1.2　金屬3D打印的發展歷史和現狀

1.2.1　國外金屬3D打印技術發展歷史

（1）思想萌芽階段

DED是最早出現的一類金屬3D打印技術，其思想萌芽可追溯到二十世紀二三十年代。1922年，Baker在其專利［14］中描述了一種通過焊接沉積成形裝飾性焊接制品的方法，其技術原理與后來發展起來的基于同步送絲的電弧/電子束/等離子定向能量沉積（分別簡稱DED-A，DED-E，DED-P）技術類似，如圖1-7所示。在此后的三四十年內，全球范圍內出現了多個源于焊接思想的DED工藝。1972年，Ciraud發明了一種將金屬粉末直接送入局部熱源熔化沉積成形金屬零件的方法，并申請了專利［15］（圖1-8）。從原理上看Ciraud發明的技術與目前廣泛應用的基于同軸送粉的激光定向能量沉積（簡稱DED-L）技術已經十分接近。除上述技術外，1979年Housholder提出了通過分層鋪粉、選區成形三維零件的制造思想［6］，這為后來發展起來的激光/電子束PBF工藝提供了技術雛形。然而，受困于當時計算機技術的限制，復雜零件的三維建模及分層切片等數字化模型處理技術在當時還比較困難，上述技術還只能實現簡單形狀零件的成形。

圖1-7　采用焊接沉積法在平板上制備的金屬構件（US 42364720A）

圖1-8　Ciraud發明的定向能量沉積工藝示意圖（Ger.Patent Appl.DE 22 63 777 A1）

1—成形底板；2—粉末；3，3a—局部熱源；4—聚焦點；5—成形倉；6，6a—熱源發生器；7—送粉器；8—粉倉；9—粉末輸送管道；10—泵；11—角度控制器；12—電源；13—電源控制閥

（2）快速成形階段

20世紀80年代以來，隨著計算機技術的進步，現代意義上的金屬3D打印技術開始出現。1986年，Deckard在其專利中提出了激光選區燒結（selective laser sintering，SLS）的概念，成形的材料既可以是高分子材料也可以是金屬材料。1989年，美國麻省理工學院發明了一類選擇性噴射沉積液態黏結劑黏結粉末材料的3D打印工藝，即黏結劑噴射（materials jetting，MJ）技術［16］，成形的材料同樣既可以是高分子材料也可以是金屬材料。然而，受激光、電子束等能量密度低的限制，這一時期的金屬3D打印技術還無法實現金屬構件的直接制造，成形的零件需要進行脫脂、燒結固化等后續處理。

（3）快速制造階段

20世紀90年代中期以來，激光、電子束等高能束技術取得飛速發展，能量密度不斷提高，金屬3D打印逐漸步入高性能復雜金屬構件直接快速制造階段。1995年，德國Fraunhofer激光研究所提出了激光選區熔化（selective laser melting，SLM）成形的技術思想。同年，美國麻省理工學院Dave等提出了利用電子束做能量源將金屬絲熔化進行三維制造的設想。2000年，White在Feygin提出的薄材疊層（sheet lamination，SL）制造思想基礎上，發明了適用于金屬薄材疊層制造的超聲波固結成形技術。2001年，瑞典Arcam AB公司申請了利用電子束在粉末床上逐層制造三維零件的專利，即電子束選區熔化（selective electron beam melting，SEBM）技術。2002年，德國EOS公司和瑞典Arcam公司分別推出了SLM和SEBM商業化裝備，可成形接近全致密的精細金屬零件和模具，其性能可達到同質鍛件水平，這標志著金屬3D打印由快速成形進入快速制造階段。

（4）產業化初級階段

近十年，特別是2012年以來，隨著工藝、材料和裝備的日益成熟，金屬3D打印技術在航空航天、生物醫療等領域的應用逐漸增多，基本進入了產業化的初級階段。此外，國內外在3D打印的經典理論和方法基礎上，又發展了一些新的金屬3D打印工藝和方法，如噴墨液態金屬3D打印、金屬微滴3D打印、冷噴涂沉積、噴射沉積-激光重熔復合成形等，極大豐富和擴大了金屬3D打印的材料種類和應用范圍。