3D制造综述.docx
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3D制造综述
激光3D打印综述
摘要:
阐述了激光3D成形技术的原理和硬件系统。
重点介绍了激光3D成形技术的国内外发展概况和应用现状。
阐述了激光直接金属堆积成形技术的主要技术及其存在的主要问题,并对该技术的研究方向和应用领域进行了展望。
关键词:
快速成形,直接金属堆积,激光熔覆,研究进展
1.引言
3D打印，英文“3DPrinters”，快速成形技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。
它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。
该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用[1]。
3D打印的原理：
3D打印可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。
每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。
当然，整个过程是在电脑的控制下，由3D打印机系统自动完成的。
其中金属是所有材料中应用最广、综合力学性能最好、实用意义最大的材料。
所以激光直接金属快速成形制造是快速成形技术要实现的最重要目标之一,也是快速成形技术发展的一个必然方向。
在未来金属零件的快速制造将会逐渐占据快速成形技术应用领域的主导地位。
这里就此对国内外该行业及相关技术进行探讨概述。
2.3D打印技术产业发展概述
3D打印技术是20世纪80年代后期发展起来的一项新兴前沿技术，被认为是制造技术领域的一次重大突破。
3D制造技术在发展初期主要应用于模具加工，以及用于组装和功能测试的样件加工等。
近十年来，由于不断取得突破，3D制造技术逐渐被应用于实际产品的加工。
金属零部件最终产品的3D制造技术发展尤其迅速，在结构复杂、材料昂贵的产品生产，以及小批量定制生产方面，成本、效率和质量优势突出。
自从上世纪80年代中期SLA成型技术发展以来到90年代后期，出现了十几种不同的快速成型技术，典型的有3DP、SDM、SGC等。
其中，LENS、SLS、SLM、EBF3四种技术，目前仍然是3D打印技术的主流。
图12011年全球3D打印设备及服务的市场规模与各地区比重
3D打印技术应用领域正逐步拓展，市场空间广阔。
过去几年里，快速制造技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了广泛应用，对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用，在工程和教学研究等应用领域也占有了独特地位。
图22011年全球3D打印的市场应用领域分类
2.1国外3D打印技术及应用产业发展概述
在英美发达国家纷纷制定了发展和推动3D打印的国家战略和规划，并投入大量资金加以研究，其中金属零部件的增材制造一直是研究和应用重点。
2006年，美国国防部下一代制造技术计划（NGMTI）重点投资增材制造技术，波音、洛马、通用动力、雷神等军工企业参与研究，大力推动钛合金等高价值材料零部件增材制造技术的发展和应用。
2010年，欧盟第六个框架计划开展了“大型航空航天组件快速生产”（Rapolac）项目，旨在提高金属沉积成形工艺的可行性，重点关注钛以及镍和钢的沉积技术。
2012年，美国国防高级研究计划局（DARPA）的资助成立了“创新金属加工-直接数字化沉积（CIMP-3D）”研究中心，旨在研发先进增材制造技术，支持DARPA开放制造计划，推进和部署增材制造技术在美国国防领域关键金属系统研制生产中的应用[2]。
除了英美外，其他一些发达国家也积极采取措施，以推动增材制造技术的发展。
德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用；法国增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究；在政府资助下，西班牙启动了一项发展增材制造的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容；澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”，该项目使用增材制造技术制造航空航天领域微型发动机零部件；日本政府也很重视增材制造技术的发展，通过优惠政策和大量资金鼓励产学研用紧密结合，有力促进该技术在航空航天等领域的应用。
