近年來(lái)，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造，其中，金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速。在國(guó)防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。不大能打印模具、自行車(chē)，還能打印出gun等武器，甚至能夠打印出汽車(chē)、飛機(jī)等大型設(shè)備裝備。作為一種新型制造技術(shù)，3D打印已展現(xiàn)出了十分廣闊的應(yīng)用前景，而且在裝備設(shè)計(jì)與制造、裝備保障、航空航天等更多的領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。
1 3D打印概述
1.1 基本概述
3D打印技術(shù)的核心思想最早起源19世紀(jì)末的美國(guó)，但是直到20世紀(jì)80年代中期才有了雛形，1986年美國(guó)人Charles Hull發(fā)明了第一臺(tái)3D打印機(jī)。我國(guó)是從1991 年開(kāi)始研究3D打印技術(shù)的，2000年前后，這些工藝開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室研究逐步向工程化、產(chǎn)品化方向發(fā)展。當(dāng)時(shí)它的名字叫快速原型技術(shù)（RP），即開(kāi)發(fā)樣品之前的實(shí)物模型?，F(xiàn)在也有叫快速成型技術(shù)，增材制造。但為便于公眾接受，把這種新技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為3D打印。3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或樹(shù)脂等可粘合材料，通過(guò)逐層“增材”打印的方式來(lái)構(gòu)造三維物體的技術(shù)。3D打印被稱(chēng)作“上個(gè)世紀(jì)的思想和技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場(chǎng)”。
1.2 3D打印特點(diǎn)
1）精度高。目前3D打印設(shè)備的精度基本都可控制在0.3mm以下。
2）周期短。3D打印無(wú)須模具的制作過(guò)程，使得模型的生產(chǎn)時(shí)間大大縮短，一般幾個(gè)小時(shí)甚至幾十分鐘就可以完成一個(gè)模型的打印。
3）可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化。3D打印對(duì)于打印的模型數(shù)量毫無(wú)限制，不管一個(gè)還是多個(gè)都可以以相同的成本制作出來(lái)。
4）材料的多樣性。一個(gè)3D打印系統(tǒng)往往可以實(shí)現(xiàn)不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需要。
5）成本相對(duì)較低。雖然現(xiàn)在3D打印系統(tǒng)和3D打印材料比較貴，但如果用來(lái)制作個(gè)性化產(chǎn)品，其制作成本相對(duì)就比較低了。
2 金屬3D打印技術(shù)
金屬零件3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。
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(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首先提出。其特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料零件的制造；可方便加工熔點(diǎn)高、難加工的材料。
LENS是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種金屬零件3D打印技術(shù)。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。1999年，LENS工藝獲得了美國(guó)工業(yè)界中“最富創(chuàng)造力的25項(xiàng)技術(shù)”之一的稱(chēng)號(hào)。國(guó)外研究人員研究了LENS工藝制備奧氏體不銹鋼試件的硬度分布，結(jié)果表明隨著加工層數(shù)的增加，試件的維氏硬度降低。
國(guó)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(dá)到70%，使用壽命達(dá)到7-12年。 Krishna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(shí)，楊氏模量達(dá)到90 GPa，當(dāng)孔隙率為70%時(shí)，楊氏模量急劇降到2 GPa，這樣就可以通過(guò)改變孔隙率，使植入體的力學(xué)性能與生物體適配。Zhang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(dá)到9.52 GPa。Li通過(guò)LENS工藝修復(fù)定向凝固高溫合金GTD-111。國(guó)內(nèi)的薛春芳等采用LENS工藝，獲得微觀組織、顯微硬度和機(jī)械性能良好的網(wǎng)狀的Co基高溫合金薄壁零件。費(fèi)群星等采用LENS工藝成型了無(wú)變形的Ni-Cu-Sn合金樣品。
