科技與產(chǎn)業(yè)碰撞！金屬3D打印技術(shù)將應(yīng)用于量產(chǎn)汽車

來源：中國粉體網(wǎng)

隨著大眾汽車公司持續(xù)堅定推動 3D 打印技術(shù)量產(chǎn)應(yīng)用化，目前已經(jīng)取得突破性進展，近期將首次在德國 Wolfsburg 工廠投入制造車輛零件。大眾所使用的 3D 打印技術(shù)是以雷射從金屬粉末中一層層將零件堆棧出來，為了取得足夠強度，金屬零件還會經(jīng)過加熱與塑形。

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3D打印技術(shù)，又稱增材制造(AM)技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域體現(xiàn)出較強的靈活性、較高的設(shè)計制造自由性，能夠滿足航空航天、國防和醫(yī)療等領(lǐng)域的安全可靠和個性化需求，在這些領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

1 金屬3D打印主要技術(shù)

3D打印技術(shù)通過激光、電子束或電弧等提供高能熱源，按照分層軟件設(shè)定的路徑將原材料以逐層熔凝堆積的方式成形一體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，是一種“從無到有”的材料添加成形過程。

目前，常用的金屬3D打印技術(shù)包括：激光選區(qū)熔化(SLM)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、電弧送絲增材制造(WAAM)、激光熔融沉積(LDMD)等。不同的3D打印工藝原理相似，主要為基于粉床鋪粉和同軸送粉/絲兩種模式實現(xiàn)構(gòu)件的快速成形。

1.1 激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)

在金屬增材制造中，SLM是應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一，由Fraunhofer研究所于1995年在德國提出，利用激光選區(qū)熔化打印金屬材料，圖1為其技術(shù)原理圖。SLM技術(shù)的激光器能量密度很高，能夠直接用激光熔化粉體，不需要粘結(jié)劑，具有很高的成形性能。經(jīng)過SLM技術(shù)制備的零件具備相當(dāng)高的致密度，力學(xué)性能優(yōu)異，非常適合實際工程應(yīng)用。

1.2 電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBM)

EBM技術(shù)，其技術(shù)原理為: 采用電子束焊接工藝在真空環(huán)境中，熔化金屬粉末材料，然后按照設(shè)定的路徑逐層堆積而成形出金屬制件。通過EBM技術(shù)可以成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成分純度高的金屬零件，但是其成形尺寸受到了粉體環(huán)境與車床的限制。設(shè)備示意圖見圖2。

1.3 激光熔融沉積(LDMD)

LDMD技術(shù)也稱為激光堆焊技術(shù)，早在二十世紀(jì)六十年代就被提出，通過使用高能激光在兩個金屬材料表層之間形成熔覆層，然后經(jīng)快速固化得到性能良好的涂覆層。但是受到工藝與殘余應(yīng)力等影響，熔覆層常常存在缺陷，在成形精度、成本等方面仍有不足。技術(shù)原理圖見圖3。

2 現(xiàn)有國內(nèi)外金屬 3D 打印材料

3D 打印用金屬材料的化學(xué)成分包括主要金屬元素和雜質(zhì)成分，主要金屬元素常用的有 Fe，Ti，Ni，Al，Cu，Co，Cr 及貴金屬 Ag，Au 等。不同的金屬 3D 打印技術(shù)所對應(yīng)的打印材料有所不同。

2.1 金屬 3D 打印絲材

金屬 3D 打印的絲材主要集中在不銹鋼、鈦、鋁等材料，如銅、金、鎳等其他的金屬 3D 打印材料只處在研發(fā)試用階段，其主要缺點為性能單一、價格昂貴。

金屬打印絲材可以采用電弧增材制造技術(shù)(WAAM) ，是以電弧為載能束，熱輸入較高，適用于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件，通過分層掃描和堆焊的方法來制造鈦合金、鋁合金等金屬元件。TIG 電弧增材制造技術(shù)是在鎢極氬弧焊接方法的基礎(chǔ)上改良而形成的一種技術(shù)，主要的研究對象有鋁合金、鈦合金、不銹鋼；MIG 電弧增材制造技術(shù)主要采用直接熔絲的方法進行堆焊，此項技術(shù)大多數(shù)主要研究其成形工藝和力學(xué)性能，主要研究對象有鋁合金、鈦合金。

2.2 金屬 3D 打印粉材

相對于金屬絲材的增材制造技術(shù)的單一性，其在粉材的打印中得到了更多的發(fā)展應(yīng)用，例如選擇性激光燒結(jié)(SLS) ，利用激光高溫使粉末間發(fā)生燒結(jié)反應(yīng)而連接，常用到的金屬材料主要有覆膜金屬及金屬與非金屬的復(fù)合粉末; 激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)，可用于不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳鉻合金等粉末打印材料，如圖4所示。激光熔敷沉積(LCD) 技術(shù)，該技術(shù)可用于鈦合金、不銹鋼粉、銅合金等作為粉末成形材料進行打印成形，同時還可使用 WC/Co，TiC，VC 等硬金屬及 Al2O3，TiO2等陶瓷材料進行成形，由于相對于傳統(tǒng)焊接工藝產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力小，常用于汽輪機、葉片、渦輪盤的損害修復(fù); EBM 技術(shù)可用于工具鋼、鈦合金、鎳合金，甚至耐火的鋁合金等導(dǎo)電金屬材料。直接金屬激光燒結(jié)(DMLS) ，可對大型轉(zhuǎn)動設(shè)備重要零部件，如齒輪、軸、葉片、閥門及模具等進行磨損、腐蝕和沖蝕后的修復(fù)。

圖4 SLM 直接打印的零件  圖片來源：焊接期刊

3 金屬 3D 打印的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，金屬 3D 打印技術(shù)擁有如下優(yōu)勢: 通過逐層堆積材料進行加工，而不是去除多余材料進行加工，減少材料浪費; 可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)，其制作程序簡單有效; 能夠快速有效個性化生產(chǎn)，適用范圍更廣。

4 未來挑戰(zhàn)與趨勢

由于中國市場對金屬材料 3D 打印的接受度仍處于初期階段，3D 打印技術(shù)在中國生產(chǎn)制造行業(yè)的滲透率的確還遠(yuǎn)不如美國、德國等國家。傳統(tǒng)高能束金屬增材制造痛點如下圖：

圖片來源：曲選輝教授

金屬3D打印無疑已成為一種十分先進的高性能材料和零部件綠色制造技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用市場。金屬3D打印在當(dāng)前是傳統(tǒng)制造業(yè)的有力補充，在將來可能是制造業(yè)的主要成形技術(shù)之一。開發(fā)粉體材料設(shè)計技術(shù)（材料基因工程）、智能化生產(chǎn)技術(shù)，進一步提升新技術(shù)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，是金屬3D打印未來的發(fā)展重點。

參考來源：

【1】常坤，等.金屬材料增材制造及其在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀.材料導(dǎo)報.2021年.

【2】張忠倫，等. 增材制造用金屬材料的研究現(xiàn)狀.中國建材科技.2021年，30（1）.

【3】段宣政，等. 國內(nèi)外金屬3D打印材料現(xiàn)狀與發(fā)展.焊接.2020年.

【4】曲選輝.金屬近球形粉末低成本制造與高效打印成形新技術(shù).