南非科工研究理事会国家激光中心研究人员在激光添加制造技术（AdditiveManufacturing），一种最新的快速成型制造技术上取得突破。
该项技术的概念试验论证显示，其生产速度是现有的可商业化的选择性激光烧结技术的8.3倍。
目前全球有两家3D打印机制造巨头，分别Stratasys和3DSystems。
名称
简称
发展时期
发起公司
立体光固成型
SL
1986-1988
由美国3DSystem公司1988年开发商业化
选择性激光烧结
SLS
1987-1992
由美国DTM公司1992年开发商业化，已经被3DSystem公司收购
熔丝沉积造型
FDM
1988-1991
由美国S.ScottCrump公司1990年开发出来
三维喷绘打印
3DP
1985-1997
由美国Soligen公司1989年开发出来，目前的知名公司是美国的ZCorporation以及以色列的Objet
表1美国主要快速成型制造技术发展沿革
2.2我国3D打印技术及应用产业发展概述
中国从1994年开始研究3D打印，北京隆源公司于1995年成功研发了一台AFS激光快速成型机，随后华中科技大学也研制出了SLS快速成型机。
近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。
自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平。
其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造。
西北工大凝固技术国家重点实验室已经建立了系列激光熔覆成形与修复装备，采用激光成形技术制造了最大尺寸达2.83m的机翼缘条零件，最大变形量<1mm，实现了大型钛合金复杂薄壁结构件的精密成形技术，相比现有技术可大大加快制造效率和精度，显著降低生产成本。
北航突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，解决了大型整体金属构件激光成形过程零件变形与开裂“瓶颈难题”和内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术，飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件，已研制生产出了我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金及超高强度钢等高性能关键整体构件，并在大型客机C919等多型重点型号飞机研制生产中得到应用。
华中科技大学材料学院的研究团队开发的1.2米×1.2米的“立体打印机”（基于粉末床的激光烧结快速制造装备），是目前世界上最大成形空间的快速制造装备等等是传统制造技术与新材料的完美结合。
当前，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构和3D行业领先企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立。
我国在3D打印技术的核心领域已经与美国3D公司，以色列objet公司等国际巨头基本处于同一水平。
学校
研究方向
知名教授
产业化
清华大学
LOM、SLA设备
颜永年教授
北京殷华
华中科技大学
SLS、MC设备
史玉升教授
滨湖机电
西安交通大学
SL设备及材料
卢秉恒教授
西安恒通
北京航空航天大学
SLS设备
王华明教授
中航重机激光
华南理工大学
SL材料
北京隆源
南京航空航天大学
SLS工艺
上海交通大学
RMC
表2国内快速成型系统的主要科研机构
总的说来，与发达国家相比，我国3D制造技术的研究和应用尚存在一定的差距，主要表现在：
1）、3D打印技术本身发展不够成熟。
2）、3D打印技术未能有效地在企业中得到应用。
3）、没有建立发展3D打印技术的统一协调管理体系。
4）、国内3D打印企业仍缺乏强有力的推动。
但政策支持力度将不断加大。
“十二五”时期是我国转变经发展方式、促进工业转型升级、实现“信息化与工业化深度融合”的关键时期，智能制造装备是国家重点支持发展的战略性新兴产业。
3D打印技术作为制造史上的巨大突破，对促进工业转型升级、实现“两化深度融合”具有重要意义；3D打印设备则是智能制造装备的重要组成部分。
因此，国家对3D打印产业的政策支持力度必将不断加大。
中国3D打印技术无疑将迎来新一轮发展契机。
2.3关键技术
3D制造有广阔的发展前景,但也存在巨大的挑战。
