1 前言

      隨（suí）著科（kē）學技（jì）術日新月異的發展，快速成形技術，特別是3D 打（dǎ）印（yìn）技術逐漸在製造業中顯露頭角並成為其不可或缺的一部（bù）分。3D 打印技術正在快速改變人們傳統（tǒng）的生產方式（shì）與生活方式，未來，以（yǐ）數字化、網絡化、個性化、定製化為特點的3D 打印製造（zào）技術將推動第3 次工業革（gé）命［1 － 3］。

      3D 打印技術( Three Dimension Print) 是“增材製造”的主要實現形式。所謂“增材製造”是指區（qū）別於傳統的“去除型（xíng）”製造，不需要原胚和模具，直接根據計算機圖形（xíng）數據，通過增加材料的方法（fǎ）生成任何形狀的物體，最大優點就是能簡（jiǎn）化製（zhì）造程序（xù），縮短新（xīn）品研製周期（qī），降低開發成（chéng）本和（hé）風險。相比傳統製造工（gōng）藝，3D 打（dǎ）印節省原材料，用料隻有原來的1 /3 到1 /2，製造速度卻快3 ～ 4倍。

      金屬零件3D 打印技術作為整個3D 打印（yìn）體係中最前沿和最有潛力的技術，是先進製造技術的重要發展方向。按照（zhào）金屬粉末的添置方式將金屬（shǔ）3D 打印技術分為3 類: ①使用激光照射預先鋪（pù）展好的金（jīn）屬（shǔ）粉末，這種（zhǒng）方法目前被設備廠家及各科研院所廣泛采用，包括使用激光照射噴嘴輸送的粉末流，激光與輸送（sòng）粉末同時工作的激光工程化淨成形( Laser Engineered Net Shaping，LENS) 技術［4 － 5］，該方法目（mù）前（qián）在國內使用比較多; ②激光選區熔化( Selective Laser Melting，SLM) 技術［6］; ③采用電子束熔化預先鋪展好的金屬粉末的電子束熔化( Electron Beam Melting，EBM) 技術，此方法（fǎ）與第1 類原理相似，隻是采（cǎi）用熱（rè）源不同。

      本文首先以這3 種技術為（wéi）例介紹了金屬3D 打印技術，包括基本的技術原理（lǐ），其次介紹了金屬3D 打印（yìn）技術的應用（yòng）研究進展，最後對它們的發展進行了展望。

      2 金屬零件3D 打印技（jì）術的發（fā）展

      2. 1 激光工程化淨成形（xíng）技術( LENS)

      LENS 是一種新的快速成形技（jì）術，它由（yóu）美國Sandia國家實驗（yàn）室（shì）首先提出（chū）［6］。其特點是: 直接製（zhì）造形狀結構複雜的金屬功能（néng）零件或模具; 可加工的金屬或合金（jīn）材料範圍廣泛並能實現異質材料零件的製造; 可方便加工熔點高、難加工的材料。

      在（zài）LENS 係統中，同軸送粉器（qì）包括送粉器、送粉頭和（hé）保護氣路3 部分［7］。送粉器包括粉末料箱和粉（fěn）末定量送給機構，粉末的流量由步進電機的轉速決定。為使金屬（shǔ）粉末在自重作用下增（zēng）加流動性，將送粉器架設（shè）在2. 5 m的高（gāo）度上。從送粉器流出的金屬粉末經粉末分割器平均分成（chéng）4 份並通過軟管流入粉頭（tóu），金屬粉末從粉頭的噴嘴（zuǐ）噴射到激光（guāng）焦點的位置（zhì）完成熔化堆積過程。全部粉（fěn）末路徑由保護氣體推（tuī）動，保（bǎo）護氣體將金屬粉末與（yǔ）空氣隔離，從而避免（miǎn）金屬粉末氧化。LENS 係統同軸送粉器結構示意圖見圖1。

      2. 2 激光選區（qū）熔（róng）化技術（shù）( SLM)

