增材制造(additive manufacture，AM)又稱“3D打印”，是20世紀80年代后期發展起來的一種新型加工技術，基于離散-堆積原理，采用與減材制造技術相反的加工方式(逐層累加)，最終得到立體實物的過程。具有近凈成形、加工成本低、加工周期短、設計自由度大、節約原材料、節省時間等優點^[1]。目前，增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復合材料、生物材料等，成形工藝能量源包括激光、電子束、特殊波長光源、電弧以及以上能量源的組合，成形尺寸從微納米元器件到10 m以上大型航空結構件，在航空航天、國防、工業、醫療、汽車、電子等領域得到了廣泛應用^[2-3]。

    金屬增材制造有眾多工藝分支，分別采用不同的原材料形式(如粉材、絲材、粒料、薄層等)，并通過不同的疊加工藝成形(如激光、電阻加熱、電子束、電弧、粘接劑噴射等)。目前大規模應用的主要有：

(1)NPJ (nano particle jetting, NPJ) 技術是以色列公司Xjet最新開發出的金屬3D打印成型技術，該技術使用納米液態金屬為原材料，以噴墨沉積的方式進行快速精確成形，打印速度相較于普通激光打印提高500%，且成形件精度和表面粗糙度相較于激光3D打印有較大提高，如圖1所示。

圖1 NPJ成形原理[4]

從上至下依次為：金屬顆粒細化；金屬顆粒分散在液滴中；液滴噴射成形；液相排出

(2)選區激光熔化成形技術 (selective laser melting，SLM)是目前金屬3D打印成型中最普遍的技術，其工作原理是采用精細聚焦光斑快速熔化預置金屬粉末，直接打印獲得具有任意形狀以及完全冶金結合的零件，所得制作致密度可達99%以上，如圖2所示。

圖2 SLM成形過程示意圖

(a)激光掃描融化；(b)金屬粉末熔化過程

(3)激光熔覆成形技術(laser metal deposition，LMD)，該技術采用送粉機制(具體可分為同軸送粉和斜軸送粉)，將粉末通過噴嘴定向聚集到工作臺面，然后利用激光對粉末進行定向燒結，粉末熔化冷卻后獲得堆積的熔覆實體，如圖3所示。

圖3  LMD過程示意圖[4]

(a)同軸送粉；(b)斜軸送粉/送絲

(4)電子束選區熔化成形技術(selective electron beam melting，SEBM)，工藝過程與SLM過程基本相似，具體區別在于所采用能量源由激光變為電子束，且增加粉床預熱工藝，在打印過程中可有效減小粉層間溫度梯度，從而大幅減少制件內部殘余應力，如圖4所示。

圖4 電子束3D打印過程[4]

(a)，(b)整體預熱；(c)快速成形；(d)打印過程粉末變化

1 航空航天領域

    在航天領域，尤其是航天器零部件和天線等結構方面的領域，得益于太空的零（微）重力環境，在軌增材制造可以打印很多傳統加工方式難以實現的零部件（圖5）。在航空領域，增材制造的應用逐漸成熟，從最初在非關鍵部件上的應用逐漸過渡到例如發動機核心部件的制造。例如使用增材制造燃油噴嘴，在減少部件的同時，提高燃油效率。在可以預見的將來，增材制造將在航空領域大放異彩，乃至于影響到飛機的整體設計。另外，3D 打印為新型可變機翼的研發提供了強大的加工能力，顯著提高了新型結構的研發效率，并實現了應用于可變機翼的全新的結構體系。

圖5 增材制造在航空航天領域應用^[5]

2 生物醫療方面應用

    隨著人口老齡化進程的急速加快和人均可支出醫療費用的增加，健康問題也逐漸成為人們所密切關注的問題，由此也促進了國內外醫療植入物市場的大爆發。3D打印技術由于可根據患者需求個性化地定制植入體形狀，并且精確控制植入物的復雜微觀結構，從而實現植入物外形和力學性能與人體自身骨的雙重適配，主要應用于齒科、骨科及顱頜面外科等硬組織的修復和替代醫療硬植體市場，如圖6所示。經歷了近 20 年的發展歷程，金屬3D打印醫療植入物技術逐漸成熟，實現從基礎研究向應用轉化發展。

圖6 增材制造在生物醫療植入體方面應用^[5]

3 電子設備領域應用

    在現代微波通訊系統及電磁應用領域中，增材制造技術為器件的小型化、輕質化、高精度、低成本制造提供了新方法，可有效降低傳統制造中存在的材料冗余、裝配誤差等缺點。在未來微波及太赫茲器件的增材制造技術發展方面，提升制造質量和速度，研發新材料以適應多功能需求以及實現更高頻器件制造將具有廣闊空間（圖7）。隨著 5G 時代的到來和無線充電技術的發展，陶瓷材料的 AM 有望在新型手機背板的開發上發揮重要作用。

圖7 增材制造在電子設備領域應用^[5]

4 汽車生產領域應用

    隨著汽車產品更新換代的速度越來越快，環保法規日益嚴格，對汽車輕量化要求日益提高，千篇一律的汽車外形不再能滿足客戶的消費要求，個性化定制的需求越來越強烈等急迫需求，3D打印因其無需開模，可節省產品開發的成本和時間，不受模具限制，可隨意打印復雜型面及異形結構，在推動產品快速化、輕量化、定制化方面的優勢給汽車帶來了新的機遇，目前已被大量運用于汽車生產制造的各個環節（圖8）。早期，3D打印技術主要被用來進行原型制造、造型評審、尺寸驗證等，隨著技術的發展和進步，目前應用于生產的3D打印逐漸占據主要地位，3D打印零部件不再只作為模型，而是可以作為最終產品直接在汽車上使用。

圖8  增材制造在汽車制造領域方面應用[6]

(a)3D打印仿生汽缸蓋；(b)3D打印活塞；(c)3D打印水泵輪；(d)3D打印車頂支架；(e)3D打印整體車架

參考文獻

[1]   黃衛東.材料3D打印技術的研究進展[J].新型工業化,2016,6(3):53-70.

[2]   王華明,張述泉,王韜,等.激光增材制造高性能大型鈦合金構件凝固晶粒形態及顯微組織控制研究進展[J].西華大學學報(自然科學版),2018,37(4):9-14.

[3] 盧秉恒.增材制造技術——現狀與未來[J/OL].中國機械工程:1-5[2020-02-18].http:// kns.cnki.net/kcms /detail/42.1294.TH.20200114.1308.010.html. 

[5] Liu G, Zhang X, Chen X, etal. Additive manufacturing of structural materials[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2021: 100596.

[6] Ngo T D, Kashani A,Imbalzano G, et al. Additive manufacturing (3D printing): A review ofmaterials, methods, applications and challenges[J]. Composites Part B Engineering, 2018, 143: 172-196.

原文出處：

金屬激光3D打印過程數值模擬應用及研究現狀（點擊“題目”可鏈接全文）

楊鑫，王犇，谷文萍，張兆洋，劉世鋒，武濤

2021, 49 (4): 52-62.   

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000235

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