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3D打印行業(yè)技術(shù)水平發(fā)展情況、未來發(fā)展趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 鉑力特    2023-04-18

3D 打印技術(shù)從誕生至今近 40 年，目前處于多技術(shù)路線共存的狀態(tài)。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《增材制造術(shù)語》（GB∕T35351-2017），根據(jù)增材制造技術(shù)的成形原理，可以分成七種基本的增材制造工藝，具體分類情況、代表性工藝技術(shù)如下：

七種基本的增材制造工藝中，金屬 3D 打印工藝原理主要為粉末床熔融和定向能量沉積兩大類別，采用這兩類工藝原理的金屬 3D 打印技術(shù)都可以制造達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)的金屬零件。

粉末床熔融技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以打印傳統(tǒng)技術(shù)無法企及的極端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（特別是復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)）、制件尺寸精度高，這些優(yōu)點(diǎn)開辟了金屬結(jié)構(gòu)件創(chuàng)新設(shè)計(jì)的無限可能性，提供了顯著減重、高效換熱、精確的密度和模量匹配等有效的新技術(shù)途徑，為航空航天復(fù)雜構(gòu)件、醫(yī)療植入體和隨形冷卻模具等開啟了革命性進(jìn)步的新方向，其零件力學(xué)性能超過鑄件甚至部分零部件力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)，從而成為當(dāng)今最廣泛應(yīng)用的金屬 3D 打印技術(shù)，是近些年金屬 3D 打印產(chǎn)值超高速發(fā)展的主要支撐技術(shù)。

其主要不足是打印效率稍低、難以打印 2 米以上尺度的大型零件、需要超細(xì)球形金屬粉從而成本相對較高等。粉末床熔融技術(shù)非常適合航空航天小批量、定制化生產(chǎn)特點(diǎn)，能夠解決其輕量化設(shè)計(jì)制造、功能化設(shè)計(jì)要求，且隨著技術(shù)發(fā)展與成本控制，其未來必將能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

定向能量沉積技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：很大的打印尺度范圍、方便多材料打印、可以采用大功率激光器實(shí)現(xiàn)每小時公斤級的打印效率、非常適合于高性能成形與修復(fù)等；其主要不足是打印件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不夠高、有較大的加工余量等。由于在同傳統(tǒng)制造技術(shù)的競爭中還未形成像粉末床熔融技術(shù)那樣顯著的不可替代性，技術(shù)成熟度與設(shè)備自動化程度尚不如粉末床熔融技術(shù)高，因此推廣應(yīng)用的速度尚不及粉末床熔融技術(shù)。但是，該技術(shù)具有粉末床熔融技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的修復(fù)功能，能夠修復(fù)航空發(fā)動機(jī)葉片等高附加值零部件，并且通過設(shè)備的集成能夠適應(yīng)大型零部件的原位修復(fù)，避免拆機(jī)、裝機(jī)等停工損失。

為了獲得更為廣泛的應(yīng)用，這兩類主流金屬 3D 打印技術(shù)都在努力向兼顧高性能、高精度、高效率、低成本、更大的尺寸范圍和更廣泛的材料適用性方向發(fā)展。

（1）粉末床熔融技術(shù)

金屬增材制造中粉末床熔融技術(shù)主要分為激光選區(qū)熔化（SLM）和電子束選區(qū)熔化（EBSM）兩類，其中激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）是主流，有大量的設(shè)備生產(chǎn)和打印服務(wù)公司，占據(jù)了金屬增材制造絕大部分市場份額，而且近期還在持續(xù)增加。

SLM 技術(shù)是采用激光有選擇地分層熔化燒結(jié)固體粉末，在制造過程中，金屬粉末加熱到完全融化后成形。其工作原理為：被打印零部件提前在專業(yè)軟件中添加工藝支撐與位置擺放，并被工藝軟件離散成相同厚度的切片，工藝軟件根據(jù)設(shè)定工藝參數(shù)進(jìn)行打印路徑規(guī)劃。實(shí)際打印過程中，在基板上用刮刀鋪上設(shè)定層厚的金屬粉末，聚焦的激光在掃描振鏡的控制下按照事先規(guī)劃好的路徑與工藝參數(shù)進(jìn)行掃描，金屬粉末在高能量激光的照射下發(fā)生熔化，快速凝固，形成冶金結(jié)合層。當(dāng)一層打印任務(wù)結(jié)束后，基板下降一個切片層厚高度，刮刀繼續(xù)進(jìn)行粉末鋪平，激光掃描加工，重復(fù)這樣的過程直至整個零件打印結(jié)束。