      SLM 是金屬3D 打印（yìn）領域的重要部分，其發展曆程經曆低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點粉末燒結、高熔點粉末直接熔化成形等階段（duàn）。由美國德克薩斯大學奧斯汀分校在1986 年最早申請專利，1988 年研製成功了第1 台SLM 設（shè）備，采用精細聚焦光斑快速熔化成30 ～ 51 μm 的預置粉末材料，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結合的功能零件。致密度可達（dá）到近乎100% ，尺寸精度達20 ～ 50 μm， 表麵粗（cū）糙度（dù）達20 ～ 30 μm，是一種極具發展前景的（de）快速成形技術［8 － 9］。

      SLM 技術（shù）的基本原理［10 － 13］是: 先在計算機上利用Pro /e、UG、CATIA 等三維造型（xíng）軟（ruǎn）件設計出零件的三（sān）維（wéi）實體模型，然後通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截麵的輪廓數據，由（yóu）輪廓數據（jù）生成（chéng）填充掃描路徑，設備將按（àn）照這些（xiē）填充（chōng）掃描線，控製激光束選區熔化各（gè）層的金屬（shǔ）粉（fěn）末材料， 逐步堆疊成三維金屬零（líng）件［14 － 15］。圖2 為其成（chéng）形原理圖: 激光束（shù）開始掃描前（qián），鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成形缸的（de）基板上，激光（guāng）束（shù）再按當（dāng）前層的填充掃（sǎo）描線，選區熔化基板上的粉末，加工出當（dāng）前層，然後成形缸下降1 個層厚的距離，粉料（liào）缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加（jiā）工好的當前層（céng）上鋪好金屬（shǔ）粉末，設備調入下一層輪廓的數據進（jìn）行（háng）加工，如此（cǐ）層層加（jiā）工，直到整個零件加工（gōng）完畢。整個加工（gōng）過（guò）程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發生反應［16 － 17］。

      2. 3 電子束選（xuǎn）區熔化技術( EBSM)

      EBSM［18］是采用高能電子束（shù）作為（wéi）加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉（zhuǎn）線圈進行，且電子束具有（yǒu）的真空（kōng）環（huán）境，還可以避免金屬粉末在液相燒結或熔（róng）化過程中被氧化［19］。鑒於電（diàn）子束具有的上（shàng）述（shù）優點，瑞典Arcam公司、清華（huá）大學、美國麻省理工學院和美國NASA 的Langley 研究中心，均開發出了各自的電子束快速製造係統，前兩（liǎng）家利用電子束熔化鋪在工作台（tái）麵（miàn）上的金屬（shǔ）粉末，與（yǔ）激光選區燒結技（jì）術類似; 後兩家利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和（hé）工作台移動，與激光淨成（chéng）形製造（zào）技術類似。

      利用金（jīn）屬（shǔ）粉（fěn）末在電子束轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平麵上鋪展一層粉末並（bìng）壓實; 然後（hòu），電子束在計算機的控製下按照截麵輪（lún）廓的信息進行有選擇的熔化（huà）/燒結，層（céng）層（céng）堆積（jī），直至整（zhěng）個零（líng）件全部熔化/燒結完成［20］。

      EBSM 技術主要有送（sòng）粉、鋪粉、熔化等工藝步驟［21 － 22］，因此，在其真空室應具備（bèi）鋪送粉機構、粉末回收箱及成形平台。同時（shí），還應包括電子槍係統、真空係統、電源係統和控製係（xì）統。其中，控製係統包括掃描控製係（xì）統、運動控製係統、電源（yuán）控製係統、真空控製係統和溫度檢測（cè）係統，如圖3 所示。

