金属零件3D打印技术现状及研究进展_杨永强

金属零件 3D 打印技术作为整个 3D 打印体系 中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术 的重要发展方向。随着科技发展及推广应用的需 求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了 快速成型主要的发展方向。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：选区激光 熔化 （Selective Laser Melting，SLM）、电子束选区 熔 化 （Electron Beam Selective Melting， EBSM）、 激 光 近 净 成 形 （Laser Engineered Net Shaping， LENS） 等。
关键词：金属零件 3D 打印；选区激光熔化；直接制造
中图分类号：TG665
文献标识码：A
文章编号：1009－9492 (2013) 04－0001－07
The Status and Progress of Manufacturing of Metal Parts by 3D Printing Technology
YANG Yong-qiang，LIU Yang，SONG Chang-hui
（School of Mechanical &Automotive Engineering，th China University of Technology，Guangzhou510640，China）
Abstract: This paper presents the research status and new progress of the metal parts manufactured by 3DP Technologies， including Selective Laser Melting(SLM)， Laser Engineered Net Shaping(LENS) and Electron Beam Selective Melting(EBSM). At last， combined with the work of authors’ research team，the authors analyze the main research hotspots ，problems and oriented applications of metal parts manufactured by 3DP Technologies in detail. Key words: metal parts 3DP technologies；selective laser melting；direct manufacturing
性能分析和表面处理，种植体与人体组织具有良 好的相容性。Ciocca[27]等采用 SLM 工艺成型了用于 萎缩性上颌拱的引导骨再生的定制化钛合金网格 假体，术前和术后颊腭的高度和宽度的误差分别 为 2.57 mm 和 3.41 mm，满足临床要求。
国外对 SLM 工艺进行开展研究的国家主要集 中在德国、英国、日本、法国等。其中，德国是 从事 SLM 技术研究最早与最深入的国家。第一台 SLM 系 统 是 1999 年 由 德 国 Fockele 和 Schwarze （F&S） 与德国弗朗霍夫研究所一起研发的基于不 锈钢粉末 SLM 成型设备。目前国外已有多家 SLM 设备制造商，例如德国 EOS 公司、SLM Solutions 公司和 Concept Laser 公司。华南理工大学于 2003 年开发出国内的第一套选区激光熔化设备 DiMet⁃ al-240，并于 2007 年开发出 DiMetal-280，2012 年 开发出 DiMetal-100，其中 DiMetal-100 设备已经 入预商业化阶段。
0 前言
3D 打印技术正在快速改变传统的生产方式 和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国 等发达国家高度重视并积极推广该技术。不少专 家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为 特点的 3D 打印技术为代表的新制造技术将推动 第三次工业革命。3D 打印技术其源可以追溯到 快速成型技术 （Rapid Prototyping，RP），从 3D 计 算机辅助设计 （3D CAD） 发展开始，人们就希 望方便地将设计直接转化为实物。而 3D 打印技 术 ， 就 是 在 计 算 机 中 将 3D CAD 模 型 分 成 若 干 层，通过 3D 打印设备在一个平面上按照 3D CAD 层图形，将塑料、金属甚至生物组织活性细胞[1] 等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的 叠加起来。通过每一层不同的图形的累积，最后 形成一个三维物体。
激光近净成形 （Laser Engineered Net Shaping, LENS） 技术和电子束选区熔化 （Electron Beam Selective Melting, EBSM） 技术，并
针对作者实验室的工作方向——SLM 直接制造，具体分析了金属零件 3D 打印技术研究热点和难点以及具体应用。
3 EBSM 技术
