揭开金属增材制造技术面纱
1、增材制造与金属增材制造
增材制造（又称3D打印），诞生于20世纪80年代后期，早期被称作快速成型技术。是以计算机三维CAD数据模型为基础，运用离散－堆积的原理，通过软件与数控系统将材料逐层堆积，来制造三维物理实体的新型制造技术。与传统的制造方法相比，增材制造具有材料利用率高、全数字化一体化制造，理论上可加工出任意复杂形状的结构等优势。历经20多年的发展，增材制造已成为全球颠覆性制造技术的代表。
增材制造主要构成要素包括3D打印源文件、3D打印设备以及可用于打印的材料。其快速成型工艺方法有十多种，打印材料包括金属、塑料、光敏树脂、陶瓷、人造骨粉和细胞生物原料等。因此如果按照加工材料，可将增材制造分为金属增材制造、非金属增材制造、生物材料增材制造等。其中，金属增材制造是其最重要的分支之一。
金属增材制造起源于20世纪90年代初期，即以金属粉末、金属丝材为原料，以高能束（激光/电子/电弧等离子束）作为刀具，在选择性激光烧结、熔融沉积造型、电子束焊接等技术工艺基础上发展而来的快速成型技术。金属增材制造成型过程与3D打印基本相同，即：
1）将需要的目标零件在计算机上通过CAD技术设计出零件的三维实体模型；
2）将三维零件模型转化为3D打印设备可识别的STL格式文件；
3）利用3D打印专用软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的二维轮廓数据（包括激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等），并将这些数据自动传输到3D打印设置，生成计算机控制程序；
4）计算机按照设置的控制程序将金属粉末/丝材熔化，并形成一个切片厚度的截面（2D薄片层）；
5）逐层堆积直到形成3D CAD模型所设计的形状；
6）经过一定的后处理加工出所需的金属零件。
金属增材制造成型过程
2、金属增材制造分类及原理
历经20多年的发展，金属增材制造的成形技术有许多不同的种类和分类方法。当前，金属增材制造比较普遍的一种分类方法是分为：以粉末床为主要技术特征的选区熔化技术，和以同步材料送进为主要技术特征的高能束熔覆技术。根据施加的热源和材料形式不同，前者主要包括选择性激光烧结技术（SLS）、选区熔化技术（SLM）和电子束选区熔化技术（EBSM）；后者包括激光立体成形技术（LSF）、电子束熔丝沉积技术（EBF3）、电弧增材制造（WAAM）等。其中， SLS制造金属零部件，通常有两种方法，其一为间接法，即聚合物覆膜金属粉末的SLS；其二为直接法，即直接金属粉末激光烧结（DirectMetalLaserSintering， DMLS），与间接SLS技术相比，DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤，具有更强的应用价值。
金属增材制造技术分类
下文将对DMLS、SLM、EBSM、LSF、EBF3、WAAM等几种金属增材制造技术进行解析。
2.1 激光选区熔化技术
激光选区熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）是由粉床选区激光烧结技术（SLS）发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。
激光选区熔化技术工作原理
2.2 直接金属粉末激光烧结技术
直接金属粉末激光烧结技术（Direct Metal Laser Sintering， DMLS）是选择性激光烧结技术（SLS）的一个重要分支，主要针对金属合金的加工。通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件。
DMLS的成型原理与SLM类似，只是DMLS所用金属材料为经过处理的与低熔点金属或者高分子材料的混合粉末，加工的过程中低熔点的材料熔化但高熔点金属粉末不熔化，利用被熔化的材料实现黏结成型，所以实体存在孔隙，力学性能差，使用还需经过高温重熔。SLM为单一组分的粉末，且SLM将粉末烧结改良成熔化，成型精度和力学性能都比SLS要好。
目前两者的界限很模糊，区别不明显，DMLS技术虽翻译为金属的烧结，实际成型过程中多数时候已将金属粉末完全熔化。
目前两者的界限很模糊，区别不明显，DMLS技术虽翻译为金属的烧结，实际成型过程中多数时候已将金属粉末完全熔化。