①激光選區(qū)熔化成形設(shè)備工作原理圖如下：

②該系列打印設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)為：

A、成形零件的質(zhì)量較高，致密度近乎 100%，抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能指標(biāo)優(yōu)于鑄件，可達(dá)到鍛件水平。

B、高精度。成形過程分辨率高，尺寸精度高，零部件加工不受自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)限制，成形過程中產(chǎn)生的熱量較少，零件很少發(fā)生扭曲變形。

C、可使用金屬材料范圍廣泛。包括鈦合金、鋁合金、高溫合金、銅合金、鈷鉻合金、不銹鋼、高強(qiáng)鋼、模具鋼等。

D、與傳統(tǒng)減材制造相比，可節(jié)約大量材料，對于較昂貴的金屬材料而言，可大幅節(jié)約成本。

E、縮短復(fù)雜零部件交付時間，生產(chǎn)過程更加靈活并且可以隨時修改數(shù)模，特別適用于產(chǎn)品生命周期較短的零部件。

由于能夠?qū)崿F(xiàn)較高的打印精度和足夠的機(jī)械性能，SLM 技術(shù)可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜形狀的金屬零件的批量生產(chǎn)，在航空航天及醫(yī)療植入體等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）定向能量沉積技術(shù)

定向能量沉積技術(shù)是指利用聚焦熱能熔化材料即熔即沉積的增材制造工藝，主要分為激光同步送粉技術(shù)和電子束熔絲沉積技術(shù)（ EBDM：Electron Beam DirectManufacturing）兩大類。其中激光同步送粉技術(shù)研究及應(yīng)用較多。

同時，由于激光同步送粉技術(shù)是由許多大學(xué)和機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立進(jìn)行研究的，因此這一技術(shù)的名稱繁多，其中最廣為人知的名稱為激光近凈成形技術(shù)（LENS：Laser Engineered Net Shaping），其最早由美國 Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室提出并進(jìn)行研究；該技術(shù)也叫激光金屬熔覆沉積技術(shù)（LMD：Laser Metal Deposition），而公司多稱之為激光立體成形技術(shù)（LSF：Laser Solid Forming），下文統(tǒng)一稱之為 LSF 技術(shù)。

LSF 技術(shù)的成形原理是：聚焦激光束在控制下，按照預(yù)先設(shè)定的路徑，進(jìn)行移動，移動的同時，粉末噴嘴將金屬粉末直接輸送到激光光斑在固態(tài)基板上形成的熔池，使之由點(diǎn)到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個層截面的打印工作。這樣層層疊加，制造出接近實(shí)體模型的零部件實(shí)體。

①激光立體成形設(shè)備工作原理圖如下：

激光立體成形設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)如下：

A、成形尺寸：其決定了能夠最大成形的零部件尺寸或者可以修復(fù)的零部件最大尺寸。

B、激光功率：激光的最大功率決定了可以成形或者修復(fù)的最大效率，激光最小功率可以確定設(shè)備的修復(fù)精細(xì)程度。

C、氧含量：在成形或者修復(fù)過程中經(jīng)常會采用一些活潑金屬粉末，比如鈦合金、高溫合金等，這些材料在熔化過程中會與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，生成有害于材料力學(xué)性能的氧化物；同時氧氣會使得未被燒結(jié)的粉末氧含量成分上升，造成粉末超標(biāo)不能二次利用。

D、軸重復(fù)定位精度：在成形或者修復(fù)過程中，激光頭的軌跡是靠 X、Y、Z 三軸的聯(lián)動來保證的，因此三軸的定位精度對成形件或者修復(fù)件的最終尺寸、幾何精度以及表面粗糙度具有重要影響。

②該系列打印設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)為：

A、成形零件性能優(yōu)良，綜合力學(xué)性能同鍛件相當(dāng)。

B、可在現(xiàn)有的零件上打印，該設(shè)備不僅能直接打印出三維金屬零件，還能在已有零件上進(jìn)行打印，例如在已磨損的零件上打印金屬材料以修復(fù)磨損處，或與傳統(tǒng)的機(jī)加工設(shè)備集成起來進(jìn)行增材/減材復(fù)合成形。具有柔性化制造的特點(diǎn)，可以最大限度滿足多種形狀損傷部位的修復(fù)。修復(fù)后，零部件力學(xué)性能基本可達(dá)到新品水平，實(shí)現(xiàn)零部件高效率、低成本的再生制造。