目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了其实现技术。
如:
在成形材料上,目前主要是有机高分子材料和金属材料。
金属材料直接成形是近十多年的研究热点,正逐渐向工业应用,难点在于如何提高精度。
3D打印的技术主要包括LENS、SLS、SLM、EBF3等工艺[3-8]。
2.3.1近净成形（LaserEngineeredNetShaping，LENS）技术
LENS技术的基础是激光涂覆技术，是基于局域送粉的金属零件快速制造方法。
激光涂覆技术的目的是通过在被加工工件的表面熔覆功能层来提高工件的耐磨性、抗腐蚀能力及使用寿命。
常用于零件或者模具的修复。
为了实现修复、补充缺损的材料,常常进行多层加工,在此基础上形成了激光近净成形技术，在这一技术中，激光与粉末的相互作用发生在熔池附近。
LENS系统主要由连续Nd:
YAG固体激光器、可调气体成分的手套箱、多轴计算机控制定位系统和送粉系统4部分构成。
LENS技术中激光通过飞行光学导光系统（CO2激光器）或者机械手（固体或者半导体激光的运动完成），适合加工尺寸较大、形状简单、对精密性要求不高的零件。
图3是LENS工艺示意图。
图3LENS工艺示意图
LENS技术使用的材料主要有金属、合金、陶瓷以及复合材料的粉末。
目前LENS技术较多地用于高附加值金属航空航天零件的制造、修复及改型。
采用LENS技术制造的C-17战机上的钛合金外挂架舱壁见图4。
图4C-17战机上的钛合金外挂架舱壁
LENS技术最具特色的优势在于通过改进送粉技术，实现零件中材料成分的实时连续变化，制造具有梯度成分材料的高性能零部件。
图5为采用LENS技术制造的先进涡轮发动机三合金叶轮。
该叶轮的A处主要承受冲击力，要求具有较高的强度，材料为传统的Ti6Al4V合金；B处主要承受摩擦力，工作温度较高，要求具有较高的低周疲劳强度，采用正斜方晶钛合金Ti22-23；C处则需要有较高的蠕变强度，采用γ-TiAl（Ti48Al2Cr2Nb）合金制造。
图6为Ti6Al4V与γ-TiAl（Ti48Al2Cr2Nb）2种合金的冶金结合界面。
可以看到2种材料之间的突然转变，但是接合处组织细小、致密。
开发LENS技术相关设备的美国Optomech公司和德国通快公司分别开发了2种不同粉末的实时混合系统以及四路混合送粉系统，可以实现多种粉末的实时混合。
图5三合金叶轮图6合金的冶金结合界面
我国在LENS技术领域的研究较早，取得的成果斐然。
王华明等在国家863计划等的支持下，首先进行了LENS技术设备的研究，在该设备的基础上进行了飞机次/主乘力钛合金结构件、航空钛合金框、梁、壁板、梯度结构梁和复杂结构件的应用研究，并进行了定向生长高温钛合金熔铸方法以及发动机压气机叶片熔铸快速成形的应用研究，为我国在该领域的应用研究奠定了坚实的基础。
2.3.2选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）
选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件[2]。
其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。
SLS技术3D打印机的工作原理：
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。
粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。
控制激光束再扫描烧结新层。
如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。
最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。
对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。
工作原理如图7所示。
图7SLS技术工作原理图
选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）技术优缺点
优点：
使用的成型材料十分广泛、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统。
缺点：
加工表面粗糙、加工前要预热粉末、不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。
主要设备机型：
