【解析】基于激光的金属增材制造技术评述与展望

激光增材制造是依据CAD/CAE软件将材料模型的数字化数据分层，然后通过激光加工，逐层生成三维实体的加工过程。以3D打印技术为代表的数字化制造技术将对产品设计、制造工艺、装备制造、材料制备、制造企业形态乃至整个传统工业体系带来全面而深刻的变革。 当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮，发达国家面对传统制造业竞争力的下降，提出智能机器人、人工智能及3D打印三大数字化制造技术，实现“再工业化、再制造化”。

2012年，奥巴马向国会提议建立全美制造业创新网络，提升美国整体竞争力。同年，奥巴马宣布将在俄亥俄州建立一所由政府部门和私营部门共同出资的美国国家增材制造创新协会，专业研发3D打印新技术与应用。 目前，我国制造业大而不强，处于转型升级、加快转变发展方式的历史关键时期。我国政府已经认识到了增材制造技术对整个传统制造业转型的重要性，并作出了相关的战略规划。2012年，中国工程院撰写题为“中国增材制造技术工程科技发展战略”的咨询报告。同年，中国工程院在武汉华中科技大学召开了主题为“2012年增材制造技术国际论坛暨第六届全国增材制造技术学术会议”。

2015年工信部、国家发展改革委和财政部印发《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，提出到2016年，初步建立较为完善的增材制造产业体系，产业销售收入实现快速增长，年均增长速度30%以上，整体技术水平与国际同步。 本文介绍了基于激光的金属增材制造技术的原理和特点，在分析国内外增材制造技术发展的现状基础上，提出了未来发展的方向和需要重点关注的问题。

1基于激光的金属增材制造技术原理及特点
鉴于激光快速直接制造技术的先进性和巨大的发展前景，世界各国相关的重要研究机构纷纷进行研究，尤其是美国政府对快速原型制造十分重视，投入大量人力和经费进行深入研究。在80年代末，美国能源部同时资助了桑地亚国家实验室、洛斯阿拉姆斯国家实验室和密歇根大学三个机构进行基于激光熔覆的增材制造研究。到90年代末和21世纪初，各种不同名称的快速制造技术得到深入研究和快速发展。按粉末材料输送方式的不同，金属增材制造技术可分为铺粉和送粉两种累积制造方式。 铺粉方法是先利用刮刀铺平粉末，然后利用激光进行加工，以铺粉系统为代表的加工方法主要有：

（1）美国德克萨斯大学奥斯汀分校发展的SLS系统（SelectiveLaserSintering）；
（2）德国夫琅和费学院与F&SStereolithographietechnik合作发 展的SLM系统（SelectiveLaserMelting）；
（3）德国EOS公司开发的DMLS系统（DirectMetalLaserSintering）。

送粉方法是激光加工与输送粉末同时工作，以送粉系统为代表的加工方法主要有：
（1）美国桑地亚国家实验室发展了激光工程化净成型即LENS系统（LaserEngineeringNetShaping）；
（2）美国密歇根大学机械工程系发展了直接金属沉积即DMD系统（DirectMetalDeposition）；
（3）加拿大国家科学院集成制造技术研究所发展了激光合成即LC系统（LaserConsolidation）；
（4）清华大学机械工程系发展了激光快速柔性制造即LRFM系统（LaserRapid&FlexibleManufacturing）。
虽名称各有不同，但原理类似，成熟的技术催生了一批具有国际影响力的企业，3DSystems、EOS、Stratasys、ConceptLaser等已经成为增材制造浪潮中的先行者。

1.1选区激光烧结技术
1989年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 CarlDechard博士和JoeBeaman博士合作研究成功 了SLS工艺(U.S.Patent4863538)，技术原理如图1所示。首先在粉床铺一层粉末材料，利用刮刀或者轧辊压平，激光器依据扫描路径在粉末平面上有选择地进行扫描，使粉末温度升至粘结剂的熔点（此温度低于金属熔点），然后烧结形成黏结；接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至成型。 SLS工艺形成的三维实体类似粉末冶金烧结 的坯件，内部存在一定比例的孔隙，不能达到100%密度，精度低（为0.1～0.2mm），力学性能较差。如果想获得性能较高的SLS零件，需要进 行高温烧结、热等静压等提高致密度，降低零件孔隙的方法。