直接金属粉末激光烧结技术工作原理
2.3 电子束选区熔化技术
电子束选区熔化技术（Electron Beam Selective Melting，EBSM）的原理与SLM类似，只不过EBSM是在真空环境中，以电子束作为输出热源。相比激光，电子束更容易获得，可以相应的降低部分加工成本，同时真空的工作环境也可以有效保证钛合金和铝合金在内的很多活泼金属在加热过程中不易被氧化。
电子束选区熔化技术工作原理
2.4 激光立体成形技术
激光立体成形技术（(Laser Solid Forming，LSF）是通过快速成型技术和激光熔覆技术有机结合，利用高能量激光束将与光束同轴喷射或侧向喷射的金属粉末直接熔化为液态，通过运动控制，将熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，获得从尺寸和形状上非常接近于最终零件的“近形”制件。
激光立体成形技术工作原理
2.5 电子束熔丝沉积技术
电子束熔丝沉积技术(ElectronBeamFreeformFabrication，EBFF)，是电子束焊接技术(EBM)和快速成形思想结合的产物。在真空环境中，高能量密度的电子束轰击金属表面，在前一沉积层或基材上形成熔池，金属丝材受电子束加热融化形成熔滴。随着工作台的移动，使熔滴沿着一定的路径逐滴沉积进入熔池，熔滴之间紧密相连，从而形成新的沉积层，层层堆积，直至制造出金属零件或毛坯。
电子束熔丝沉积技术工作原理
2.6 电孤增材制造技术
电弧增材制造技术（Wire ArcAdditive Manufacture，WAAM）是以熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及等离子体焊接电源（PA）等焊机产生的电弧为热源，通过金属丝材的添加， 在程序的控制下， 按设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件近净成形。
电孤增材制造技术工作原理
3、几种金属增材制造技术比较
综合比较，激光选区熔化制造技术（SLM）和选区电子束熔化制造技术（EBSM）在制造中小型复杂精密结构件方面具有独特优势，两者主要差别在于热源不同，SLM以激光为热源，EBSM 以电子束为热源。此外，与EBSM 相比，SLM激光器出现的时间较早，技术比较成熟，且因其采用的金属粉末粒径较小，成形精度较高；但EBSM所采用的电子束相对廉价高效，发射的能量束可达3000W，是激光器的10多倍，成型速度是SLM 的4~5倍，加工材料也更宽泛。
激光立体成形制造技术（LSF）和电子束熔丝制造技术（EBFF）均适合于中、大型复杂零件的快速制造，均具有较高的加工柔性，LSF能够实现多品种、变批量零件制造的快速转换，EBFF可实现多功能加工，即在同一台设备上的既可以实现熔丝沉积成形也可以实现深熔焊接。但由于加工工艺的制约，两者均难以加工形状高度复杂的结构。两者的差别主要在于，LSF技术在零件修复和材料混合制造方面更具优势；EBFF 技术加工效率最高，积速率可达15kg/h，这是其他任何金属增材制造技术都无法比拟的，且内部质量好，所成形的金属零件，无损伤内部质量可以达到相关标准的I级。
与以上四种金属增材制造技术相比，电孤增材制造技术（WAAM）最大的优势在于成形环境开放，成形件尺寸无限制，电孤成本更低等，因此更适用于大尺寸复杂构件的原位制造和复合制造；但是电弧增材制造的成形过程稳定性差、控形柔性差、成形精度低，一般需要更多后续加工处理。
表：金属增材制造技术比较
（注：表中对表面质量、制造效率、成型精度等技术特点的描述是相对表中的几种增材制造技术而言）
5、金属增材制造材料
5、金属增材制造材料
当前，金属增材制造的加工材料主要包括钛合金、镍合金、钢、铝合金和镁合金等。
1.钛合金
钛合金是增材制造技术中率先被广泛研究和应用的合金材料，具有密度低、比强度高(目前金属材料中最高)、耐腐蚀性、高温力学性能优良及生物相容性等特点。钛合金最典型的是Ti-6Al-4V(TC4)钛合金，适合于激光束或电子束快速成形工艺，主要应用于航空工业中的框架、梁、接头、叶片等部件上。不过，由于钛及钛合金也有其自身的劣势，如应变硬化指数低、耐磨性差等，因此基于Re（熔点高）、Ｎi（具有磁性和良好可塑性）等材料的新型钛基合金材料Re-Ti、Ni-Ti等也越来越多的被开发出来。
钛合金
2.镍合金
