中國粉體網訊 大眾持續堅定推動 3D 打印技術量產應用化，目前已經取得突破性進展，近期將首次在德國 Wolfsburg 工廠投入制造車輛零件。大眾所使用的 3D 打印技術是以雷射從金屬粉末中一層層將零件堆棧出來，為了取得足夠強度，金屬零件還會經過加熱與塑形。
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3D打印技術，又稱增材制造(AM)技術，在工業領域體現出較強的靈活性、較高的設計制造自由性，能夠滿足航空航天、國防和醫療等領域的安全可靠和個性化需求，在這些領域得到了廣泛的研究和應用。
1 金屬3D打印主要技術
3D打印技術通過激光、電子束或電弧等提供高能熱源，按照分層軟件設定的路徑將原材料以逐層熔凝堆積的方式成形一體化復雜結構件，是一種“從無到有”的材料添加成形過程。
目前，常用的金屬3D打印技術包括:激光選區熔化(SLM)、直接金屬激光燒結(DMLS)、電子束選區熔化(EBM)、電弧送絲增材制造(WAAM)、激光熔融沉積(LDMD)等。不同的3D打印工藝原理相似，主要為基于粉床鋪粉和同軸送粉/絲兩種模式實現構件的快速成形。
1.1 激光選區熔化技術(SLM)
在金屬增材制造中，SLM是應用最普遍的技術之一，由Fraunhofer研究所于1995年在德國提出，利用激光選區熔化打印金屬材料，圖1為其技術原理圖。SLM技術的激光器能量密度很高，能夠直接用激光熔化粉體，不需要粘結劑，具有很高的成形性能。經過SLM技術制備的零件具備相當高的致密度，力學性能優異，非常適合實際工程應用。
1.2 電子束選區熔化技術(EBM)
EBM技術，其技術原理為: 采用電子束焊接工藝在真空環境中，熔化金屬粉末材料，然后按照設定的路徑逐層堆積而成形出金屬制件。通過EBM技術可以成形結構復雜、成分純度高的金屬零件，但是其成形尺寸受到了粉體環境與車床的限制。設備示意圖見圖2。
1.3 激光熔融沉積(LDMD)
LDMD技術也稱為激光堆焊技術，早在二十世紀六十年代就被提出，通過使用高能激光在兩個金屬材料表層之間形成熔覆層，然后經快速固化得到性能良好的涂覆層。但是受到工藝與殘余應力等影響，熔覆層常常存在缺陷，在成形精度、成本等方面仍有不足。技術原理圖見圖3。
2 現有國內外金屬 3D 打印材料
3D 打印用金屬材料的化學成分包括主要金屬元素和雜質成分，主要金屬元素常用的有 Fe，Ti，Ni，Al，Cu，Co，Cr 及貴金屬 Ag，Au 等。不同的金屬 3D 打印技術所對應的打印材料有所不同。
2.1 金屬 3D 打印絲材
金屬 3D 打印的絲材主要集中在不銹鋼、鈦、鋁等材料，如銅、金、鎳等其他的金屬 3D 打印材料只處在研發試用階段，其主要缺點為性能單一、價格昂貴。
金屬打印絲材可以采用電弧增材制造技術(WAAM) ，是以電弧為載能束，熱輸入較高，適用于大尺寸復雜構件，通過分層掃描和堆焊的方法來制造鈦合金、鋁合金等金屬元件。TIG 電弧增材制造技術是在鎢極氬弧焊接方法的基礎上改良而形成的一種技術，主要的研究對象有鋁合金、鈦合金、不銹鋼; MIG 電弧增材制造技術主要采用直接熔絲的方法進行堆焊，此項技術大多數主要研究其成形工藝和力學性能，主要研究對象有鋁合金、鈦合金。
2.2 金屬 3D 打印粉材
相對于金屬絲材的增材制造技術的單一性，其在粉材的打印中得到了更多的發展應用，例如選擇性激光燒結(SLS) ，利用激光高溫使粉末間發生燒結反應而連接，常用到的金屬材料主要有覆膜金屬及金屬與非金屬的復合粉末; 激光選區熔化技術(SLM)，可用于不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳鉻合金等粉末打印材料，如圖4所示。激光熔敷沉積(LCD) 技術，該技術可用于鈦合金、不銹鋼粉、銅合金等作為粉末成形材料進行打印成形，同時還可使用 WC/Co，TiC，VC 等硬金屬及 Al2O3，TiO2等陶瓷材料進行成形，由于相對于傳統焊接工藝產生的殘余熱應力小，常用于汽輪機、葉片、渦輪盤的損害修復; EBM 技術可用于工具鋼、鈦合金、鎳合金，甚至耐火的鋁合金等導電金屬材料。直接金屬激光燒結(DMLS) ，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。
圖4 SLM 直接打印的零件 圖片來源：焊接期刊
3 金屬 3D 打印的優勢
與傳統技術相比，金屬 3D 打印技術擁有如下優勢: 通過逐層堆積材料進行加工，而不是去除多余材料進行加工，減少材料浪費; 可以制造出傳統生產技術無法制造出的復雜外形結構，其制作程序簡單有效; 能夠快速有效個性化生產，適用范圍更廣。
4 未來挑戰與趨勢
由于中國市場對金屬材料 3D 打印的接受度仍處于初期階段，3D 打印技術在中國生產制造行業的滲透率的確還遠不如美國、德國等國家。傳統高能束金屬增材制造痛點如下圖：
圖片來源：曲選輝教授
金屬3D打印無疑已成為一種十分先進的高性能材料和零部件綠色制造技術，具有廣闊的應用市場。金屬3D打印在當前是傳統制造業的有力補充，在將來可能是制造業的主要成形技術之一。開發粉體材料設計技術（材料基因工程）、智能化生產技術，進一步提升新技術的生產效率和產品質量，降低生產成本，是金屬3D打印未來的發展重點。
參考來源：
【1】常坤，等.金屬材料增材制造及其在民用航空領域的應用研究現狀.材料導報.2021年.
【2】張忠倫，等. 增材制造用金屬材料的研究現狀.中國建材科技.2021年，30（1）.
【3】段宣政，等. 國內外金屬3D打印材料現狀與發展.焊接.2020年.
【4】曲選輝.金屬近球形粉末低成本制造與高效打印成形新技術.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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