1.2选区激光熔化技术
SLM加工设备主要由激光器、光路系统、成 形缸、粉料缸、保护气体、除尘器、冷却系统和数控系统等组成，其技术原理如图2所示[1]。打印前，需要运用软件建模得到零件的三维结构，导入STL文件后，根据材料的属性和打印机的规格对其进行分层切片，并且添加必要的支撑结构。打印时，按照预定的扫描路径，高能激光熔化预先铺设好的金属粉末，凝固后成型，未被激光照射的粉末仍保持铺粉前的状态，待本层打印完成后，刮板重新铺粉，进行下一层打印，直至最后一层打印完成。 相对于SLS技术来说，SLM技术成形的零件精度较高（可达0.02mm），可得到密度接近100%的金属实体。在打印过程中，金属粉末经历固态--液态--固态的过程。这种加工方式适合 制造形状复杂的工件，尤其适合传统机械加工很难成形的内部有复杂形状的异型结构（如冷却装置的冷却管道）。SLM最大的问题在于熔化金属粉末时，零件内部产生较大的热应力，容易开裂。特殊结构例如悬垂结构、与平面成较小倾角、垂直孔等都需要添加支撑体以辅助成形，而支撑体的去除也是现今后续处理所面临的难题。

1.3激光净成形制造技术
激光净成形制造技术最初是由Sandia国家实验室和惠普（PrattWhitney）公司合作研发的技术，1997年，OptomecDesign公司获得应用的许可（专利U.S.Patent6046426）。Sandia国家实验室开发的LENS系统主要由YAG固体激光器、可以调整气体成分的手套箱、数控系统和送粉系统这四部分组成。该设备的加工精度在X和Y方向上达到0.05mm，在Z方向上是0.4mm，最优化的零件表面粗糙度为6.25。激光净成形制造技术原理如图3所示。激光器产生高能激光束，高能激光照射到送至的粉末上使粉末熔化，随着送粉系统与激光光路的同步移动，粉末进入熔池熔化后凝固，逐层堆积成型。由于激光净成形是直接在基板上堆积成形，所以后续的处理需要使用线切割设备将制件与基板分离。同样由于在加工过程中不断有激光能量的输入，热效应产生的热应力也需要后续的热处理方式消除。

2增材制造的金属材料
金属3D打印技术的应用领域相当广泛，例如航空航天、医疗、石化工程、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、首饰等。国内外金属增材制造采用的金属材料有：工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。 从3D打印技术及其市场的发展趋势看，国外几家主要的增 材制造公司已经将增材制造产业上游的原材料市场从塑料、树脂 转向了金属。科技研究公司Technavio近日发布了一份2016-2020年全球3D打印材料市场的研究报告。该报告预测在未来五年中，全球3D打印材料市场的年复合增长率会超过25%。德国EOS公司是全球DMLS(直接金属激光烧结)市场的领导者，该公司研发了一系列以金属材料为基础的打印机，同时也为其机器开发了相应的打印粉末如铝、钴铬合金和钢。瑞典Hoganas是世界领先的金属粉末制造商，1797年开始就已经为化工、零部件制造、焊接和冶金等行业的客户开发应用的材料，最近向市场推出了17-4PH马氏体不锈钢的3D打印粉末材料。 此外，还有美国ArgenCorporation、美国Car⁃ penterTechnology、德国ConceptLaser、英国 CPM、意大利LegorGroup、英国LPWTechnolo⁃gy、美国Pyrogenesis、瑞典Sandvik。国内的金属3D打印粉末大多依赖进口，价格昂贵，这也促使 国内致力于3D打印金属材料的企业和机构自主研发金属3D打印材料，最具代表性的企业有西安铂力特、银邦股份、上海材料研究所、上海康速金属材料、鑫烯三维科技等。

