發現打印速度對水平方向的尺寸精度有顯著的影響，較小的層高可以提高成型件的表面精度，尤其是成型方向的尺寸精度，因此可以根據所需要的精度調整打印方向。

圖3 熔融沉積成型技術示意圖

選擇性激光燒結(SLS)

圖4 選擇性激光燒結原理圖

選擇性激光燒結的工作原理是將零件的三維實體模型按照一定的厚度進行分層，由計算機控制高能激光束逐層的掃描燒結攤鋪在工作腔表面的粉末，從而固結成致密件[24]，如圖4所示。SLS技術制造金屬部件時，可分為間接法(聚合物覆膜金屬粉末)和直接法(直接金屬粉末燒結法，DMLS)[25]。燒結件的質量取決于燒結工藝的優化，科研工作者對此進行了大量的實驗研究。Bai[26]研究了選擇性激光燒結工藝對聚乙烯機械性能的影響，指出增強激光掃描的強度可以強化燒結件，優化表面質量；冷卻速度對燒結件的機械性能有顯著的影響，冷卻速度越慢，聚乙烯的強度越高。楊來俠[27]等對機械混合后的PS/ABS復合粉末進行SLS燒結，發現激光功率的增加可以提高燒結件的彎曲強度，而掃描速度、掃描間距、單層厚度的增加會降低燒結件的彎曲強度。Fatemi[28]對DLMS燒結制備316鋼的工藝參數的實驗研究指出：激光掃描速度一定時，增加激光頻率可以增加層厚；激光頻率一定時，增加掃描速度會降低層厚。因此增加激光頻率及電流，降低掃描速度，可以制備高致密的燒結件，這為DLMS燒結工藝優化指出了明確的方向。

選擇性激光熔化(SLM)

選擇性激光熔化是對三維實體模型切片分層后，將各層輪廓數據生成激光掃描填充路徑，控制激光束沿掃描路徑逐層進行金屬粉末的選區熔化，粉末床下降一個粉末層厚度的高度，鋪設新的粉末，層層加工直至整個零件完成，整個制備在真空環境下進行[29]。以華南理工大學等為代表的科研團隊研發的可通惰性保護氣選擇性激光熔化成型設備，制備零件精度達到0.01 mm，表面粗糙度達到30~50 μm，致密度接近100%[30，31]。相比傳統精密鑄造，整個零件的生產周期由30 d左右縮減到2~5 d，例如汽車離合器殼體、發動機缸體的鑄造。SLM技術大大減少了新產品的研制周期、降低了生產成本，提高了鑄造水平[32]。張冬云[33]的研究表明SLM工藝優化后制備的AlSi10Mg拉伸試樣的力學性能超過了該合金鑄造后經時效的拉伸試樣性能，證明了SLM技術是直接制造金屬模型和零件的有效方法。史金光[34]、李文賢[35]等對SLM燒結制備的試樣進行適當的退火處理，發現試樣成形后的裂紋和孔隙明顯減少，強度得到提高。Hengsbach[36]對SLM技術制備的雙相不銹鋼的組織性能研究中發現，SLM技術的快速冷卻可以抑制奧氏體相的生成，且TEM觀測到高密度位錯，試樣經熱處理后，組織內再結晶形成奧氏體-鐵素體雙相鋼，但其抗拉強度要明顯低于鐵素體相試樣。

電子束熔化技術(EBM)

