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金属零件3D打印技术现状及研究进展


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
510640) (华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东广州

>
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、

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。
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
Abstract: This paper presents the research status and new progress of the metal parts manufactured by 3DP Technologies, including

(School of Mechanical &Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510640,China)

YANG Yong-qiang,LIU Yang,SONG Chang-hui

Selective Laser Melting(SLM), Laser Engineered Net Shaping(LENS) and Electron Beam Selective Melting(EBSM). At last, combined parts manufactured by 3DP Technologies in detail.

with the work of authors’ research team,the authors analyze the main research hotspots ,problems and oriented applications of metal
Key words: metal parts 3DP technologies;selective laser melting;direct manufacturing

0 前言

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

3D 打印技术正在快速改变传统的生产方式

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 LENS) 等。

金属零件 3D 打印技术作为整个 3D 打印体系

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

熔 化 (Electron Beam Selective Melting, EBSM)、 国外对金属零件 3D 打印技术的理论与工艺研

望方便地将设计直接转化为实物。而 3D 打印技

激 光 近 净 成 形 (Laser Engineered Net Shaping,

术 , 就 是 在 计 算 机 中 将 3D CAD 模 型 分 成 若 干 层图形,将塑料、金属甚至生物组织活性细胞

层,通过 3D 打印设备在一个平面上按照 3D CAD
[1]

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

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。
* 2013 年国家自然科学基金面上项目 (编号:51275179)
收稿日期:2013-03-01

华中科技大学[5]主要研究选区激光烧结技术,近期

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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。

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 为 2.57 mm 和 3.41 mm,满足临床要求。 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 国外对 SLM 工艺进行开展研究的国家主要集

1 SLM/DMLS 技术

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
[8] [9]

SLM/DMLS 成型原理与选区激光烧结 (SLS)

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 ,包括奥氏体不锈钢 、 镍基合金 、钛基合金 、钴-铬合金 和贵重金 属 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 业。SLM 工艺有多达 50 多个影响因素 ,作者根
[13] [12] [10] [10] [11]

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

(F&S) 与德国弗朗霍夫研究所一起研发的基于不

SLM 系 统 是 1999 年 由 德 国 Fockele 和 Schwarze 锈钢粉末 SLM 成型设备。目前国外已有多家 SLM 公司和 Concept Laser 公司。华南理工大学于 2003 al-240,并于 2007 年开发出 DiMetal-280,2012 年 入预商业化阶段。 年开发出国内的第一套选区激光熔化设备 DiMet? 开发出 DiMetal-100,其中 DiMetal-100 设备已经 设备制造商,例如德国 EOS 公司、SLM Solutions

扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行 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]

2 LENS 技术

光熔覆技术的基础上发展起来的一种金属零件 3D 金属粉末,按照预设轨迹逐层沉积在基板上,最

LENS (Laser Engineered Net Shaping) 是在激

打印技术。采用中、大功率激光熔化同步供给的 终形成金属零件。1999 年,LENS 工艺获得了美国 工业界中“最富创造力的 25 项技术”之一的称 号。国外研究人员[28]研究了 LENS 工艺制备奥氏体

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]



不锈钢试件的硬度分布,结果表明随着加工层数 的增加,试件的维氏硬度降低。国外研究人员 [29] 度结构,采用的材料为 Ni、Ti 等与人体具有良好 到 70%,使用寿命达到 7-12 年。Krishna[30-31] 等人 采用 Ti-6Al-4V 和 Co-Cr-Mo 合金制备了多孔生物 植入体,并研究了植入体的力学性能,发现孔隙 率为 10%时,杨氏模量达到 90 GPa,当孔隙率为 70%时,杨氏模量急剧降到 2 GPa,这样就可以通 配 。 Zhang[32] 等 制 备 了 网 状 的 Fe 基 过改变孔隙率,使植入体的力学性能与生物体适 (Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr) 金属玻璃 (MG) 组 应用 LENS 工艺制备了载重植入体的多孔和功能梯 相容性的合金,制备的植入体的孔隙率最高能达

增大输入能量。翘曲变形是由于 SLM 成型过程中 起 [19], 由 于 残 余 应 力 的 测 量 比 较 困 难 , 目 前 对 法进行
[20-22]

,为了避免球化,应该适当地

存在的热应力超过材料的强度,发生塑性变形引 SLM 工艺的翘曲变形的研究主要是采用有限元方 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 采用 SLM 成型了高
[23]

