1.1.2　金屬3D打印工藝分類

目前適于金屬材料3D打印成形的工藝已經(jīng)發(fā)展到十余種，如圖1-1所示。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)3D打印工藝和材料的分類，目前可用于金屬材料的3D打印工藝可分為五大類［5］：定向能量沉積（direct energy deposition，DED）、粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）、黏結(jié)劑噴射（binder jetting，BJ）、薄材疊層（sheet lamination，SL）和冷噴涂沉積（cold spray deposition，CS ），其中DED和PBF是目前最為主流的金屬3D打印工藝。DED是利用聚焦熱能（激光、電子束、電弧、等離子）將材料（粉末或絲材）同步熔化沉積的3D打印工藝，可直接制造出大尺寸的金屬零件毛坯。PBF工藝是一類通過熱能（激光或電子束）選擇性地熔化/燒結(jié)粉末床區(qū)域的3D打印工藝，主要用于復(fù)雜精密金屬零件的直接制造。

（1）定向能量沉積技術(shù)

定向能量沉積技術(shù)是利用聚焦熱能將材料同步熔化沉積的3D打印工藝，20世紀(jì)80年代末90年代初，隨著計(jì)算機(jī)、激光、電子束等技術(shù)的進(jìn)步，基于同步送粉的激光熔融沉積［圖1-2（a）］和電子束/電弧/等離子熔絲沉積［圖1-2（b）］等現(xiàn)代意義上的定向能量沉積工藝不斷涌現(xiàn)，使高性能大型復(fù)雜金屬零件的制造成為可能。同時(shí)，定向能量沉積同步送粉/絲的材料送進(jìn)特點(diǎn)，還可成形制造具有結(jié)構(gòu)梯度和功能梯度的梯度復(fù)合材料，并可用于高性能零部件低成本快速修復(fù)及再制造。

我國定向能量沉積工藝的研究自20世紀(jì)90年代中期開始發(fā)展。西北工業(yè)大學(xué)［6，7］、北京航空航天大學(xué)、北京航空制造工程研究所等在成形裝備、工藝研究和產(chǎn)業(yè)化方面開展了大量的研究工作，并取得了重大進(jìn)展。2013年，北京航空航天大學(xué)和沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所完成的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。目前，我國在基于同步送粉的激光熔融沉積技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先水平，研制的大型鈦合金、高強(qiáng)鋼復(fù)雜構(gòu)件已在我國武器裝備和民用領(lǐng)域獲得應(yīng)用。需要指出的是，由于國際上多家研究機(jī)構(gòu)幾乎在同一時(shí)間開展了基于同步送粉的激光熔融沉積技術(shù)研究，因此，這項(xiàng)技術(shù)在國際上也具有多種不同的名稱，如激光近凈成形（LENS）、直接光制造、激光立體成形、激光快速成形、激光熔覆沉積等。

（2）粉末床熔融技術(shù)

粉末床熔融技術(shù)是一類通過熱能選擇性地熔化/燒結(jié)粉末床區(qū)域的3D打印工藝，其熱源主要包括激光和電子束。圖1-3是激光選區(qū)燒結(jié)/熔化成形技術(shù)原理圖，電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)與其類似：首先將零件三維CAD模型文件沿高度方向按設(shè)定的層厚進(jìn)行分層切片，獲得每層二維截面信息；然后，在工作臺(tái)上鋪一薄層粉末材料，激光/電子束在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)各層截面數(shù)據(jù)，有選擇地對(duì)粉末層進(jìn)行掃描，在被掃描的區(qū)域，粉末顆粒發(fā)生燒結(jié)或熔化而成形，未被掃描的粉末仍呈松散狀，可作為支撐；一層加工完成后，工作臺(tái)下降一層（設(shè)定的層厚）的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和掃描，同時(shí)新加工層與前一層熔合為一體；重復(fù)上述過程直到整個(gè)三維實(shí)體加工完為止；最后，將初始成形件取出，并進(jìn)行適當(dāng)后處理（如清粉、打磨、浸滲等），獲得最終三維零件。

粉末床熔融技術(shù)的歷史可追溯到1979年Housholder［8］提出的通過分層鋪粉、選區(qū)成形三維零件的制造思想，如圖1-4所示。1986年，Deckard［9］在其專利中提出了通過激光選區(qū)燒結(jié)的概念。1992年，美國DTM公司（現(xiàn)屬于3D Systems公司）激光選區(qū)燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）裝備研發(fā)成功。1995年，德國Fraunhofer激光研究所提出了激光選區(qū)熔化成形的技術(shù)思想。瑞典Arcam AB公司于2001年申請(qǐng)了利用電子束在粉末床上逐層制造三維零件的專利。2002年，德國EOS公司和瑞典Arcam公司分別成功研制了激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）和電子束選區(qū)熔化（selective electron beam melting，SEBM）商業(yè)化裝備，可成形接近全致密的精細(xì)金屬零件。