3增材制造的应用领域
增材制造技术通过基础理论研究、工艺技术开发、相关标准制定，在若干领域逐步进入到产业化发展阶段，显示出独特的应用前景。同时设备昂贵、材料价格高、工艺复杂以及性能评估体系不完善也制约着其应用范围。当今增材制造方法主要应用领域集中在航空航天、生物医疗、汽车制造、石化工程等。

3.1航空航天
增材制造技术非常适用于制造发动机中具有轻量化要求的复杂构件。为 实现特定的功能，零部件需要设计成具有复杂的曲面结构或空间立体结构（如空心叶片等）。一方面采用传统制造方法，研发周期长，过程复杂，工艺难度大，制造成本很高；另一方面，目前的工艺方法，还无法满足具有特殊结构和性能零部件制造要求。此时应用增材制造技术可以有效减少研制周期，实现复杂的空间结构，极大地释放产品设计。 在航空航天领域，钛合金、钴铬合金及铝合金等使用量大，材料价格高。采用传统加工方法，材料利用率低，成本高。相比传统制造工艺（铸、锻、焊、车削、铣削等），增材制造技术节省原材料，用料只有原来的1/3到1/2，制造速度却快3～4倍。 美国GE公司正在大力推进增材制造技术在航空发动机制造上的应用，并且已经取得了初步成功。其正在研制中的最先进的LEAP发动机的燃油喷嘴已进入批量生产，如图4（a），GE航空集团计划到2020年3D打印10万个LEAP发动机的燃料喷嘴。原技术工艺生产这种喷嘴需要18个零件焊接在一起，而采用3D打印技术可以直接成型， 该零件重量减重四分之一，但是使用寿命却比以前提高了5倍。

此外，美国GE公司还利用直接金属激光熔化技术（DMLM）打印航空发动机的高压涡轮叶片如图4（b），材料为钴-铬合金。这个叶片包含若干个复杂的冷却凹槽，普通加工方法难以制造，利用增材制造自由成形的特点，能够很好地达到设计要求。图4(c)是GE公司利用直接金属激光烧结技术（DMLS）打印的涡轮进气口，可以看出，它具有复杂的内部结构。 2000年，美国波音公司应用增材制造技术 于飞机钛合金结构件制造，并制定了专门的技术标准(AMS4999)。图5是F/A-l8E/F翼根吊环（900mm×300mm×150mm），该部件的疲劳寿命 是设计要求的4倍，静力加载到原最大拉力的2.25倍也未被破坏。

2015年6月，德国MTU航空发动机公司已开 始使用EOS的增材制造机器生产镍合金管道镜内窥镜套筒（图6），这是A320neo上的GTF发动机涡轮机壳体的一部分，可以让维护人员通过内窥镜来检查涡轮叶片的磨损和损坏程度，在航空航天行业这被称为管道镜。在MTU应用增材制造技术之前，这些套筒通常是使用铸造和铣床加工的方式制造的，成本高昂而且费时。国内在激光立体成形技术（LSF）方面的研究起步较早，并且取得了不错的成果。


1997年时，西北工业大学和中航集团北京航空工艺研究所就曾合作承担过题为“金属粉材激光立体成形”的航空科学基金重点项目。我国自主设计并研制的国产大型客机C919上就有增材制造技术的应用，图7（a）是LSF技术制造的C919主风挡整体窗框，激光成形周期为55天，国外订购周期需要两年，大大缩短了生产时间；国外订购模具费高达200万美元，而国内激光成形成本仅为模具费的1/10。图7（b）是LSF制造的C919飞机中央翼缘条，材料为TC4，零件尺寸：450×350×3000（mm×mm×mm），成形后长时间放置后的最大变形量小于10mm，静载荷力学性能的稳定性优于1%，疲劳性能也优于同类锻件性能。