EBSM 技术是 20 世纪 90 年代中期发展起来的 一种金属零件 3D 打印技术，其与 SLM/DMLS 系统 的差别主要是热源不同，在成型原理上基本相 似。与以激光为能量源的金属零件 3D 打印技术相 比，EBSM 工艺具有能量利用率高、无反射、功 率密度高、聚焦方便等许多优点[36]。在目前 3D 打 印技术的数十种方法中，EBSM 技术因其能够直 接成型金属零部件而受到人们的高度关注。国外 对 EBM 工艺理论研究相对较早，瑞典的 Arcam AB 公司研发了商品化的 EBSM 设备 EBM S12 系列， 而国内对 EBSM 工艺的研究相对较晚。Heinl[37]等 采 用 Ti6-Al4-V、 Ramirez[38] 采 用 Cu、 Murr[39] 采 用 Ni 基和 Co 基高温合金、Hernandez[40]等人采用 TiAl 制备了一系列的开放式蜂巢结构。通过改变预设 置弹性模量 E，可以获得大小不同的孔隙，降低 结构的密度，获得轻量化的结构。K.N.Amato[41]等 人利用 Co 基高温合金矩阵颗粒制备了柱状碳化物 沉积结构。Ramirez[42]等采用 Cu2O 制备了新型定向 微结构，发现在制备过程中，柱状 Cu2O 沉淀在高 纯铜中这一现象。刘海涛 等 [36] 研究了工艺参数对 电子束选区熔化工艺过程的影响，结果表明扫描 线宽与电子束电流、加速电压和扫描速度呈明显 的线性关系，通过调节搭接率和扫描路径可以获 得较好的层面质量。锁红波[43]等研究了 EBSM 制备
收稿日期：2013－03－01
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综述
机电工程技术 2013 年第 42 卷第 04 期
也涉及到 SLM 工艺。西北工业大学[6]深入研究了 LENS 工艺。
1 SLM/DMLS 技术
SLM/DMLS 成型原理与选区激光烧结 （SLS） 基本相同，其中 DMLS 工艺原理直接出自于 SLS[7]。 作为金属零件 3D 打印技术的重要组成部分，两者 都可以直接进行金属零件直接制造，不需要后处 理，因此本文将两者归纳为一类。SLM 成型材料 多为单一组分金属粉末 ， [8] 包括奥氏体不锈钢 、 [9] 镍基合金 、 [10] 钛基合金[10]、钴-铬合金[11]和贵重金 属[12]等。激光束快速熔化金属粉末并获得连续的 熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶 金结合、高精度的近乎致密金属零件，是极具发 展前景的金属零件 3D 打印技术。其应用范围已经 扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行 业。SLM 工艺有多达 50 多个影响因素[13]，作者根 据经验，总结了对成型效果具有重要影响的六大 类：材料属性、激光与光路系统、扫描特征、成 型氛围、成型几何特征和设备因素。目前，国内 外研究人员主要针对以上几个影响因素进行工艺 研究、应用研究，目的都是为了解决成型过程中 出现的缺陷，提高成型零件的质量。工艺研究方 面，SLM 成型过程中重要工艺参数有激光功率、 扫描速度、铺粉层厚、扫描间距和扫描策略等， 通过组合不同的工艺参数，使成型质量最优[14-16]。 SLM 成型过程中的主要缺陷有球化、翘曲变形。 球化是成型过程中上下两层熔化不充分，由于表 面张力的作用，熔化的液滴会迅速卷成球形，从 而导致球化现象[17-18]，为了避免球化，应该适当地 增大输入能量。翘曲变形是由于 SLM 成型过程中 存在的热应力超过材料的强度，发生塑性变形引 起 ， [19] 由 于 残 余 应 力 的 测 量 比 较 困 难 ， 目 前 对 SLM 工艺的翘曲变形的研究主要是采用有限元方 法进行 ， [20-22] 然后通过实验验证模拟结果的可靠 性。应用研究方面，国外已经将 SLM 工艺应用于 航空制造上，也有研究人员[23]采用 SLM 成型了高 纵横比的镍钛微电子机械系统 （MEMS），并投 入 应 用 。 Ti-6Al-4V 合 金 具 有 良 好 的 生 物 相 容 性，作为生物植入体的材料得到国外研究人员 的 重 视 。 [24-25] Traini[26] 等 成 型 了 梯度化 Ti-6Al-4V 合金多孔牙科种植体，通过显微组织分析、机械
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杨永强 等：金属零件 3D 打印技术现状及研究进展
综述
（a） DiMetal-240
（b） DiMetal-280
图 1 三款设备
（c） DiMetal-100
得微观组织、显微硬度和机械性能良好的网状的 Co 基高温合金薄壁零件。费群星[35]等采用 LENS 工 艺成型了无变形的 Ni-Cu-Sn 合金样品。
机电工程技术 2013 年第 42 卷第 04 期
综述
DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2013. 04. 001
金属零件 3D 打印技术现状及研究进展*
杨永强，刘 洋，宋长辉
（华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东广州 510640）
摘要：简述了国内外的金属零件 3D 打印技术的研究现状及最新进展，包括选区激光熔化 （Selective Laser Melting, SLM） 技术、
国外对金属零件 3D 打印技术的理论与工艺研 究相对较早，且在近几年已有多家公司推出商品 化的设备。而国内的研究主要集中在基础的工 艺，华南理工大学[2]的研究重点是 SLM 技术，清 华大学[3]以 EBM 技术为主，南京航空航天大学[4]和 华中科技大学[5]主要研究选区激光烧结技术，近期