镍合金是高温合金的一种，是以镍为基添加适宜的元素，能在600℃以上的高温及一定应力环境下长期工作的一类金属材料，具有耐高温性、良好的的抗热腐蚀和抗氧化性能等，主要用于高性能发动机。
Inconel 718合金是镍基高温合金中应用最早的一种，在增材制造行业市场中，已被当作典型材料用于加工服务。Inconel 625和Inconel 738是该系列中另外两种被重点研究和应用的材料。
3.钢
钢是合金材料中最大的一个分支。在增材制造技术发展史上，钢是被广泛应用的重要材料，可细分为不锈钢、高强钢和模具钢。不锈钢具有耐化学腐蚀、耐高温和力学性能良好等特性，其粉末成型性好、制备工艺简单且成本低廉，如最先用于激光成形研究的304和316奥氏体不锈钢粉末（及其低碳钢种），如今已成为增材制造市场上典型的加工材料。还包括二次硬化型超高强度钢Aermet 100钢以及H13、M2等模具钢也广泛的应用于增材制造行业内。
4.铝合金
铝合金的熔点较低，快速熔凝过程中温度梯度相对较小，容易加工成型且成形件不易变形开裂，但是易氧化、具有高反射性和导热性等特性。目前对于铝合金更多的是基于SLM的研究与应用，如通过使用Alsi12合金粉末激光成形修复ZL104合金和7050铝合金，修复部位的力学性能甚至超过基体合金；采用SLM工艺进行AlSi10Mg合金粉末成形获得了较好组织结构的铝合金部件。
铝合金材料3D打印的水泵转子
5.镁合金
镁合金作为最轻的结构合金，由于其特殊的高强度和阻尼性能，在诸多应用领域镁合金具有替代钢和铝合金的可能。例如镁合金在汽车以及航空器组件方面的轻量化应用，可降低燃料使用量和废气排放。此外，镁合金具有原位降解性并且其杨氏模量低，强度接近人骨，优异的生物相容性，在外科植入方面比传统合金更有应用前景。
6.其它合金
除了以上合金材料，还包括硬质合金、钴铬合金、以及Cu-Su、WNi、Ni-Al和Nb-Ti-Si等金属间化合物材料和一些梯度材料。
硬质合金以难熔金属碳化物为基，钴或镍等作粘结金属，用粉末冶金方法制得的合金材料，一般很难用传统加工手段获得。钴铬合金是钴基合金中的一种，具有优良的耐腐蚀和力学性能。根据添加合金元素的不同又分为 CoCrW和CoCrMo合金两大类，广泛用于工业领域和医学领域。
5、金属增材制造技术的应用及发展
5.1 金属增材制造技术的应用
与传统的金属零件加工技术相比，金属增材制造技术具有无可比拟的优势：1）复杂结构一体化制造，工艺流程较传统工艺大大缩短；2）无需任何工装和模具，可实现小批量非标件和异形件的快速成形，降低了生产周期和成本；3）零件近净成型，机加余量小，材料利用率高；4）可实现多种材料任意复合制造；5）高束能量密度高，可实现传统难加工的材料如钛合金、高温合金、超高强度钢等材料的快速成型。
因此，金属增材制造自诞生之日起，便迅速被应用于航空航天、国防军工等高精尖领域，并且取得了良好的发展前景与应用效果。也正是基于此，推动了金属增材制造技术向生物医疗以及工业、船舶、汽车制造等领域的延伸。
1) 在航空航天行业的应用
航空航天是研究与应用金属增材制造最早的行业，也是一直以来最广泛的行业。金属增材制造主要用于：航空小型精密构件和航天大型复杂构件；航空零件的快速修复；新型飞机和航空发动机的研发；以及将增材制造与传统的铸、锻和机械加工相结合形成组合制造技术以提高零件的成形精度和效率等。
例如德国MTU 航空发动机公司采用SLM 技术直接制造航空发动机小型压气机静子件；英国Rolls-Royce 航空发动机公司将LSF 技术用于涡轮发动机零部件的修复及成形；北航通过LSF 技术成功研制出C919飞机机身和机翼连接部分的钛合金上缘条和下缘条构件等大型钛合金，并已得到应用；而GE则预计其采用金属直接增材制造的零件，未来将可占航空发动机零部件的50%。
对航空航天行业来说，金属增材制造技术的不仅让过去一些无法实现的航空功能结构得以快速制造，而且基于金属增材制造的高性能修复技术保证了航空构件的全寿命期的质量与成本；不仅大大提高了昂贵的航空金属材料的利用率，而且减轻了结构件的总量；不仅实现了新产品的快速研发，而且为轻量化设计的实现提供了有效途径。
2) 在医疗器械行业的应用
医疗器械是当前金属增材制造应用的第二大行业。在医疗领域，金属增材制造在个性化定制方面的优势尽显无余，例如打印植入物、牙齿,以及为病人量身定做植入手术所需的精密部件等。另外，具有高性能和生物相容性的钛合金材料也是重要的生物医用材料，其打印出来的多孔结构植入物，可以更好的与人体组织结合。不过，涉及到医疗的用途都需要经过国家的审批才能广泛采用，因此目前绝大部分的3D打印金属植入物为临床试验性质。