我國粉末床熔融技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代中期。1993年，北京隆源率先在國內(nèi)開發(fā)出SLS實(shí)驗(yàn)型裝備。華中科技大學(xué)從20世紀(jì)90年代末開始研發(fā)SLS裝備與工藝，并通過武漢濱湖機(jī)電產(chǎn)業(yè)有限公司實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)和銷售。2004年，華中科技大學(xué)和華南理工大學(xué)幾乎同時(shí)開始SLM技術(shù)與裝備的研發(fā)工作。到2009年左右，兩家單位均已自主研制成功了專業(yè)化的SLM裝備。2007年，西北有色金屬研究院和清華大學(xué)合作，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了鈦合金SEBM成形。2015年，西北有色金屬研究院控股的西安賽隆金屬材料有限公司推出了我國首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)級(jí)SEBM裝備。目前，我國在粉末床熔融技術(shù)方面的研究十分活躍，研制的鈦合金等精密零件已在武器裝備和民用領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

（3）黏結(jié)劑噴射技術(shù)

黏結(jié)劑噴射是1989年美國麻省理工學(xué)院提出的一類選擇性噴射沉積液態(tài)黏結(jié)劑黏結(jié)粉末材料的3D打印工藝［10］，其成形原理如圖1-5所示。噴頭在控制系統(tǒng)的控制下，按照所給的一層截面的信息，在事先鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射黏結(jié)劑，使部分粉末黏結(jié)，形成一層截面薄層；在每個(gè)薄層成形后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，進(jìn)行鋪粉操作，繼而再噴射黏結(jié)劑進(jìn)行薄層成形；不斷循環(huán)，直至所用薄層成形完畢，層與層在高度方向上相互黏結(jié)并堆疊得到所需三維實(shí)體制件。一般情況下，黏結(jié)劑噴射所得到的金屬制件還需要進(jìn)行后處理。對(duì)于無特殊強(qiáng)度要求的模型制件，后處理通常包括加溫固化以及滲透定型膠水。而對(duì)于強(qiáng)度有特殊要求的結(jié)構(gòu)功能部件以及各類模具，在對(duì)黏結(jié)劑進(jìn)行加熱固化后，通常還要進(jìn)行燒結(jié)，以及液相材料滲透的步驟以提高制件的致密度，從而達(dá)到各類應(yīng)用對(duì)于強(qiáng)度的要求。

（4）薄材疊層技術(shù)

薄材疊層是將薄層材料逐層黏結(jié)以形成實(shí)物的增材制造工藝。1988年，F(xiàn)eygin［11］提出了薄材疊層制造的思想，成形的材料主要為紙張，如圖1-5所示。2000年，White［12］發(fā)明了適用于金屬薄材疊層制造的超聲波固結(jié)成形技術(shù)（圖1-6），其以金屬箔材為原料，采用大功率超聲波能量，利用金屬層與層振動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量，使材料局部發(fā)生劇烈的塑性變形，從而達(dá)到原子間的物理冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)同種或異種金屬材料間固態(tài)連接。在超聲波金屬快速固結(jié)成形的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)控銑削等工藝，可實(shí)現(xiàn)超聲波增材成形與智能制造一體化。超聲波固結(jié)3D打印工藝具有溫度低、變形小、速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，適合于復(fù)雜疊層零部件成形、加工一體化智能制造。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用于同種和異種金屬層狀復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、梯度功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、智能材料與結(jié)構(gòu)的制造。此外，超聲波固結(jié)成形技術(shù)還被應(yīng)用于電子封裝結(jié)構(gòu)、航空零部件、熱交換器、金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)等復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)零部件的制造。

目前，美國和英國在超聲固結(jié)成形技術(shù)方面處于世界前列。美國Fabrisonic已研發(fā)了三種系列的超聲波固結(jié)設(shè)備，設(shè)備功率從最初的2kW逐步發(fā)展到9kW左右，材料也從鋁、銀、銅等低強(qiáng)度金屬逐步擴(kuò)展到了鈦、不銹鋼等高強(qiáng)度金屬材料。我國在超聲波固結(jié)制造方面的研究工作剛剛起步［13］。哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)了國內(nèi)第一臺(tái)具有超聲波增材制造能力的裝備，并開展了一系列超聲波增材制造技術(shù)領(lǐng)域的研究，但該裝備的技術(shù)水平僅相當(dāng)于美國的第一代產(chǎn)品。

（5）其他技術(shù)

近年來，國內(nèi)外在3D打印的經(jīng)典理論和方法基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一些新的金屬3D打印工藝和方法，如噴墨液態(tài)金屬3D打印、金屬微滴3D打印、冷噴涂沉積、噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形等。