金属零件3D打印技术的应用研究

1 前言

　　随着科学技术日新月异的发展，快速成形技术，特别是3D 打印技术逐渐在制造业中显露头角并成为其不可或缺的一部分。3D 打印技术正在快速改变人们传统的生产方式与生活方式，未来，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D 打印制造技术将推动第3 次工业革命。

　　3D 打印技术( Three Dimension Print) 是“增材制造”的主要实现形式。所谓“增材制造”是指区别于传统的“去除型”制造，不需要原胚和模具，直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，最大优点就是能简化制造程序，缩短新品研制周期，降低开发成本和风险。相比传统制造工艺，3D 打印节省原材料，用料只有原来的1 /3 到1 /2，制造速度却快3 ～ 4倍。

　　金属零件3D 打印技术作为整个3D 打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添置方式将金属3D 打印技术分为3 类: ①使用激光照射预先铺展好的金属粉末，这种方法目前被设备厂家及各科研院所广泛采用，包括使用激光照射喷嘴输送的粉末流，激光与输送粉末同时工作的激光工程化净成形( Laser Engineered Net Shaping，LENS) 技术，该方法目前在国内使用比较多; ②激光选区熔化( Selective Laser Melting，SLM) 技术; ③采用电子束熔化预先铺展好的金属粉末的电子束熔化( Electron Beam Melting，EBM) 技术，此方法与第1 类原理相似，只是采用热源不同。

　　本文首先以这3 种技术为例介绍了金属3D 打印技术，包括基本的技术原理，其次介绍了金属3D 打印技术的应用研究进展，最后对它们的发展进行了展望。

2 金属零件3D 打印技术的发展

　　2. 1 激光工程化净成形技术( LENS)

　　LENS 是一种新的快速成形技术，它由美国Sandia国家实验室首先提出。其特点是: 直接制造形状结构复杂的金属功能零件或模具; 可加工的金属或合金材料范围广泛并能实现异质材料零件的制造; 可方便加工熔点高、难加工的材料。

　　在LENS 系统中，同轴送粉器包括送粉器、送粉头和保护气路3 部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送给机构，粉末的流量由步进电机的转速决定。为使金属粉末在自重作用下增加流动性，将送粉器架设在2. 5 m的高度上。从送粉器流出的金属粉末经粉末分割器平均分成4 份并通过软管流入粉头，金属粉末从粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置完成熔化堆积过程。全部粉末路径由保护气体推动，保护气体将金属粉末与空气隔离，从而避免金属粉末氧化。LENS 系统同轴送粉器结构示意图见图1。

　　2. 2 激光选区熔化技术( SLM)

　　SLM 是金属3D 打印领域的重要部分，其发展历程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校在1986 年最早申请专利，1988 年研制成功了第1 台SLM 设备，采用精细聚焦光斑快速熔化成30 ～ 51 μm 的预置粉末材料，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。致密度可达到近乎100% ，尺寸精度达20 ～ 50 μm， 表面粗糙度达20 ～ 30 μm，是一种极具发展前景的快速成形技术。

　　SLM 技术的基本原理是: 先在计算机上利用Pro /e、UG、CATIA 等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料， 逐步堆叠成三维金属零件。图2 为其成形原理图: 激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到成形缸的基板上，激光束再按当前层的填充扫描线，选区熔化基板上的粉末，加工出当前层，然后成形缸下降1 个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末，设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。