金屬3-D打印制造技術的發展

張春雨，陳賢帥，孫學通

（1.廣州中國科學院先進技術研究所，廣州511458；2.廣州市健齒生物科技有限公司，廣州511458）

引 言

在人類歷史長河之中金屬材料是人類發展不可或缺的一員，而對其加工能力更體現出生產力的進步和文明的發展。時至今日，雖然新型材料如雨后春筍般涌現，但是金屬材料依然憑借其優良塑性、硬度、耐久性在各行各業展現出無可替代的作用，影響和促進工業、農業、國防、醫療及航天航空技術的發展。因此，人們越來越期待新型金屬加工技術出現來滿足當今社會發展需求，解決傳統車銑刨磨、鍛壓、鑄造加工技術無法適用的問題，實現特殊產品低成本、低周期、高效率和可通用的設計制造。而激光3-D打印的出現必將為上述問題提供新型解決方案，并同時通過數字化技術為金屬制造賦予網絡化、定制化及個性化的特點，實現材料高效利用和零件近凈成型，融合云服務特點整合加工資源，締造新型、新時代、集群式金屬加工制造技術。

1 金屬3-D打印技術

3-D打印技術推廣應用將極大加快全球工業設計理念的革新和傳統技術的改造升級，快速改變傳統的生產方式和人們的生活方式，從材料方面可將3-D打印分為金屬打印技術以及非金屬打印技術，常見3-D打印技術如表1所示。而本文中主要論述的是金屬激光3-D打印技術。

表1 部分3-D打印技術［1-4］

激光3-D打印技術熔合計算機斷層掃描技術、計算機輔助設計技術、材料學、激光立體成型技術等學科，通過“分層制造，逐層疊加”的原理進行復雜結構近凈成型，目前可用于直接制造金屬功能零件的3-D打印技術如圖1所示。其中激光選區熔化技術（selective lasermelting，SLM）、激光選區燒結技術（selective laser sintering，SLS）、直接金屬激光燒結技術（direct metal laser-sintering，DMLS）、激光工程化凈成形技術（laser engineered net shaping，LENS）以及電子束選區熔化技（electron beam selectivemelting，EBSM）為金屬打印加工領域的佼佼者，根據各自技術成型特點，應用于各個領域。

圖1 金屬激光快速成型技術分類［5-8］

1.1 成型原理

激光3-D打印技術是通過激光光束（或者電子束等）為能量源直接作用于金屬粉末，利用高能輸出能量快速熔化（半熔化）金屬粉末原料形成高溫熔池，并同時快速移動冷卻形成固態熔道，通過熔道搭接相連形成金屬加工平面，并不斷在加工方向上累積最終完成加工，其基本工作原理分別如圖2、圖3所示。雖然各類技術加工過程（或能量源）不盡相同，但本質原理一致，不同的加工過程使各技術在相關領域有獨特應用，如LENS技術在大尺寸產品制造、零件修補領域見長，SLM技術適用于精密、機械性能要求高的零件制備。

圖2 選區金屬3-D打印成型原理圖［9-10］a—工作原理 b—電子束 c—激光

圖3 熔覆打印成型原理［10］

1.2 金屬打印技術特點

SLS技術最初是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的DECKARD于1989年在其碩士論文中提出，并最終由美國DTM公司于1992年推出了該工藝的商業化生產設備SinterSation［11］，該技術通過半固態半液相燒結機制將件數粉末粘結在一起，雖從一定程度上減弱熱應力對成型工件的影響，但由于粉末未完全融化，機體含有大量未熔金屬顆粒，直接導致制品致密度低、力學性能差和表面粗糙度高等缺點，需要進行大量后續相關熱處理進行性能和機體組織改善，極大提高了生產成本和制造周期［12-13］。DMLS技術是SLS技術的分支，相比SLS技術，DMLS省去了昂貴且費時的預處理和后處理工藝步驟，基本實現金屬粉末完全熔化成型3維零部件［14］，但在燒結過程中會出現“球化”效應和燒結變形等現象，導致該技術難以適用于具有力學性能要求和精度要求的形狀復雜的金屬零部件［15-16］。EBSM技術最初由瑞典ARCAM公司提出，該技術類似激光選區燒結和激光選區熔化技術［17］，采用高能高速的電子束為能量源選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成型的快速制造技術［18］，掃描成型過程通過操縱磁偏轉線圈改變電子束運動方向沒有機械慣性［18］，且加工空間為真空環境可避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化，電子束與激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、穩定及運行維護成本低等優點［19］，但是該設備較昂貴，且在制造微小零件時精度不及激光加工［20-21］。LENS技術于20世紀90年代由美國Sandia國家實驗室首次提出，與直接金屬沉積技術（directmetal deposition，DMD）和直接激光成型技術（directed laser fabrication，DLF）在原理上近似，并于1999年獲得美國工業中“最富創造力的25項技術”的稱號［22］；該技術成型過程中通過噴嘴將粉末聚集到工作平面上，同時激光束也聚集到該點，將粉光作用點重合，通過工作臺或噴嘴移動，獲得堆積的熔覆實體［22］；LENS技術使用的是千瓦級的激光器，由于采用的激光聚焦光斑較大，一般精度在1mm以上，雖然可以得到冶金結合的致密金屬實體，但其尺寸精度和表面光潔度較差，需進一步進行機加工后才能使用［23-24］。上述各技術在各領域零件制造有一定局限性和不足，各技術制品展示如圖4所示。