,然后通过实验验证模拟结果的可靠

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 的 重 视 [24-25] 。 Traini[26] 等 成 型 了 梯度化 Ti-6Al-4V

性,作为生物植入体的材料得到国外研究人员 合金多孔牙科种植体,通过显微组织分析、机械

件,研究发现 MG 的显微硬度达到 9.52 GPa。Li[33] GTD-111。国内的薛春芳[34]等采用 LENS 工艺,获

通 过 LENS 工 艺 修 复 定 向 凝 固 高 温 合 金

2

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

(c) DiMetal-100

三款设备

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 等采用 LENS 工
[35]

的 Ti-6Al-4V 试 件 的 硬 度 和 拉 伸 强 度 等 力 学 性 能,结果表明成型过程中 Al 元素损失明显,低的 氧气含量及 Al 含量有利于塑性提高;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 退火轧制板的硬度水平。

艺成型了无变形的 Ni-Cu-Sn 合金样品。

3 EBSM 技术

一种金属零件 3D 打印技术,其与 SLM/DMLS 系统

EBSM 技术是 20 世纪 90 年代中期发展起来的

4 华南理工大学金属零件 3D 打印研究现状

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 。在目前 3D 打
[36]

追踪国外金属零件 3D 打印技术的最新进展,经过

华南理工大学激光加工实验室自 2002 年开始

十几年的研究,在设备研发、工艺过程及设计、 质量控制和应用探究等方面均取得卓有成效的进 展。 4.1 设备研发 华南理工大学激光加工实验室分别于 2004

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 而国内对 EBSM 工艺的研究相对较晚。Heinl 等
[37] [38] [39] [40]

公司研发了商品化的 EBSM 设备 EBM S12 系列, 采 用 Ti6-Al4-V、 Ramirez 采 用 Cu、 Murr 采 用 Ni 基和 Co 基高温合金、Hernandez 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
[42]

年 、 2007 年 研 发 了 DiMetal-240、 DiMetal-280, 并于 2012 年开发了最新一款预商业化设备 DiMet? al-100,如图 1 所示。
表1 型号 成型厚度/μm 最大成型尺寸/mm 热源 光学系统 扫描速度 (mm/s) 聚焦光斑直径/μm

其性能如表 1 所示。
三款设备的性能比较 DiMetal-280 280×280×300 f-θ聚焦镜 ≤5 000 50~70 20~100 DiMetal-100 100×100×100 f-θ聚焦镜 ≤7 000 30~50 20~100

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 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 [36] 等研究了工艺参数对 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

DiMetal-240 240×240×250 f-θ聚焦镜 ≤5 000 50~70 20~100

半导体泵浦200 W 高速扫描振镜

光纤激光器 200 W 高速扫描振镜

光纤激光器 200 W 高速扫描振镜

3

综述
4.2 SLM 工艺研究现状 4.2.1 致密度优化

机电工程技术 2013 年第 42 卷第 04 期

层问扫描线错开的扫描方式,能够将粗糙度 Ra 控 制在 8 μm 以下[46]。

属粉末瞬间熔化,然后又快速冷却,此过程非常

SLM 成型过程中,高能量密度的激光束将金

不稳定,造成成型件表面和内部产生大量气孔, 导致成型件致密度不高。为此提出用层间错开扫 描策略[44],如图 2 所示。 在图 2 (a) 中,第 N+1 层扫描线在 N 层扫描
图3 图4

线的顶部熔合,熔化金属液主要润湿在 N 层的顶 润湿两侧,容易产生孔隙与结合不牢等缺陷。图

部,造成两侧铺粉厚度增加,熔化金属不能充分 2 (b) 是层间错开扫描策略示意图,当第 N 层扫

成型件表面形貌

电解抛光后的表面形貌

描完后,铺下一层粉,第 N+1 层扫描线偏移一定 距离,使得激光在第 N 层的搭接凹谷处开始扫 描。熔化后的金属液与第 N 层扫描线的侧面润 湿,金属液在重力作用下润湿填充凹谷处,两层 之间的熔合线结合紧密,鲜有孔洞,润湿效果良 好,致密度近乎 100%。