      3 金屬零件3D 打印技術的應用

      3. 1 激光工程化淨成形（xíng）技術( LENS) 的應（yīng）用

      隨著快速原型技術的逐漸成（chéng）熟，金（jīn）屬粉末（mò）激（jī）光熔融沉積技術在西方發達國家逐漸成為材料加工領（lǐng）域的研究熱點（diǎn），並迅速進入高速發（fā）展階段。國內外眾多（duō）研究機構對激光工程（chéng）化（huà）淨成形（xíng）技術的原理、成形工藝、熔凝組織、零件幾何形狀和力學性能等基礎性（xìng）課題開展（zhǎn）了（le）大量研究工作。美國Sandia 國家實驗室、Los Alomos國家（jiā）實驗室和密西根大學J. Mazumder 教授研究（jiū）組，分別提出了技術原理相類似的激光直接製造技術( Directed Laser Fabrication，DLF) 和金屬直接沉積技術( Direct Metal Deposition，DMD) ［23］。目前，國外先進LENS 製造係統典型代表有德國Trumpf 和美國POM 公司DMD505、美國Huffman公司HP-205、美國Optomec公司Lens 850、Aeromet 公司Lasform 等［24］。國外（wài）已經（jīng）利用這些商（shāng）業化的技術及設備取（qǔ）得（dé）了（le）實質性的成果，可製備疊層材（cái）料、功能複合材料，裁縫式地製成“變成分”的（de）材料或零件和修複高（gāo）附加值的鈦合（hé）金葉片（piàn）、整體葉盤等構件（jiàn），且其力學性能達到鍛件的水平。其相關成果在武裝直升機、AIM 導彈、波音7X7 客（kè）機、F /A-18E /F、F-22 戰機等方麵均有實際應用［25］。譬如（rú），AeroMet 公（gōng）司利用Lasform 係統製備的F-22 戰機的TC4 鈦合金接頭滿足疲（pí）勞壽命2 倍要求，F /A-18E /F的翼根吊環滿足疲勞壽命4 倍要求，且靜力加載到225% 仍未破壞，並為軍用（yòng）飛機與發動機製造（zào）鈦合金結構件（jiàn）的試生產（chǎn）件。

      在生物（wù）植入件方（fāng）麵，國外研究人員應用LENS 工藝製備了載重（chóng）植入體的多孔和功（gōng）能梯度結構，采（cǎi）用的材料為（wéi）Ni，Ti 等與人體具（jù）有良好相容性的合金，製備的植入體的孔隙率（lǜ）最高能達到（dào）70%， 使用壽命達到7 ～ 12 年。Krishna［26 － 27］ 等人采用Ti-6Al-4V 和Co-Cr-Mo合金製備了多孔（kǒng）生物植入體，並研究了植入體的力學（xué）性能，發現孔隙率為10% 時，楊氏模量達到90 GPa，當孔隙率為70% 時（shí），楊（yáng）氏模（mó）量急劇降至2 GPa，這樣就（jiù）可以調整孔隙率，使植入體的力學性能與（yǔ）生物體適配。Zhang［28］等製備了網狀的（de）Fe 基( Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr)金屬（shǔ）玻璃( MG) 組件（jiàn），研究發現，MG 的顯（xiǎn）微硬度達到9. 52 GPa。費（fèi）群星［29］等采用LENS 工藝成形了無變（biàn）形的Ni-Cu-Sn 合金樣品（pǐn）。

      國內最早從1998 年開始相關技術的研究（jiū）工作（zuò）。國家對該研究非（fēi）常重視，並給予了大力支持，先後（hòu）安排（pái）了973 計劃、863 計劃和總裝“十五”、“十一五”預研等項目。北京航空（kōng）航天大學、西北工業大學、高能束流加工技術國防科技重點實驗室、清華大學等國內研究機構也開展了激光快速成形與修複（fù）技術及其設備的開（kāi）發研製，並取得了一（yī）批成果（guǒ）。譬如，北京航空航天大學王華明教授研究組已開（kāi）發（fā）了同軸送粉激光快速成形技術及裝備，並製備出一（yī）些鈦合金結構（gòu）件，如圖4 所示。 

      3. 2 激光選區熔化技術( SLM) 的（de）應用（yòng）

      國際上已經有多家成熟的SLM 設備製（zhì）造商，包括德國EOS 公司( EOSING M270 及其M280) ，德國Ｒealizer公司，SLM Solutions 公司，Concept Laser 公司( MCusing 係列) ，美國3D 公司( Sinterstation 係列) ，ＲenishawPLC 公司( AM 係列) 和Phenix Systems 公司等［30］。上述（shù）廠家都開發出了不同型號的機型，包括不同的零（líng）件成形範圍（wéi）和針對不同領域的定製機型等，以適應市場的個性化需求。

      EOSING M270 設備成形的金屬（shǔ）零件致密度可以達到（dào）近乎100% ，尺寸精度在（zài）20 ～ 80 μm，表（biǎo）麵（miàn）粗糙度Ｒa 在15 ～ 40 μm，能夠成形的最小壁厚（hòu）在0. 3 ～ 0. 4 mm。EOS 公司將該設備應用（yòng）在牙（yá）橋牙冠的批量生產中，目前成形工藝已經很成熟，一次成形牙冠可以達到500 個。製造成（chéng）品如圖5 所示（shì）。