圖4 各打印技術制品［10］

SLM技術成型原理與SLS一致，不同在于SLM技術通過高能激光將金屬粉末完全熔化，生成液態熔池并快速冷卻形成固態熔道，制品機體組織穩定、致密，加工精度較高、力學性能優良符合使用要求。筆者通過所使用的德國SLM-125HL及 Concept Laser Mlab（GE）打印設備開展研發工作，根據材料具體屬性、零件的具體結構匹配不同工藝的方法，探索制品制定最佳加工工藝及后處理工藝，積累了豐富的制造經驗和理論知識，逐漸將金屬打印技術引進各行各業，部分制品如圖5所示。

圖5 SLM復雜結構制造（工業和醫療）

筆者多年來一直從事純鈦選區激光熔化成型工作，利用純鈦公認優良的生物相容性廣泛開展3類醫療器械設計制造，并通過加工工藝優化以及相應后處理工藝開發，成功將打印純鈦金屬零件性能提升到和鍛件性能相當的水平，為進一步純鈦打印應用做好基礎。目前主要開展涉及各類骨、關節、個性化牙科種植體等相關植入修補、修復材料。典型案例包含自2017年至今，經過兩年多努力，筆者帶領團隊成功與某大學附屬醫院合作開發出顱頜面內固定鈦板，該產品克服傳統鈦板固定不貼合、手術耗時長及對醫生個人技術要求高等不利于病患治療的因素，以客觀的科學數據分析法替代主觀的經驗法，提升手術成功率，減少并發癥的發生，經過兩年多的臨床植入觀察，恢復效果良好，受到業內醫生好評，為口腔癌、面部修復等患者提供了一種更優良、優質的治療方法，目前該手術方法在該醫院獲得推廣。圖6為設計植入模型及用于植入打印產品（圖中固定釘非骨釘）。

圖6 模擬植入

2 SLM技術成型材料

近年來隨著打印技術的發展，越來越多的金屬材料可被應用于金屬激光3-D制造中，人們熱衷于打印所帶來的設計上的思想解放，通過打印柔性加工的特點解決行業瓶頸、促進科技發展及解決醫療民生。但并非所有材料均適用于3-D打印，對于活性比較大（如活性金屬Mg）、熔點低（金屬Hg）等均不適用此項技術［25-26］。而在具體加工過程中為避免球化、孔隙、裂紋等缺陷，減弱熱力學和動力學規律下對制品負面的影響，均需要針對相應材料物理屬性制定相應的加工工藝，而對于激光吸收率（或其它能量源）較低的金屬，也需要通過材料優化進行相應處理（如在不影響制品使用前提下混入對激光吸收率較高材料）［27-29］。

根據業界形成的一定共識，針對不同金屬3-D打印技術，由于其工作原理、加工成本等因素，筆者認為不同打印技術所使用的原材料要求和種類也有所不同，如針對貴金屬加工，LENS技術不宜選用。因此在一定程度上講，由于SLM技術加工空間封閉保護加工條件優良、加工精度高及工藝可控性高，SLM技術具有更廣泛的金屬材料選擇性、更高的性價比及更高的加工精度和質量。以下根據業內使用情況對SLM技術常用材料特點介紹如下，具體材料分類如表2所示。

（1）鐵基合金：鐵基合金使用家和低廉、硬度高、韌性好，機械加工性能良好，該類材料廣泛應用于醫療、工業等領域，其中316L不銹鋼粉末和M2高速鋼等粉末材料應用已較為成熟（如口腔類制品［30］）。研究表明：純鐵粉直接激光熔化時容易伴隨大量孔洞產生，而通過合金化可以提升成型動力學、改善性能、提高致密度［29，31］。

（2）鎳基合金：該類材料綜合性能較好，高溫下具有優良的抗氧化性及抗腐蝕性，主要應用于航天航空、石油化工等領域，其中waspaloy（R）合金、Ineonel625、Inconel718、Inconel 939合金和Ni-Ti形狀記憶合金的應用相對較為成熟，激光3-D打印的出現為其應用開辟了新的方向［29-33］。

（3）鈦基合金：該類材料比強度高、耐熱性高、耐腐蝕，同時還具有較好的生物相容性，因此在醫療領域鈦基合金應用較為廣泛。目前市場在售醫療產品已出現純鈦、Ti-6Al-7Nb與Ti-6Al-4V為材料用于骨骼修復的產品，具備較為成熟的市場，而3-D打印鈦及鈦合金應用制品的研究也較為深入，并且部分已經完成設計制造將進入航天航空實際使用階段［29］。

（4）鈷基合金：該類材料在高溫狀態下具有較高的強度和抗氧化腐蝕能力，但因為資源匱乏，應用受到限制，由于其優于鈦合金的生物相容性，近年來更多的用于牙科及骨植入物的制造［29］。