在LENS系統(tǒng)中，同軸送粉器包括送粉 器、送粉頭和保護(hù)氣路3部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送給機(jī)構(gòu)，粉末的流量由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。為使金屬粉末在自重作用下增加流動(dòng)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(guò)軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點(diǎn)的位置完成熔化堆積過(guò)程。全部粉末路徑由保護(hù)氣體推動(dòng)，保護(hù)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(jiàn)圖1。目前，快速原型技術(shù)已經(jīng)逐步趨于成熟，發(fā)達(dá)國(guó)家也將激光工程化凈成形技術(shù)作為研究的重點(diǎn)，并取得了一些實(shí)質(zhì)性成果。在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用該技術(shù)制作出功能復(fù) 合型材料，可以修復(fù)高附加值的鈦合金葉片，也可以運(yùn)用到直升機(jī)、客機(jī)、導(dǎo)彈的制作中。另外，還能將該技術(shù)運(yùn)用于生物植入領(lǐng)域，采用與人體具有相容性的Ni、Ti材質(zhì)制備植入體，有效提升了空隙率，延長(zhǎng)了植入體的使用時(shí)長(zhǎng)。
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(diǎn)非金屬粉末燒結(jié)、低熔點(diǎn)包覆高熔點(diǎn)粉末燒結(jié)、高熔點(diǎn)粉末直接熔化成形等階段。由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在 1986年最早申請(qǐng)專(zhuān)利，1988年研制成功了第1臺(tái)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(dá)到近乎 100%，尺寸精度達(dá) 20 ～ 50 μm，表面粗糙度達(dá)20 ～30 μm，是一種極具發(fā)展前景的快速成形技術(shù)。
SLM成型材料多為單一組分金屬粉末，包括奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷-鉻合金和貴重金屬等。激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合、高精度的近乎致密金屬零件，是極具發(fā)展前景的金屬零件3D打印技術(shù)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到航空航天、微電子、醫(yī)療、珠寶首飾等行業(yè)。
SLM工藝有多達(dá)50多個(gè)影響因素，對(duì) 成型效果具有重要影響的六大類(lèi)：材料屬性、激光與光路系統(tǒng)、掃描特征、成型氛圍、成型幾何特征和設(shè)備因素。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員主要針對(duì)以上幾個(gè)影響因素進(jìn)行工藝研究、應(yīng)用研究，目的都是為了解決成型過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，提高成型零件的質(zhì)量。工藝研究方面，SLM成型過(guò)程中重要工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距和掃描策略等，通過(guò)組合不同的工藝參數(shù)， 使成型質(zhì)量最優(yōu)。
SLM成型過(guò)程中的主要缺 陷有球化、翹曲變形。球化是成型過(guò)程中上下兩層熔化不充分，由于表面張力的作用，熔化的液滴會(huì)迅速卷成球形，從而導(dǎo)致球化現(xiàn)象，為了避免球化，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦龃筝斎?能量。翹曲變形是由于SLM成型過(guò)程中存在的熱應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度，發(fā)生塑性變形引起，由于殘余應(yīng)力的測(cè)量比較困難，目前對(duì) SLM工藝的翹曲變形的研究主要是采用有限元方法進(jìn)行，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。SLM 技術(shù)的基本原理是: 先在計(jì)算機(jī)上利用Pro /e、UG、CATIA 等三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，然后通過(guò)切片軟件對(duì)該三維模型進(jìn)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。
圖 2 為其成形原理圖： 激光束開(kāi)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(gè)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(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。整個(gè)加工過(guò)程在通有惰性氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。 廣泛應(yīng)用激光選區(qū)熔化技術(shù)的代表國(guó)家有德國(guó)、美國(guó)等。他們都開(kāi)發(fā)出了不同的制造機(jī)型，甚至可以根據(jù)實(shí)際情況專(zhuān)門(mén)打造零件，滿(mǎn)足個(gè)性化的需要。利用EOSING M270設(shè)備成形的金屬零件尺寸較小，將其應(yīng)用到牙橋、牙冠的批量生產(chǎn)中既不會(huì)影響人們對(duì)其的使用，也不會(huì)產(chǎn)生不適感，且它的致密度接近100%，精細(xì)度較好。與此同時(shí)，利用 SLM 技術(shù)生產(chǎn)出的鈦合金零件還能夠運(yùn)用到醫(yī)學(xué)植入體中，促進(jìn)了醫(yī)學(xué)工作的發(fā)展。