      SLM 250 可成形致密度近乎100% 的金屬零件，尺寸精度為20 ～ 100 μm，表麵粗糙度Ｒa 達到10 ～ 15 μm，還可以成形壁厚小於0. 1 mm 的（de）薄壁零件。而且SLM 250可實現全自動製造，可（kě）日夜工作，有很高的製（zhì）造效率。Ｒealizer 的SLM 設備目前在金屬模具製造、輕量化金屬零件（jiàn）製造、多（duō）孔結構製造和（hé）醫學植入體製造領域，有較為成熟的應用（yòng）［31］。圖6 所示為SLM 250 設備製造的鈦合金（jīn）醫學植入體。 

      德國Concept Laser 公（gōng）司（sī）是Hofmann 集團的成員，是世界（jiè）上主要的金屬激光熔（róng）鑄設備生產廠家之一［32 － 33］。其M3 設備可以成形致密度近乎100% 的（de）金屬零件，尺寸精度在20 ～ 100 μm，表麵粗糙度Ｒa 在（zài）10 ～ 15 μm，可（kě）成形的最小壁厚在0. 3 ～ 0. 4 mm，而且該設備（bèi）可成形的範（fàn）圍較大，達到（dào）300 mm × 300 mm × 350 mm。圖7 是Concept Laser 的（de）SLM 設備製造的精密金屬零件。國外已經將SLM 工藝應用於航空製造上，也（yě）有研究人員采（cǎi）用SLM 成（chéng）形了（le）高（gāo）縱橫（héng）比的（de）鎳鈦微電子機械係統( MEMS) ，並投入應用。Ti-6Al-4V 合金（jīn）具有良好的生物相容性，作（zuò）為生物植入體的材料得到國外研究人員的高度重視。Traini［34］等成（chéng）形了梯度化Ti-6Al-4V 合金多孔牙科種植體，通過深入研究顯微組（zǔ）織和機械性能的關（guān）係，改善了工藝，所製備的種植體與人體組織（zhī）具有良好的相容性。Ciocca［35］等采用SLM 工藝成形了用於萎縮性上頜（hé）拱的（de）引導骨再生（shēng）的定製化鈦合金（jīn）網格假體，術前和術後頰齶（è）的高度和寬度的誤差，分（fèn）別為2. 57 mm 和3. 41 mm，滿足臨床要求［36］。華（huá）南（nán）理工（gōng）大學於2003 年開發出國內第1 套選區激光熔化設備DiMetal-240，並於2007 年開發出DiMetal-280，2012年開發出DiMetal-100，其中DiMetal-100 設備已進入預商（shāng）業化階段。

      3. 3 電子束選（xuǎn）區熔化技術（shù）( EBSM)

      電子（zǐ）束（shù）選區（qū）熔化技術的典型代表是瑞典Arcam 公司的S12。從2003 年開始，該公（gōng）司開發了EBSM 技術及設備，目前以製造（zào）EBSM 設備為主，兼顧成形（xíng）技術（shù）開發（fā）。美、日、英、德等國的（de）許多研（yán）究機構，在不同領域開展了EBSM 的（de）應用（yòng）研究［37 － 38］。現在，生物醫學植入物方麵的研究已較成熟，航空航天及汽車等領域也在積極開展研究。美國波音機（jī）器人工廠及NASA Marshall 空間飛行器中心的研究方向，是飛行器及火箭發動機結構製造以及月球或空間（jiān）站環境下（xià）的金屬直接成形製造。圖8 為波音公司生產的鈦合金航空發動機（jī）葉（yè）輪。