另一方面，金属增材制造技术还可用于为病人量身定做植入手术所需的精密部件，例如华南理工大学利用SLM技术已成功研制了外科手术所需的个性化辅助导板。
3) 在其它行业的应用
在工业模具、船舶、汽车制造领域，基本上是借鉴金属增材制造在航空航天行业中的应用方式，包括传统技术难以制造的零件的快速成形，精密零件的修复再制造等。西门子采用金属3D打印技术制造和修复燃气轮机的某些金属零部件；GE公司石油和天然气部门用3D打印技术制造燃气涡轮机的金属燃料喷嘴等；汽车企业实现复杂零部件的轻量化直接成形。
5.2 金属增材制造在国外的发展
国外对于金属3D打印技术的理论与工艺研究相对较早，并已形成了大量工业和商品化设备与应用。近年来，欧美各国政府、大型企业以及研究结构对金属增材制造技术纷纷给予了高度重视，尤其是在航空航天领域的引领与突破。
美国于2012年在其国防高级研究计划局(DARPA)的资助下成立了“创新金属加工—直接数字化沉积(CIMP．3D)”研究中心。空客、波音、洛克希德•马丁、GE航空发动机、Sandia国家实验室等大型航空航天制造企业和研究机构对金属增材制造技术也做了大量研究与实践，并取得了重大进展。此外，美国军方也相当关注金属增材制造技术的发展，并率先将金属增材制造技术应用到包括战术导弹、人造卫星、超音速飞行器的薄壁结构例如导弹控制舱外壳座、导弹资控系统燃烧室以及钛合金支架、框、梁等承力构件的快速制造。
德国成立了增材制造研究中心（DMRC），主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用，在金属增材制造技术的研究和应用方面德国一直走在世界的前列，并有多家从事金属粉成型的各种技术服务商和设备商，如ConceptLaser、EOS、ReaLizer等。法国成立了增材制造协会（AFPR），致力于增材制造技术标准的研究和增材制造技术的应用，并有诸如Prodways、BeAM、Poly-Shape等多家专注航空航天金属3D打印部件研制的企业，将法国的航空航天增材制造技术发挥到极致Poly-Shape公司于2016年8月与Thales Alenia Space合作造出了欧洲最大卫星专用金属增材制造部件。另外，英国、瑞典、比利时、挪威等国也有相关的政策与代表性企业。
5.3 金属增材制造在国内的发展
我国在金属增材制造领域的研究基本与国际同步。自20世纪90年代初，在国家科技部等多部门持续支持下，华南理工大学、华中科技大学、北京有色金属研究总院、清华大学、西北工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学等院所，相继对金属增材制造基础工艺展开了积极的研究，并取得了重大突破。
沈阳飞机设计研究院、上海飞机设计研究院等通过增材制造技术研制出了30余种钛合金和超高强度钢大型整体关键主承力构件，使我国成为目前世界上唯一实现激光成形钛合金大型整体主承力构件成功装机工程应用的国家；北京航空航天大学成功研制出飞机大型整体钛合金起落架整体支撑框、C919街头窗框等金属部件；西北工业大学与中国商用飞机公司合作，应用SLM解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题，并领先将SLM技术应用于飞机和发动机高性能复杂结构金属零件的快速成形与修复，获得与空客的合作。中航工业北京航空制造工程研究所成功利用增材制造技术修复了某型号TC11钛合金整体叶轮，并通过考核。2015年2月11日，工信部、发改委、财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》，进一步促进了金属增材制造技术的发展。
尽管国内金属增材制造技术研究及应用方面具有良好的基础，在某些领域的研究水平甚至超过欧美发达国家，但在产业化方面却相对落后，特别是真正拥有核心竞争力的金属增材制造设备制造企业并不多。主要有以高校为依托的西安铂力特、武汉滨湖机电产业有限公司、江苏永年激光成形技术有限公司、中航天地激光科技有限公司、广东信达雅三维科技有限公司等。以及一些优秀的企业代表如北京隆源（三帝科技控股子公司）、长沙华曙高科等。其他很多金属3D打印企业更多的是以购买国外的产品提供加工服务为主。