（5）鋁合金：該類材料密度低，耐蝕抗氧化較強，具有較好的比強度、比剛度，廣泛應用于國防、航空航天，尤其在輕量化領域是一種較為受歡迎的金屬材料。

表2 國內外常用金屬粉末材料［28-29］

3 SLM技術制造缺陷

作為金屬3-D打印技術家族的佼佼者，SLM技術以其精度高、性能好的特點正率先逐漸進入人們的視野，在航天航空、生物醫療等領域發揮其獨特的作用，但和其它加工技術相同，不可否認在其成型過程中也會出現一些加工缺陷（諸如球化、多孔和宏觀裂紋等），這些缺陷也都會嚴重影響金屬零件的成型質量和使用壽命。因此，尋求并設法減弱或者消除此類制造缺陷的方法是國內外學者關注的焦點。

球化現象是指當激光掃描金屬粉末后在金屬熔道上或者熔道搭接處形成金屬熔球的一種現象。研究指出，引起該種現象的原因在于表面潤濕能較低，即液態熔池和固態金屬之間服從吉布斯自由能最小原理，在表面張力的作用下液態熔池通過減少與固態金屬接觸面保證能量守恒，致使連續熔池中斷逐漸形成獨立金屬球狀固體［33-34］。球化問題是影響SLM成型質量的主要問題之一，尤其對于用于植入醫療器械產品，球化現象不但極大降低植入產品的加工精度，同時所形成的金屬球體極易脫落進入人體，造成未可知的影響。因此，球化現象已成為一個亟待解決的問題，目前業內通常采用控制粉末顆粒大小、降低含氧量和進行加工參量優化來減小或消除球化現象，然而效果并不是十分理想［33］。

多孔是SLM技術另外一個重要的加工缺陷，從某種程度上說球化可以導致多孔，多孔進一步將導致金屬零件產生宏觀裂紋，嚴重降低金屬零件使用壽命［35］。研究表明，產生多孔的主要原因如下：（1）球化；（2）掃面間距過大；（3）冷卻過程中內部殘余應力過大［36］。多孔的成因非常復雜，熔池形成和后續熔道搭接都對多孔的產生有巨大的影響，目前在實際生產過程中，人們一般通過結合粉末原材料屬性優化加工參量和掃描方案的方法尋求降低多孔缺陷的方法［36-38］。

由于激光加工是一個快速熔化快速冷卻的過程，導致成型件中含有大量的殘余應力，對最終成型零件的使用造成極大影響，成為業內技術發展瓶頸［38］。尤其在一些復雜薄壁零件加工過程中，SLM成型過程中易產生較大的殘余應力，導致零件開裂、翹曲變形等成型缺陷［30］，極大影響了零件的成型質量和使用壽命［39］；而產生殘余應力的主要原因在于SLM加工過程中快速降溫過程，內部應力來不及釋放造成的［40-41］，業內對于此類問題一般采用加工參量優化、后處理等方式來解決減輕該缺陷的影響，已取得較好成果［42］。

4 結束語

近年來，隨著人們對金屬3-D打印技術的認識的深入，該技術得到理性認知并伴隨著迅猛發展——更接近市場，更趨于民用。它的異軍突起，正在強勁地驅動新興產業群的快速崛起，引領設計、制造、材料三位一體模式的發展，順應了新技術革命的大趨勢，促使金屬加工制造業由大規模、批量生產的模式向個性化、定制化、小批量生產模式轉型［41］，并逐漸形成以數字化制造技術、新材料技術、新型裝備技術為一體的智能化、網絡化新型3-D打印產業鏈［42］。但是，為了進一步促進我國先進制造業的發展壯大，應注意以下幾個方面：（1）材料本土化方面：改善目前主要依賴進口的局面，提升材料研發力度與投入，實現和打造本土原材料高質量、高性能、低成本的最終目標，解決束縛企業金屬3-D打印產業化發展的瓶頸；（2）高性能制造設備方面：加快本土高性能高性價比設備的研發，縮短與國際主流品牌設備在使用穩定性上的差距；（3）在加工制造可控性方面：對原材料純凈度的一致性、產品質量的穩定性、打印過程工藝穩定性進行把控；對如何提高產品的精度、力學性能、降低內部殘余應力實現有針對性措施，解決實際加工制造中制約該技術難題；（4）在結構設計方面：注意打印工藝特點與零件本身結構特點，避免難加工或者不可加工結構，同時針對打印設備本身局限性，對結構進行適當補償設計；（5）與傳統加工結合方面：在實際生產加工中注重與傳統加工的結合，利用金屬3-D打印技術和金屬傳統加工技術有各自的優勢，實現制品達到傳統加工的加工精度和3-D打印的柔性外形，降低加工周期。

未來隨著打印工藝的進步、制造效率提升、加工成本控制、產品精確度和可靠性的改善以及新材料研究的突破，金屬零部件直接3-D打印的應用必將會覆蓋更多金屬制造產業，而其柔性制造和解放設計者思維的特點，也必將引領金屬3-D打印技術成為未來最重要、最具戰略意義的制造技術。