3.2医疗植入
增材制造技术因其能够实现个性化的设计和生产，在生物医疗领域有广泛的应用前景。主要应用于外科手术治疗、口腔牙齿的修正与治疗。此外，由于材料技术的发展，生物组织制造及其应用将是增材制造技术的重要发展方向。 2016年8月，河南省肿瘤医院成功实施了一 例“3D打印胸骨置入手术”，患者因肿瘤覆盖率大，需要大面积切除胸骨，针对患者的情况如果应用传统骨水泥或者钛板，不能完全拟合患者被 切除的胸骨的形状，患者在术后运动过程中会感觉不适，所以应用3D打印的胸骨，这种胸骨可以完全契合患者胸骨的形状，保证与原有的身体结构相协调。图7（c）为打印的钛合金胸骨，目前 患者已康复出院。 3D打印可以用于患者颌面、头颈部缺损修复 重建技术。传统做法是截取患者自身小腿上的腓骨，将竖直的腓骨依据医生的临床经验重新塑造成相对符合颌骨Ｌ型的结构，这种方法实际应用中不能完全符合患者口腔的形貌，对于术后患者的咀嚼，面部形态都会有较大的影响。

2016年3月，在中山大学孙逸仙纪念医院成立了“3D数字化精准修复重建中心”。中山大学孙逸仙纪念医院，李劲松教授团队应用3D打印技术修复颌面骨已经超过了50例。 医疗领域3D打印技术的行业标准缺失是现今医疗行业面临的重大挑战，截止到现在美国食品药品监督管理局（FDA）批准通过了一种治疗癫痫的3D打印处方药——SPRITAM以及3D打印技 术制造的医疗设备，这些设备主要包括骨科植入物和外科手术器械，在今年５月份发布了一份《3D打印医疗设备的技术准则草案》，在草案中已经对原型设计、软件使用、材料选择、加工参数、设备环境的相关问题进行了探 讨，相关的医疗标准已经提上制定的议程。国内医疗行业目前仅通过了一个 关于髋臼窝的植入认证，没有统一的行业标准，3D打印在医疗的应用进程将会遇到很多阻碍。

3.3汽车零部件
在个性化汽车定制销售中，因为个性化汽车零件的独特应用无法使用传统方式的大规模生产，这时3D打印技术在汽车领域显示了其独特应用前景。设计者可以将自主设计的汽车保险杠、后视镜等内外装饰件制造出来，然后组装自己的定制化汽车。 汽车领域的3D打印技术现今已经获得了应用，2013年3月，世界上首款3D打印的汽车Ur⁃bee2问世，它是一款混合动力车，所有的零部件均采用了3D打印的加工方法。其开发的初衷是用 最少的能耗行驶最远的距离，把生产、使用、回收过程的污染降到最低，尽可能用汽车产地附近的原材料生产汽车，使汽车生产更节能、环保，生产过程更便捷。这辆车的整个制造过程中只需要将汽车的每部分部件传到相应的打印机上，2500小时后，这台车就组装完成可以行驶了，其底盘和引擎使用的都是钢铁材料。

3.4石化工程
2016年5月，中科院兰州化学物理研究所材 料表面界面课题组将3D打印技术应用到传统的表面工程当中，成功研制了疏水、亲油性的油水分 离撇油器。传统加工无法实现这种微纳米空洞结构，而利用3D打印技术可以实现复杂微结构的构建，这种微结构的加工实现了优异的疏水、亲油性能，从而实现汽油、食用油、矿物油等各种不同类型的油进行分离。 根据3D打印世界2016年9月20的新闻报道，中国广核集团应用SLM技术设计制造的复杂流道仪表阀阀体现已经进行了基础性能的测试，阀体的材料化学成分和基础力学性能满足国际核电标准RCC-M的要求。这次试制的阀体长140mm，宽76mm，高56mm，材料是316L不锈钢。因其内部有复杂的管道结构，如果采用传统制造方法需要整体铸造、部分精密加工，使得加工周期长，而采用SLM技术阀体的制造时间将大大缩短。