6、金属增材制造趋势分析
1) 研究层面
- 提升工艺水平，加强工艺技术瓶颈的突破
由于金属3D打印成型零件的精度、加工效率、加工成本、物理性能及化学性能等还不能完全满足某些实际使用要求，因此有其局限性。尽管当前已经取得了一些进展，诸如北京航空航天大学经过近20年攻关与应用，在国际上率先突破了大型金属增材制造“变形开裂”预防、“质量性能”控制等关键技术。华中科技大学张海鸥教授通过研发“铸锻铣一体化”金属3D打印技术，不仅突破了3D打印性不能打印锻件的瓶颈，而且运用该技术生产零件，其精细程度比激光3D打印提高50%。同时，零件的形状尺寸、组织性能、变形开裂等都得到了有效控制，加工成本也大大的降低了。
但是，加强对这些技术瓶颈的研究与突破，提升金属增材制造工艺水平，制造出近无缺陷、高精度的零部件仍是当前金属增材制造技术迫切需要解决的问题。
- 加强对新材料的研发与现有材料的改进
当前，适合于3D打印的金属材料缺乏，且金属材料多是沿用传统的铸造合金或锻造合金材料。因此，对金属材料的研发主要包括两个方面，一是研发新兴的材料，如耐腐蚀、耐高温和综合力学性能优异的新合金材料；二是对现有材料的改进，即加强现有材料结构和属性之间的关系研究使其更适用于3D打印，根据材料的性质进一步优化工艺参数，增加打印速度，降低孔隙率和氧含量，改善表面质量。
- 金属材料及成形工艺标准体系的建立与完善
金属增材制造材料特性明显不同于传统的锻造或铸造零件，目前对于金属材料特性及成形工艺尚无特别的工业标准，并缺乏对增材制造加工零件的结构性能指标的检测检验手段等，极大的阻碍了该技术的推广。因此，修订并完善金属增材制造的相关技术标准体系，实现金属增材制造技术标准的制度化和常态化至关重要。
2) 应用层面
- 与传统制造技术融合，实现混合加工
尽管金属增材制造技术优势明显，但是经过增材制造出来的零件还要通过后续切削加工才能达到最终的尺寸精度和表面光洁度，因此增材制造不可能完全取代传统的减材制造，而是并列互补的关系。结合金属增材制造与传统制造技术的优势实现混合加工，是当前金属增材制造技术发展的重要方向，也是突破增材制造工艺瓶颈的一种体现。
全球最大的机床制造企业DMG MORI已率先推出了增材制造与传统制造结合的混合加工机床，其复合加工中心LASERTEC 65 3D机床可以通过激光堆焊的增材制造工艺快速制造毛坯。还包括日本松进公司基于激光烧结3D打印和铣削混合加工的Lumex Avance-25机床以及美国Fabrisonic公司基于超声3D打印与铣削混合加工的SonicLayer 4000机床等。
- 与拓扑优化等创新技术融合，形成从设计到制造的闭环
金属增材制造技术可以帮助企业使用心/多孔结构、异质材料功能梯度结构等高性能金属材料直接制造出产品结构复杂、够轻量化的零件，但是制造的前提是设计。拓扑优化技术为企业设计出复杂创新的3D结构模型提供了有效的方法，拓扑优化是在给定载荷条件与材料用量下，自动获取最优结构模型。因此金属增材制造技术与以拓扑优化为代表的创新构型设计技术的结合也是必然的趋势。
当前IT领域的厂商已在积极的推动拓扑优化与增材制造技术的融合。如欧特克、Altair、SOLIDWORKS、PTC、西门子等。PTC最近新推出的Creo 4.0专门开发了为增材制造而设计的功能，工程师可以在Creo中完成设计、优化、验证并运行打印检查，而不需要频繁的切换其他软件；另外应用Creo4.0创建参数控制的均匀晶格结构，在保证性能同时减少耗材；同时还可以将此功能与仿真相结合优化模型，以实现多个设计目标或满足多个限制条件。
7、总结
金属增材制造技术为复杂大型零件的直接制造和高性能材料的制备提供了新思路，使传统制造技术难于实现的结构变得易于实现，对于制造业而言有着无可限量的应用前景。只是就当前的技术条件，金属增材制造更适合于价格昂贵、高性能、难加工的材料，以及结构复杂的构件。金属增材制造的价值在于节省了模具制造环节，节省了材料、成本和时间，且不用依赖庞大的机床设备，因而对于普通材料以及应用传统加工技术就可以制造的结构件等就失去了其意义。
因此，制造企业用户应该认识到当前金增材制造技术并不是万能的，需要我们冷静对待。但是，对于金属增材制造技术的研究与探索不会就此止步，金属增材制造技术未来会向着性能更好、质量更可靠、精度更高、加工材料更广泛、成本更低等方向发展，成为一项“亲民”的制造技术也不无可能。