4.2.3 悬垂结构优化

尺寸精度不能达到要求,或者成型过程失败。悬

悬垂结构使 SLM 成型零件的局部形状精度、

垂结构的成型主要是预先添加支撑以保证成型过 程的稳定性,成型结束后再去除支撑,获得完整 的零件。在悬垂结构不可避免的情况下,如果能 够在不添加支撑情况下将悬垂结构顺利成型完成 对 SLM 工艺的提升和应用范围拓展具有很大的意 义。当然,由 SLM 成型的机理可知,这几乎是不 图 5 是任意曲面零件分层后的示意图。其

可能的,只能通过优化成型过程,尽量减少支撑。
(a) 层间扫描策略 (b) 层间错开扫描策略

图2

中,a~b 段与 c~d 段在 SLM 成型过程中将遇到悬 cotθ。

扫描策略

垂面成型,在分层切片时会形成没有自我支撑的 悬空部分,层与层之间悬空部分的长度 S=H·

研究发现,在层间错开扫描策略下,通过优 化工艺参数 (激光功率、扫描速度、扫描间距和 铺粉厚度) 可以极大地提高零件的致密度[15-16,45], 经过优化的零件致密度能够达到 98%以上,与熔 模铸造金属零件的致密度相差无几。 4.2.2 表面质量优化

50 μm,相比于传统方式加工的零件有不小的差 距。虽然 SLM 成型件经过简单手工打磨或者采用 良好表面质量,如图 3 和图 4 所示。但是当零件内 零件时,采用上述后处理方法将不再适用。所

SLM 成 型 零 件 的 表 面 粗 糙 度 一 般 为 15 ~

喷丸、电解抛光处理等方式进行后处理能够获得 部结构复杂且为关键功能部位,或者是一些精细 以,直接优化改善 SLM 成型件表面质量更为关 键,改善的方法包括从工艺、粉末选择、 特殊的 扫描策略等方面。研究发现,采用大间距且相邻
4
图5

悬垂面的切片原理模型

水平面所成的夹角。在 SLM 成型中,S 值越大越 容易造成悬垂物与翘曲变形,对成型很不利,故

其中 H 为切片厚度,倾斜角θ为切片层轮廓与

杨永强

等:金属零件 3D 打印技术现状及研究进展

综述

切片厚度不宜过大。在分层处理时,需要合适地 摆放零件,使悬垂面最少。 4.3 SLM 应用研究 SLM 工艺可以直接获得几乎任意形状、具有

室 在 SLM 工 艺 的 探 索过程中,积累了 例 , 如 图 10-12 所 成 功 都 是 在 SLM 工 下取得的。

此外,本实验

一些典型的应用实 示,每一个实例的 艺不断成熟的条件

完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件,因

此被广泛地应用到医疗上,用以成型具有复杂结 构且与生物体具有良好相容性的植入体。包括个 性化骨科手术模板、个性化股骨植入体和个性化 牙冠牙桥植入体,如图 6-8 所示。

5 结束语
随着社会的发 展,制造技术的进
图 10 自由设计的钥匙

步,金属零件 3D 打印技术将会在更加广泛的领域 设计人员不再受传统工艺和制造资源约束,拓展
图6 SLM 成型的不锈钢个性化骨科手术导板[47]

得到应用,极大地改变人们的生活和工作方式。

图7

不锈钢股骨植入体[48]

SLM 成 型 的 个 性 化

图8

牙冠牙桥[49]

SLM 成型的个性化

图 11

自由曲面耦合设计的齿轮

现代制造业将是向着节能环保,工艺流程简 单的方向发展,免装配机构的概念就是在这种背 景下提出来 [50],即采用数字化设计和装配并采用 选区激光熔化(SLM)一次性直接成型、无需实际装 配工序的机构。免组装机构具有无需装配、避免 装配误差、多自由度设计、无设计局限等优势, 但是在 SLM 直接制造过程中要注意支撑的合理 合理性,如图 9 所示。 性,零件打印成型方向的合适性以及工艺参数的
图 12 具有复杂水冷与保护气通道喷嘴

产品创意创新空间,降低产品研发创新成本,并 缩短研发周期,同时增强了我国工艺制造能力。 在未来,金属零件 3D 打印在航空航天、生物医
图9 SLM 成型的免组装万向节机构

疗、工业模具、汽车制造等工业领域将得到极为 广泛的应用。
5

综述
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[47] 吴伟辉,杨永强,何兴容,等. 金属质个性化手术模

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[37] Peter Heinl. Cellular Ti–6Al–4V structures with inter?

第一作者简介:杨永强,男,1961 年生,教授,博士生导 师。研究领域:激光快速成型及自动化焊接技术。
(编辑: 阮 毅)

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