C、具有更高的加工效率和更大的成形尺寸，實(shí)現(xiàn)無模具近終成形，極大的節(jié)省材料，降低成本。可以采用大功率（例如萬瓦級）激光器實(shí)現(xiàn)每小時公斤級的打印效率，非常適合于大尺寸毛坯件制備或高性能成形修復(fù)包括現(xiàn)場修復(fù)等。

D、梯度材料。該系統(tǒng)可將多種不同的金屬粉打印在一個零件上，以實(shí)現(xiàn)梯度功能或新型合金以滿足特殊的需求，能根據(jù)零件的實(shí)際使用需要改變其各部分的成分和組織，實(shí)現(xiàn)零件各部分材質(zhì)與性能的最佳搭配。

該系列設(shè)備解決了困擾航空航天領(lǐng)域重點(diǎn)型號的結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機(jī)零部件，以及煤炭、電力等領(lǐng)域重大裝備受損零部件的修復(fù)再制造問題，可以進(jìn)行大型鈦合金等材料零件的一次整體成形及復(fù)雜高附加值的零件的無損修復(fù)，成形件的整體力學(xué)性能水平達(dá)到或超過鍛件標(biāo)準(zhǔn)。公司該系列激光立體成形設(shè)備整體水平位于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

（3）電弧熔絲增材制造

電弧增材制造技術(shù)（Wire andArcAdditive Manufacture, WAAM）是一種利用逐層熔覆原理，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）以及等離子體焊接電源（PAW）等產(chǎn)生的電弧為熱源，以金屬絲材為原材料，在程序的控制下，根據(jù)三維數(shù)字模型由線-面-體逐漸成形金屬零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)。

①電弧增材制造設(shè)備工作原理圖如下：

此方法用低成本的電弧取代激光和電子束作為熔化金屬的熱源，從而形成一種成本極大降低的大尺寸高效率金屬增材制造技術(shù)，其打印效率較高，成本低廉，很方便打印數(shù)米大小的零件，而且非常適合于激光熔覆技術(shù)難于制造的高反射性的鋁合金。特別是由于同弧焊技術(shù)的兼容性好，弧焊專業(yè)人員較容易掌握這項(xiàng)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)成為當(dāng)前大尺寸、高效率、低成本金屬 3D 打印技術(shù)發(fā)展最快的方向，并且正在迅速進(jìn)入規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用。

②該系列打印設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)為：

A、高效率，每小時的沉積效率可達(dá)幾公斤-幾十公斤；

B、低成本，原材料價格便宜，整體打印周期短；

C、柔性化，無需模具，自由度高，易于實(shí)現(xiàn)自動化、智能化控制；

D、響應(yīng)速度快，特別適宜于快速研制與迭代，加快研發(fā)周期，適于小批量個性化定制；

E、其缺點(diǎn)是熱輸入累積較大，零件表面精度不高，需配合后續(xù)加工工藝實(shí)現(xiàn)零件的精度控制。

（4）金屬增材制造行業(yè)技術(shù)未來發(fā)展趨勢

金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展并不是孤立的，其涉及制造工藝、設(shè)備、材料、優(yōu)化設(shè)計(jì)等各個方面，總的來說，為獲得更為廣泛的應(yīng)用，金屬增材制造技術(shù)都在努力向兼顧高性能、高精度、高效率、低成本、更大的加工尺寸范圍和更廣泛的材料適用性方向發(fā)展，其目的都是為了向直接制造最終功能零件發(fā)展。

①制造工藝方面

當(dāng)前，金屬增材制造工藝的發(fā)展，除了對現(xiàn)有較為成熟的粉末床熔融技術(shù)、定向能量沉積技術(shù)、電弧增材制造技術(shù)等結(jié)合實(shí)際工程化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及材料、粉末、智能化控制軟件等的技術(shù)發(fā)展克服缺陷提升優(yōu)勢外，金屬增材制造工藝主要在以下方面進(jìn)行拓展：

A、增減材復(fù)合制造技術(shù)。增材制造與傳統(tǒng)的減材制造相融合，增材制造技術(shù)與機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、鑄鍛焊等多工藝技術(shù)相集成，從而提升增材制造技術(shù)的成形效率和精度，解決增材制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件難于進(jìn)行后續(xù)機(jī)械加工的難題，特別是解決復(fù)雜內(nèi)腔達(dá)不到非加工面要求的難題，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性制造，賦予現(xiàn)有設(shè)備或生產(chǎn)線高柔性與高效率。

B、發(fā)展基于新工藝?yán)碚摰娜碌慕饘僭霾闹圃旒夹g(shù)。粉末床熔融技術(shù)、定向能量沉積技術(shù)、電弧增材制造技術(shù)均是對金屬材料直接燒結(jié)成形，而將有機(jī)粘結(jié)劑等其他材料與金屬粉末結(jié)合起來，再通過燒結(jié)等輔助工藝進(jìn)行成形的金屬增材制造技術(shù)稱之為“間接金屬 3D 打印技術(shù)”。