机型有sPro60SDSLSPrinter、sPro60HDSLSPrinter、sPro140SLSPrinter、sPro230SLSPrinter。
2.3.3直接金属激光烧结（DMLS）
直接金属激光烧结（DMLS）工艺通过激光热源熔融金属粉末逐层制造金属零件。
工艺过程需要惰性气体环境。
高能量的激光直接烧结金属粉末成形致密度较高的零部件，属二次熔浸等辅助工艺手段，DMLS技术具有诸多优点，其一，DMLS工艺能快速制造出功能性金属零件原型和金属模具，大幅缩短生产周期及削减生产成本，尤其适于小批量生产。
其二，DMLS工艺的制作精度较高，能实现零件的精密成形而一般不需要或很少需要炉中热处理强化合金。
DMLS技术精确成形形状复杂的金属零部件仍有较大难度，主要是由于金属粉末在DMLS中的“球化”效应（图8所示）和烧结变形[5]。
图8球化效应
采用该工艺制造的零件如图9所示。
图9采用直接金属激光烧结（DMLS）工艺制造的零件
DMLS工艺研发方面的领先公司是德国EOS公司[1]，该公司开发出的TitaniumTi64是Ti6AlV4合金的细粉末形式，非常适用于无人机发动机等组件的制造。
而另外两家在该领域领先的公司分别是MTT公司和ConceptLaser公司，都位于欧洲。
DMLS工艺能加工的零件尺寸有限（12”×12”×12”），能够加工的金属种类也只有少数几种，包括不锈钢、钴铬合金、钛合金等。
该工艺已经用于直接生产金属零部件，包括应用于飞机关键零部件的制造，并且零部件机械性能要优于锻造材料。
采用该工艺制造成形零件需要进行后处理，包括热处理、机加工（铣削、钻削）和抛光加工。
DMLS技术制造零件的周期大约为两个星期，整个过程包括工程设计、CAD/CAM、DMLS加工过程和后续的热处理、机加工、抛光工艺，其中DMLS加工占时约20%。
DMLS是增材制造技术领域中发展非常迅速的一种技术，其发展最大局限是零件尺寸、加工速度、可用材料以及过程监控能力。
2.3.4激光选区熔化增材制造技术（SelectiveLaserMelting，SLM）
激光选区熔化技术是由德国Frauhofer研究所于1995年最早提出，在金属粉末选择性烧结基础上发展起来的。
2002年该研究所在激光选区熔化技术方面取得巨大成功，可一次性地直接制造出完全致密性的零件。
金属增材技术原理如图10所示。
图10金属零件激光增材制造技术原理
激光选区熔化技术与选择性激光烧结技术的不同之处在于后者粉末材料往往是一种金属材料与另一种低熔点材料的混合物，成形过程中，仅低熔点材料熔化或部分熔化把金属材料包覆粘结在一起，其原型表面粗糙、内部疏松多孔、力学性能差，需要经过高温重熔或渗金属填补空隙等后处理才能使用；而前者利用高亮度激光直接熔化金属粉末材料，无需粘结剂，由3D模型直接成形出与锻件性能相当的任意复杂结构零件，其零件仅需表面光整即可使用[3]。
随着高亮度光纤激光的出现，德国EOSGmbH公司新开发的激光选区熔化设备EOSINTM280采用束源质量高的Yb光纤激光器，将激光束光斑直径聚焦到100μm，大幅提高激光扫描的速度，减少成形时间，其成形零件性能与锻件相当。
近几年来，英国、德国、法国、美国、瑞典等国外发达国家先后开发了GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4等合金金属复杂结构的激光选区熔化增材制造商业化设备，并开展应用基础研究。
2009年以来，中航工业北京航空制造工程研究所通过与国际著名激光粉末烧结设备制造商——德国EOS公司的技术交流，自主开发建立激光选区熔化增材制造技术平台，研制出一些典型金属结构件，其TC4钛合金力学性能与锻件相当（图11），但仍受到层片扫描轨迹优化设计、应力及变形协调控制等基础问题制约。
图11激光选区熔化TC4钛合金的表面粗糙度与拉伸性能
2.3.5电子束自由成形（EBF3）
电子束自由成形（EBF3）是一种采用电子束作为热源，利用离轴金属丝建造零件的工艺。
采用该增材制造工艺制造的近净成形零件需要通过减材工艺进行后续的精加工。
该工艺最初为美国NASA兰利研究中心开发，其合同商Sciaky是当前该工艺开发方面的最领先公司。
图12为NASA采用该工艺建造的零件。
图12NASA采用该工艺建造的零件
EBF3工艺可替代锻造技术，大幅降低成本和缩短交付周期。
它不仅能用于低成本制造和飞机结构件设计，也为宇航员在国际空间站或月球或火星表面加工备用结构件和新型工具提供了一种便捷的途径。
EBF3技术可以直接成形铝、镍、钛、或不锈钢等金属材料，而且可将两种材料混合在一起，也可将一种材料嵌入另一种。
EBF3工艺的沉积速率要高于其他技术。