電子束選區熔化成型技術與激光選區熔化成形技術相似，只是熱源由激光束換成了電子束，也是一種基于粉末床的鋪粉成形技術。EBM技術制造的產品精度好，致密度高，通常用來制造鈦合金件，用于航空航天部件或醫療植入件。清華大學郭超科研團隊[37]自主研發的雙金屬EBM技術制備的鈦合金Ti6Al4V和鈦鋁基合Ti47Al2Cr2Nb梯度材料，過渡區致密無裂紋，滿足了發動機葉片與榫頭的過渡結合。Biamino[38]等人的研究工作表明，EBM成形的鈦鋁基合金在經過熱處理后獲得雙態組織，在經過熱等靜壓后獲得等軸組織，材料具有與鑄件相當的力學性能。葛文君[39]對電子束能量輸入、相組成和微觀組織結合起來討論，分析了電子束選區熔化Ti6Al2V微觀組織的形成和工藝參數對微觀組織的影響，對EBM成形鈦合金的組織控制工藝具有指導作用。由于電子束選區熔化成形過程冷卻速度較快和成形過程中的熱循環作用，Ti-47Al-2Nb-2Cr合金的片層晶團及片層寬度不一致，楊廣宇等進行后續1250℃油淬后1200℃保溫2 h熱處理工藝，最終獲得細小均勻的片層組織結構[40]。郭超[41]同樣運用EBM技術實現了316L不銹鋼的成形，發現p/v值是影響上表面形貌的關鍵因素，并提出電子束功率遞增、多遍掃描的方法改善上表面形貌，制備成形件表面粗糙度低于8 μm，致密度高達99.96%。

分層實體制造(LOM)

分層實體制造技術是指以紙、金屬箔、塑料等薄片材料為原材料，并在其表面涂上熱熔膠，通過熱壓輥碾壓黏結成一層，用激光束按照分層處理后的CAD模型對截面輪廓進行掃描切割，最終實現零件的立體成形[42]，示意圖見5。Ahn[43]對LOM制備零件的表面粗糙度質量進行研究，通過數值計算分析了表面傾斜角、層厚度、切割形狀及激光切割深度對表面質量的影響。

圖5 分層實體制造燒結原理圖

現有3D打印技術對比

現有3D打印技術在打印材料、應用領域以及3D打印設備代表服務商方面的對比情況如表2所示[44-47]。

國內主要3D打印服務商

國內3D打印服務商代表、打印設備及產品應用領域如表3所示。

總結與展望

3D打印的不斷發展深化，促進了大批新技術、新設備、新材料的開發應用，推動了工業智能化的快速發展。目前盡管科研團隊在3D打印方面做了大量的實驗研究，但與發達國家的技術相比，仍需要在3D打印技術及材料研發的廣度、深度和實際應用方面繼續努力。我國的3D打印產業仍處于起步階段，需要通過“產學研”相結合，實現3D打印的產業化與規?；?；完善3D打印及3D打印技術標準等，指導3D打印工業化發展；促進3D打印設備的實時監視系統的研發，可以監視熔池的尺寸波動及成形質量，從而提高打印設備的精度；提高3D打印技術在材料成型過程中基礎理論的研究深度，如3D打印過程中材料對能量的吸收利用、熔池的凝固行為及內應力的演化規律等。

表2 現有3D打印技術對比

表3 國內主要3D打印服務商

攝影 錢大益

[40] 楊廣宇，賈文鵬，趙培. 電子束選區熔化成形及后續熱處理后Ti-47Al-2Nb-2Cr合金顯微組織. 稀有金屬材料與工程，2016，45(7)：1683

[41] 郭超，林峰，葛文君. 電子束選區熔化成形316L不銹鋼的工藝研究. 機械工程學報，2014，50(21)：152

[42] 于冬梅. LOM(分層實體制造)快速成型設備研究與設計[學位論文]. 石家莊：河北科技大學，2011

[43] Ahn D，Kweon J，Choi J. Quantification of surface roughness of parts processed by laminated object manufacturing. Journal of Materials Processing Technology，2012，212(2)：339

[44] 馬北越，張博文，于景坤. 3D打印技術及先進應用研究進展. 材料研究與應用，2016，10(4)：233

[45] 張學軍，唐思熠，肇恒躍. 3D打印技術研究現狀和關鍵技術. 材料工程，2016，44(2)：122

[46] 張希平，蘇健強，高健. 3D打印技術及我國的發展狀況. 信息技術與標準化，2015(6)：17

[47] 錢毅杰，白昊天，劉宇恒. 3D打印技術的現狀及發展趨勢. 科技資訊，2017 (3)：1