4激光增材制造的发展方向

4.1材料、设备及工艺
尽管最近几年3D打印已成为多方关注的焦点，但在材料、设备和工艺方面，我国与欧美发达国家还存在差距，急需在这些方面深入系统的研究。材料上，提高静态性能和抗疲劳性能，使增材制造零件优于铸造和锻造零件，开发新型材料，降低成本；设备上，需要提高增材制造速度，在短时间内可以制造出性能优良的成型件，满足客户的需要；工艺方面，提高产品生产过程可靠性、力学性能和表面质量，探究减少支撑、设计易于去除的支撑的工艺方法。在金属激光3D打印技术中，材料制备、尺寸精度和加工精度及控制、材料与性能的关系、激光器、应用拓展等共性问题一直是设备升级的制约因素，是急需攻克的共性技术。

4.2多方协同发展
金属激光增材制造技术是一种最能体现现代信息社会制造特征的革命性技术，它融合了激光、机械、电子三个领域的尖端技术，是当代科学技术发展成果的最新体现。增材制造技术的发展与产业化应用，需要高等院校、研究院所、设备制造商、材料制造商和应用客户等多方共同协作，互利共赢，共同促进产业的良性循环发展。上游企业生产质量优良的打印材料，中游设备制造企业提高加工质量，下游销售服务企业及时反馈客户要求，这样进行整体上的科学规划，协同研发。

4.3云制造
构建面向金属激光3D打印云制造产业链的云平台技术，建立数字化工厂模式，与互联网、物联网等相关传输手段相结合。通过价值链及云服务实现3D打印产业链上企业的横向集成，实现定制生产、云服务等新的生产方式和服务业态。

4.4评价体系的标准化
与传统制造方法生产的零件一样，金属增材制造零件的评价体系也包括三大类，即材料工艺、机械加工类、表面处理及改性类评价。3D打印标准主要有三个方面：材料标准，包括材料尺寸、化学成分、材料粘度等；工艺标准，包括工艺过程、性能测试方法、系统组成测试方法等；应用标准，应用领域的范围及零件的技术规范等。 目前，增材制造的检测评价标准还很少，许多冶金性能分析和评价还没有可循的标准，今后迫切需要加强对3D打印零件材料性能的相关研究，推进3D打印产品相关标准的制定。欧洲已经着手制定了一系列标准，SASAM增材制造标准化小组参考了ISOTC261、ASTMF42、CEN/TC43多种标准，并且将增材制造的主要厂家联合起来，基于共同标准草案，欧洲标准和国际标准共同启动，发布2015增材制造标准化路线图。我国在3D打印标准制定方面还相对滞后，今后需要加紧制定并完善，实现金属激光3D打印应用领域的拓展，开发不同领域的金属激光3D激光打印工艺技术与标准，并研究产品成形性能的检测手段和方法。

5总结与展望
欧美发达国家的增材制造技术发展较早，市场化的时间也早于国内，想要更快的发展本国增材制造产业，借鉴发达国家的发展模式，规避已有的错误是本土产业化加速发展的模式。借鉴传统产业发展模式，增材制造也应该从原材料研发、装备制造、软件开发、服务培训、人才培养等方面形成一条完整的产业链条，瞄准高端制造业升级转型的发展机会，多点布局，多线发展，从上游开发到下游服务，创新现有的运营模式，使得增材制造的产业化进程加快。在开展产业化应用时，要着重注意知识产权的保护，美国、日本已经在专利技术方面领先于其他国家，如果开发的新技术没有专利制度的保证，对于将来的产业化发展将是很大的阻碍。成熟的产业化应用，一定有自主的核心知识产权、核心装备器件作为保证。我国正面临着产业转型的关键时期，把握住未来发展的方向将会对未来中国在国际制造市场的地位产生深远影响。


作者：陈忠旭，姚锡禹，郭 亮，张庆茂 （华南师范大学广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室）