2012年,Sciaky公司最新披露的信息表示，在部件加工过程中，EBF3的沉积速率可以从6.8kg/h（15lb/h）提升到18kg/h（40lb/h）。
该工艺能够制造一些相比DMD更大的零件，尺寸可达到4ft×2ft×2ft。
2.4代表性3D打印机产品
除了上面已提到的国内外的企业或高校的产品，下面再列举一些比较知名的：
德国EOS公司的金属粉末烧结机-EOS金属激光粉末烧结系统设备，EOSINTM270金属激光烧结系统。
该设备采用EOS公司研发的DMLS技术（DirectMetalLaser-Sintering）进行金属件制作。
EOSINTM270激光烧结系统采用的是Yb-fibre激光发射器，具有高效能、长寿命等特点。
精准的光学系统能够保证模型的表面光滑度和准确度。
氮气发生装置以及空压系统则使设备的使用更加安全。
以色列objet公司，Objet是快速成型和快速制造的光固化技术先锋，开发者，生产商及高精度，高分辨率三维打印方案的全球市场推广者。
使得极为复杂的三维部件都可以以高品质，高精度和高速度打印出来。
成型时使用了两种不同的光敏树脂材料：
一种是用来成型实体部件的成型材料，另一种类胶体的用来支撑部件的支撑材料[10]。
美国3DSYSTEMS公司的产品，sPro250SLM商用型金属3D打印机为目前比较先进的制造系统，能够提供长达为320毫米（12.6英寸）的高工艺金属零件，具有出色的表面光洁度、精细的功能性细节与严格的公差。
可以选择广泛范围的金属合金使用，包括铝和钛[11]。
2.5问题与挑战
随着激光直接制造金属零件技术在应用领域的扩展，增材制造有广阔的发展前景,但也存在巨大的挑战。
目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了其实现技术。
如:
在成形材料上,目前主要是有机高分子材料和金属材料。
金属材料直接成形是近十多年的研究热点,正逐渐向工业应用,难点在于如何提高精度[4]。
一方面，金属直接成形中,激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制,直接影响制造精度和制件性能。
在直接制造过程中，激光与粉末之间发生相互作用，在材料的基体中建立了循环的、峰值较高的、冷却速度较快的温度场，其冷却速度可达1×
℃/s,与铸造过程相比快2个数量级，其极快的冷却速度、超高的局域温度场分布以及变化的激光扫描方式不仅对成形件内应力的形成、积累甚至变形开裂具有决定性的作用。
还在非平衡快速凝固形核和长大过程直接决定了最终零件的组织形态、尺寸、晶体取向、晶界结构、化学成分均匀性等，也直接决定了成形件的综合机械性能。
另一方面，现阶段增材制造主要是制造单一材料的零件,如单一高分子材料和单一金属材料。
随着零件性能要求的提高,复合材料或梯度材料零件成为迫切需要发展的产品。
多材料的增材制造在成形过程中的同步性是关键技术。
如:
不同材料如何控制相近的温度范围进行物理或化学转变,如何控制增材单元的尺寸和增材层的厚度。
发展目标是:
实现不同材料在微小制造单元的复合,达到复合成份的主动控制,从结构自由成形向结构与性能可控成形方向发展。
目前采用激光直接制造金属零件方法制造的成形件表面质量较为粗糙,一般不能直接使用，需要后加工来提高尺寸精度、表面质量。
影响成形件尺寸精度和表面质量的因素有很多，可以概括地分为软件因素、硬件因素以及工艺因素等。
软件因素有图形处理软件的影响以及工艺软件的影响。
硬件因素包括加工系统中的光源、导光系统、铺（送）粉系统、控制系统等。
工艺因素包括扫描方法、光源直径、粉末颗粒度、搭接量等因素，因而激光加工设备的整体性是保证成形件尺寸精度以及表面质量的必要条件，是促进激光直接制造金属零件研究与应用的工程问题。
3.总结
3D增材制造已成为先进制造技术的一个重要发展方向,不仅可实现激光熔覆制备耐磨涂层和功能梯度材料，而且可修复高附加值的金属件和直接制造任意复杂结构的金属零部件。
有着广阔的发展前景,也存在着巨大的挑战。
随着其成形工艺和装备不断地成熟和提高，成形材料从钛合金、镍基合金、不锈钢、钴铬合金等成熟材料种类，不断推出新材料。
通过拓扑优化设计结构，激光选区熔化技术可制造出大幅减轻重量的航空航天金属结构件。
未来需解决的问题包括:
精度控制技术、高效制造技术、复合材料零件制造技术、质量检测及标准建立。
增材制造技术的发展将有力提高我国工业产品和日用消费品的创新能力,支撑我国由制造大国向制造强国发展。
参考文献
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