金属零件3D打印技术的应用研究

　　国际上已经有多家成熟的SLM 设备制造商，包括德国EOS 公司( EOSING M270 及其M280) ，德国Ｒealizer公司，SLM Solutions 公司，Concept Laser 公司( MCusing 系列) ，美国3D 公司( Sinterstation 系列) ，ＲenishawPLC 公司( AM 系列) 和Phenix Systems 公司等［30］。上述厂家都开发出了不同型号的机型，包括不同的零件成形范围和针对不同领域的定制机型等，以适应市场的个性化需求。

　　EOSING M270 设备成形的金属零件致密度可以达到近乎100% ，尺寸精度在20 ～ 80 μm，表面粗糙度Ｒa 在15 ～ 40 μm，能够成形的最小壁厚在0. 3 ～ 0. 4 mm。EOS 公司将该设备应用在牙桥牙冠的批量生产中，目前成形工艺已经很成熟，一次成形牙冠可以达到500 个。制造成品如图5 所示。

　　SLM 250 可成形致密度近乎100% 的金属零件，尺寸精度为20 ～ 100 μm，表面粗糙度Ｒa 达到10 ～ 15 μm，还可以成形壁厚小于0. 1 mm 的薄壁零件。而且SLM 250可实现全自动制造，可日夜工作，有很高的制造效率。Ｒealizer 的SLM 设备目前在金属模具制造、轻量化金属零件制造、多孔结构制造和医学植入体制造领域，有较为成熟的应用。图6 所示为SLM 250 设备制造的钛合金医学植入体。

　　德国Concept Laser 公司是Hofmann 集团的成员，是世界上主要的金属激光熔铸设备生产厂家之一。其M3 设备可以成形致密度近乎100% 的金属零件，尺寸精度在20 ～ 100 μm，表面粗糙度Ｒa 在10 ～ 15 μm，可成形的最小壁厚在0. 3 ～ 0. 4 mm，而且该设备可成形的范围较大，达到300 mm × 300 mm × 350 mm。图7 是Concept Laser 的SLM 设备制造的精密金属零件。国外已经将SLM 工艺应用于航空制造上，也有研究人员采用SLM 成形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高度重视。Traini等成形了梯度化Ti-6Al-4V 合金多孔牙科种植体，通过深入研究显微组织和机械性能的关系，改善了工艺，所制备的种植体与人体组织具有良好的相容性。Ciocca等采用SLM 工艺成形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。华南理工大学于2003 年开发出国内第1 套选区激光熔化设备DiMetal-240，并于2007 年开发出DiMetal-280，2012年开发出DiMetal-100，其中DiMetal-100 设备已进入预商业化阶段。

　　3. 3 电子束选区熔化技术( EBSM)

　　电子束选区熔化技术的典型代表是瑞典Arcam 公司的S12。从2003 年开始，该公司开发了EBSM 技术及设备，目前以制造EBSM 设备为主，兼顾成形技术开发。美、日、英、德等国的许多研究机构，在不同领域开展了EBSM 的应用研究。现在，生物医学植入物方面的研究已较成熟，航空航天及汽车等领域也在积极开展研究。美国波音机器人工厂及NASA Marshall 空间飞行器中心的研究方向，是飞行器及火箭发动机结构制造以及月球或空间站环境下的金属直接成形制造。

　　国内电子束粉末熔融快速成形方面，清华大学与桂林电器科学研究所合作研制了试验设备，用于基础实验研究，目前仍处于实验室研究阶段。幸福曼德智能工程技术公司引进的其外方合作伙伴瑞典Arcam 公司S12 型设备已于2007 年9 月安装完毕，随即投入生产，主要生产医用钛合金关节头，工艺较为成熟。Heinl等采用Ti-6Al-4V，Ｒamirez采用Cu，Murr［39］采用Ni 基和Co 基高温合金，以及Hernandez等人采用TiAl 制备了一系列的开放式蜂窝结构，通过改变预先设置的弹性模量E，可以获得大小不一的空隙，降低结构密度，获得轻量化结构。K. NAmato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 沉积于高纯Cu 这一现象。刘海涛等研究了工艺参数对EBSM 工艺过程的影响，结果表明，扫描线宽与电子束流、加速电压和扫描速度呈现明显的线性关系，通过调节搭接率和扫描路径可获得较好的层面质量。锁红波等研究了EBSM 制备的Ti-6Al-4V 试件的硬度和拉伸强度等力学性能，结果表明，成形过程中Al元素损失明显，低的O 含量及Al 含量有利于提高塑性;硬度在同一层面内和沿熔积高度方向没有明显差别，均高于退火轧制的硬度水平。杨鑫等采用EBSM 工艺制备了高致密度和高延伸率的Ti-5Al-2. 5Sn 合金零件。其中水平扫描方式制取的零件相对密度可以达到97% ，抗拉强度740 MPa，断面收缩率22% ，接近锻造合金的性能水平，且EBSM 工艺对致密度和力学性能的贡献，主要在于电子束选区熔化工艺的SPLS 烧结过程中会产生瞬时液相和较快的凝固速率，同时高真空下粉末颗粒表面间隙元素N，H，O 逸出，从而净化原始颗粒表面。

4 结语

　　金属零件3D 打印技术作为目前先进制造技术，我国尚处于起步阶段，应加大投入，组织各学科各行业协同努力，攻克3D 打印机中各种工艺技术难关。制造出具有我国自主知识产权的3D 打印设备，生产出各制造行业所需要的较低成本的各种3D 打印金属构件，使我国3D 打印产品从目前的实验室和小批量试生产走向商品化和工业规模生产，为此，目前亟待解决的问题及努力的方向是: ①向高性价比方向努力。金属零件3D 打印技术对于目前的机械加工行业是一项重大创新和补充，但价格高昂的设备阻碍了它的推广和应用，为了进入商业化规模，首先要降低3D 打印设备的制造成本，朝着高性价比的方向发展。②成形大尺寸零件。目前，金属零件3D 打印设备能够成形的零件尺寸范围有限，国内外3D 打印设备厂家正在积极研发大尺寸零件的成形设备。要尽快赶超目前国外所能制备的最大尺寸300 mm × 350 mm × 300 mm，此项技术才能在制造领域走向工业化应用。③与传统加工方法相结合。金属零件3D 打印技术虽极具优势，但存在制造成本高、成形件表面质量欠佳等缺点。因此，若能与传统加工方法相结合，发挥二者的优势，达到传统加工方法所实现的精度和表面粗糙度，并能够成形传统加工方法无法成形的复杂形状零件，使制造周期大幅缩短，这是金属零件3D打印技术和设备追求的主要目标之一。