浅谈金属材料的3D打印制造技术

一般而言，激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装臵、惰性气体保护、喷头控制等来配套。

金属材料的3D打印制造技术之所以难度大，是因为金属的熔点比较高，涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。需要考虑的问题还包括，生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等。另外，快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力。为了解决这些问题，一般需要在多种制造参数配合，例如激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。

在所有金属合金中，钛合金尤其受到重视。因为钛合金密度低、强度高、耐腐蚀、熔点高，所以是理想的航天航空材料。但是由于钛合金硬而且脆，所以不宜用切割和铸造的方式来成型。反而是由于它导热率低，在加热时热量不会发散引起局部变形，比较适合利用激光快速成型技术。最后，钛合金材料价格高，利用3D打印技术能够在减轻飞行器重量的同时节省原材料的成本。

图表1：激光快速成型技术制作金属零件

图表2：快速加热和冷却导致了试件内的残余应力

图表3：钛合金、不锈钢和铝合金的性能对比

针对金属材料的3D打印，历史上在不同的研究所里演化出了很多种不同的技术种类，但是基本的原理可以说大同小异。这些技术大多开始于90年代中期，晚于以树脂和塑料为原料的FDM、SLA和SLS等技术。我国差不多也在同期开始了此方向的研究。

激光成型的零件在静态力学性能上不比锻压的差，但由于加工时间很长，外界扰动会造成宏观结构上不均一，疲劳性能上还存在差距。

图表4：激光快速成型技术制作金属零件的技术

图表5：世界各地的金属3D打印公司

3DSystems作为世界上市值最大的3D打印公司，有sPro?125/250DirectMetal两款金属材料打印机产品，使用的是用激光烧结金属粉末层的技术，最大的加工尺寸为250×250×320mm，可用的材料包括不锈钢、钛、钴铬合金及工具钢等。在40余种的产品型号中，直接金属制造的打印机产品仍属少数。

3DSystems在今年7月份以1500万美元收购了法国的PhenixSystems（EPA:ALPHX）81%的股份。这家公司2000年成立，所提供的3款3D打印设备的技术路线也是通过激光来烧结层层铺叠的金属粉末，最大零件尺寸250×250×300mm。金属粉末利用自己公司的专利技术生产，包括不锈钢、非铁合金和贵金属等，同时也可以使用SINT-TECH公司提供的马氏体钢和铬钴合金粉末。除了机械零部件外，所制造的设备还可应用于生产无镍钴铬的假牙。2012年收入380万欧元，其中在法国收入149万欧元，法国以外收入231万欧元，营业利润为亏损202万欧元。

图表6：PhenixSystems设备的技术流程

ArcamAB是一家瑞典企业，于1997年成立，在NASDAQOMX斯德哥尔摩上市（STO:ARCM），在美国、意大利、中国和英国设有办公室。与其他公司不同，该公司采用的是电子束快速成型技术而非激光快速成型。与激光相比，电子束的能量更大，因此融化金属粉末的速度更快；对于表面反光的零件，电子束更有优势；另外，电子束的能量转换效率高，更节省能源。总体而言，制造出的零件质量更高。但是，电子束的缺点在于需要在真空环境中使用，比起激光所需要的惰性气体保护，要求更为复杂；电子束枪的使用没有激光器方便。

ArcamAB公司的2款打印机产品主要针对的是航天工业和外科整形市场，能制作的最大零件尺寸为200×200×180mm，同时提供多种型号的钛合金粉末和钴铬合金粉末。在外科整形市场上，ArcamAB公司自2007年以来，在全球已提供了3万件以上的植入物。

今年上半年公司实现收入9210万瑞典克朗（约合1414万美元），同比增长80%。净利润760万瑞典克朗（约合117万美元）。

图表7：电子束快速成型技术示意图

总部位于美国的ExOne公司成立于2005年，从母公司ExtrudeHone独立，今年2月份在纳斯达克IPO（NASDAQ:XONE）。

Exone公司提供两种增材制造系统，分别用来打印砂型和金属零件，技术分别起源于德国一家叫做Generis和MIT。砂型的尺寸最大能够做到1800×1000×700mm，而金属的尺寸能够做到780×400×400mm。其所采用的是最早被称作“3D打印”的技术，即用喷头在砂型或者金属粉末中打印粘接剂，扫描成型。对于金属材料，将打印出的模型去掉多余部分，然后在炉中加热去除粘接剂，同时融化金属粉末使之粘结，必要时进行二次加热去除材料中的空隙。除了沙子和金属外，还可以制作玻璃制品。