②金屬增材制造設(shè)備方面

金屬增材制造設(shè)備是實(shí)現(xiàn)各種金屬增材制造技術(shù)的重要載體，增材制造設(shè)備的發(fā)展在整個增材制造技術(shù)體系中占據(jù)非常重要的位置。總體來看，除了持續(xù)提升設(shè)備效率、打印精度和穩(wěn)定性外，金屬增材制造裝備的主要發(fā)展方向?yàn)椋?

A、大型化。增材制造裝備成形尺寸已經(jīng)步入“米”級時代，增材制造裝備大型化已成為發(fā)展趨勢。

B、專業(yè)化。與大尺寸設(shè)備相比，針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的不同需求偏好，增材制造設(shè)備向更加專業(yè)化和精細(xì)化方向發(fā)展。

C、智能化。智能傳感器、數(shù)字總線技術(shù)等智能部件融入增材制造裝備，增材制造裝備將更加智能化。

③金屬增材制造原材料方面

隨著金屬 3D 打印產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大，市場上金屬粉末材料種類偏少、品質(zhì)偏低、專用化程度不高、供給不足的弊端也日益顯現(xiàn)，因此金屬 3D 打印專用材料的開發(fā)在未來的很長一段時間里將是重要的研究領(lǐng)域。另外，單一材料也在向復(fù)合材料發(fā)展，不僅賦予了材料多功能性特點(diǎn)，而且拓寬了增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

④優(yōu)化設(shè)計(jì)方面

增材制造技術(shù)正在加速發(fā)展成為一種強(qiáng)大的生產(chǎn)技術(shù)。但是，在工業(yè)制造中應(yīng)用該技術(shù)的主要障礙是目前絕大多數(shù)工業(yè)設(shè)計(jì)師對增材制造技術(shù)缺乏了解，產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維被傳統(tǒng)的等材或減材制造技術(shù)所束縛。因此，增材制造與優(yōu)化設(shè)計(jì)的互動研究將進(jìn)一步加強(qiáng)，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等輕量化設(shè)計(jì)將更多的用于金屬增材制造設(shè)計(jì)領(lǐng)域，同時結(jié)合軟件技術(shù)發(fā)展，仿真技術(shù)將驅(qū)動設(shè)計(jì)的優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)打印前的質(zhì)量控制。

（5）金屬 3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)精密加工技術(shù)的比較

金屬 3D 打印技術(shù)并不是要取代傳統(tǒng)加工制造技術(shù)，而是傳統(tǒng)加工制造技術(shù)的重要補(bǔ)充。

目前金屬 3D 打印技術(shù)在可加工材料、加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面與傳統(tǒng)的精密加工技術(shù)相比，還存在較大的差距，但是其全新的技術(shù)原理及制造方式，也有著傳統(tǒng)精密加工所無法比擬的巨大優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：

①縮短新產(chǎn)品研發(fā)及實(shí)現(xiàn)周期。3D 打印工藝成形過程由三維模型直接驅(qū)動，無需模具、夾具等輔助工具，可以極大的降低產(chǎn)品的研制周期，并節(jié)約昂貴的模具生產(chǎn)費(fèi)用，提高產(chǎn)品研發(fā)迭代速度。

②可高效成形更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。3D 打印的原理是將復(fù)雜的三維幾何體剖分為二維的截面形狀來疊層制造，故可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)精密加工較難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜構(gòu)件成形，提高零件成品率，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。

③實(shí)現(xiàn)一體化、輕量化設(shè)計(jì)。金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)經(jīng)變換重新設(shè)計(jì)成簡單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果，3D 打印技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件一體化成形，從而提升產(chǎn)品的可靠性。

④材料利用率較高。與傳統(tǒng)精密加工技術(shù)相比，金屬3D打印技術(shù)可節(jié)約大量材料，特別是對較為昂貴的金屬材料而言，可節(jié)約較大的成本。

⑤實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的力學(xué)性能?；?3D 打印快速凝固的工藝特點(diǎn)，成形后的制件內(nèi)部冶金質(zhì)量均勻致密，無其他冶金缺陷；同時快速凝固的特點(diǎn)，使得材料內(nèi)部組織為細(xì)小亞結(jié)構(gòu)，成形零件可在不損失塑性的情況下使強(qiáng)度得到較大提高。

編輯：沈吟秋

來源： 思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 鉑力特