      國內電子（zǐ）束粉末熔融快速（sù）成形方麵，清華大學與桂林電器科學研究所合（hé）作研製了試驗設備，用於基（jī）礎實驗研究，目前仍處於實驗室研（yán）究階段。幸福曼德智能工（gōng）程技術公司引（yǐn）進的其外方合作夥伴瑞典Arcam 公司S12 型設備已於2007 年9 月安裝（zhuāng）完畢，隨即投入生產，主要生產醫用鈦合金關（guān）節頭，工藝較為成熟。Heinl［37］等采用Ti-6Al-4V，Ｒamirez［38］采用Cu，Murr［39］采用Ni 基和Co 基（jī）高溫合（hé）金，以及Hernandez［40］等（děng）人采用TiAl 製備了一係列的開放式蜂窩結構（gòu），通過改變（biàn）預先設置的彈性（xìng）模量E，可以獲（huò）得大小不一的空隙，降低結構密度，獲得輕量化（huà）結構。K. NAmato［41］等人利（lì）用Co 基高溫合（hé）金矩陣（zhèn）顆粒，製備了柱狀碳化物沉積結構（gòu）。Ｒamirez［42］采用Cu2O 製備了新型定（dìng）向（xiàng）微結構，發現在製備過程中，柱狀Cu2O 沉積於高純Cu 這一現象。劉海濤［43］等研究了工藝參數對EBSM 工藝過程的影（yǐng）響，結果表明，掃描線寬與電子束流、加（jiā）速電壓和掃描速度呈現（xiàn）明顯的線性關係，通（tōng）過（guò）調節搭接率和掃描路徑可獲（huò）得較好的層麵質量。鎖紅波［44］等研究了EBSM 製備的Ti-6Al-4V 試件的硬度和拉伸強度（dù）等力學性能，結果表明，成（chéng）形過（guò）程中Al元素損失明顯，低的O 含量及Al 含量有利於（yú）提高（gāo）塑性;硬度在同一（yī）層（céng）麵內和沿熔積（jī）高度方向沒有明顯差別，均高於退火軋製的硬度水（shuǐ）平。楊鑫［45］等采用EBSM 工藝製備了高致密度和高延伸率的Ti-5Al-2. 5Sn 合金零件。其中水平掃描方式製取的零件相對密度可以達到97% ，抗（kàng）拉強度740 MPa，斷麵收縮率22% ，接近鍛造合金的性能水平，且EBSM 工藝對致密度和力學性能的貢獻，主要在於電子束（shù）選區熔化工藝的SPLS 燒結過程中會產生瞬時液相和較（jiào）快的凝固速率，同時高真空下粉末顆粒表麵間隙元素N，H，O 逸出，從而淨化（huà）原始顆粒表麵。

      4 結語

      金屬零件3D 打印技術作為目前先進製造技術，我國尚處於起步階段，應加大投入，組織各學科各行（háng）業協同努力，攻克3D 打印機中各種工藝技術（shù）難關。製造出具有我國自（zì）主知識產權的（de）3D 打印設備，生產出各製（zhì）造行（háng）業所需要的較低成本的各種3D 打印金（jīn）屬構件，使我國3D 打印（yìn）產品從目前的實驗室和小批量試生產走向商品化和工（gōng）業規模生產，為（wéi）此，目前亟待解（jiě）決的問題及努（nǔ）力（lì）的方向是: ①向高性價比方（fāng）向努力。金屬零件3D 打印（yìn）技術對於目前的機械加工行業（yè）是一項（xiàng）重大創新（xīn）和補充，但價（jià）格高昂的設備阻礙（ài）了它的推廣和應用（yòng），為了進入商業化規模，首先要降低3D 打印設備的製造成本，朝（cháo）著高性價比的方向發展。②成形大尺寸零件。目前，金屬零件3D 打印設備能夠成形（xíng）的零件尺寸範圍有（yǒu）限，國內外3D 打印設（shè）備廠家正在積（jī）極研發大尺寸零件的成形設備。要盡快趕超目前國外所（suǒ）能製（zhì）備的最大尺寸300 mm × 350 mm × 300 mm，此項技術才能在製造領域走向工業化應用。③與傳（chuán）統加工方法相結合。金屬零件3D 打印技術雖極具優（yōu）勢，但存在製（zhì）造成本高、成（chéng）形件表麵質量欠佳等缺點。因此，若（ruò）能與傳統加工方法相結合，發揮二者的優勢，達到傳統加（jiā）工方（fāng）法所實現的精度和表麵粗（cū）糙度（dù），並能夠成形傳統加工方法無法成形的複雜（zá）形（xíng）狀零件，使製造周期大幅縮短，這是金屬（shǔ）零件3D打印技術（shù）和設備（bèi）追求（qiú）的主要目標之一。