在制造设备的同时，ExOne还提供打印服务和解决方案。2012年ExOne总共卖出了13套系统，在全世界共设立有6家服务点。今年上半年，实现收入1720万美元，同比增长132%，亏损700万美元。另外，还有一家在历史上有名的金属3D打印公司叫做AeroMet。它于1997作为MTS的子公司成立，合作方包括JohnsHopkins大学和PennState大学等，开发的钛合金激光快速成型技术被称为Lasform，与多家航空设备公司进行过合作开发，持续收到政府部门资助和企业订单。所采用的技术能够制成的零件尺寸达到2400×900×225mm。但是由于零件的疲劳性能仍然差于锻件，同时成本过高，无法批量装备，随着不少型号的飞机陆续结束试制阶段，最终AeroMet在2005年被关闭。

作为3D打印公司的龙头Stratasys，目前并未有能够制造金属的产品，但是他们表示将通过并购等方式进入到此领域。而SigmaLabs是一家由LosAlamos国家实验室的科学家成立的公司，在OTC市场上交易，提供3D打印技术的软件平台，目前正在与GE合作开发金属零部件的打印技术。

图表8：AeroMet的惰性气体保护箱能够支持较大的零件成型

除了設備以外，作為耗材的金屬粉末也十分重要，尤其是鈦合金粉末。據估計，全世界每年共消費14萬噸鈦，總價達到40億美元。這些鈦大多是通過鎂或者鈉還原的方法生產海綿鈦，鈦粉的主要生產方法是氫化脫氫法。目前以粉末形式被消耗鈦占比還很小。

3D打印技術對于鈦粉的要求更高，例如其形狀、大小分布以及純度等。以氫化脫氫法制造的鈦粉，形狀不規則，大小不均勻，影響到粉末的堆積成型，所以很難用于3D打印中，而需要采取氣霧化法或者旋轉電極法來制備。這些技術的難度不是很高。

然而，不同的3D打印技術除了對設備的要求不同，對于原料粉末的要求也不同。換句話說，不同材料的打印需要有不同的設備與工藝與之相配合。所以，絕大多數的設備廠商都是設備、工藝、材料包括軟件同時在做，在出售設備的同時，耗材也是他們收入的重要來源。

圖表1：鈦合金粉末

圖表2：等離子霧化法制備鈦合金粉末

圖表3：氫化脫氫法制備的鈦粉末（上圖）從形狀和大小上都不如霧化法制備的（下圖）均勻

除了專門的3D打印設備廠商，各航空裝備制造公司也都加快了在金屬材料3D打印領域內的開發，包括波音、洛克希德馬丁、NASA、空中客車、GEAviation都在嘗試使用3D打印的零部件。例如，GE在它的LEAP引擎上使用了19個3D打印技術制造的部件，而這款發動機共收到4500個訂單；波音在最新的787客機上使用了約30個3D打印的部件，大部分是送風道和鉸鏈等。目前為止批量裝備3D打印零件的案例還很少，尤其是大型結構件和承力部件。

另外，這些零件的尺寸都有限制，有報道的最大零件尺寸為5.8×1.2×1.2m，用于F14戰機的機翼。原因在于：惰性氣體保護腔或者真空腔的大小有限制，越大的腔體在使用時越為復雜；零件尺寸變大后在加工中心產生的殘余應力會不斷積攢，造成造成零件的變形或者開裂；大尺寸零件的堆積制造時間過長，外部環境造成干擾的概率大，同時對于激光器穩定性的要求更高；一般而言，大零件在各部位的均一性比較難保證，造成其疲勞強度會比較差。

圖表4：利用3D打印技術制造的A380起落架上的齒輪

圖表5：GEAviation展示的3D打印技術制作的鈦合金零件

圖表6：殘余應力過大會導致零件開裂

圖表7：西工大制作的大型零件

3D打印技術的市場可歸結為四個不同層次的需求，他們處于產業化的不同周期，在未來都有爆發的可能。其中，直接生產金屬零部件的3D打印技術市場想象空間巨大，國外不少公司已經開始投入商業化生產，裝備制造企業也逐漸越來越重視這一制造方式可能帶來的變革。隨著技術的進步和制造業要求的升級，未來幾年有望看到金屬快速成型技術的市場步入快速成長期。

3D打印技術制造金屬零部件未來的發展很重要的一個方面是需要有行業標準來規范生產、加工和檢測各環節，通過更多的實際測試，打消對于安全性的顧慮。另外，如果按照傳統的設計模式，只是用3D打印批量制造傳統加工方式便能夠生產的零件，并無太大優勢，所以需要在做系統設計時就將3D打印技術作為可選的加工方式之一，綜合考慮設計方案和制造成本，加入復雜的外形和整體成型等。這將為未來金屬3D打印技術帶來更大的市場空間。

圖表8：3D打印技術的4個應用領域

圖表9：全世界3D打印市場規模迅速擴大