發(fā)布日期：2022-11-19 7:30:37
前言
隨著各類高精尖技術(shù)的研發(fā)問(wèn)世，3D打印技術(shù)(也稱增材制造技術(shù))憑借其強(qiáng)大的技術(shù)能力成為前景無(wú)限的高新制造技術(shù)，在金屬零件制造的快速成形優(yōu)勢(shì)也漸漸凸顯出來(lái)。3D打印可以對(duì)復(fù)雜的圖形結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，具有快速成形、高度靈活、節(jié)約成本等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，雖然鏤空越多、用料越少、成本更低，但也需確保打印的精度、可靠性和可重復(fù)性。其最大的優(yōu)勢(shì)就是其無(wú)需原胚，僅利用模具計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造，大大縮短了產(chǎn)品的制造程序和研制周期，且在工程和教學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域也占有獨(dú)特的地位。目前金屬材料的3D打印主要分為金屬絲材和金屬粉材兩種，其成分主要有黑色金屬、輕質(zhì)合金、鎢鈷類硬質(zhì)合金。此外，一些貴重金屬的3D打印也得到了研發(fā)。
1、現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外金屬3D打印材料
1.1 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(diǎn)為性能單一、價(jià)格昂貴。目前打印材料主要還停留在ABS塑料上，金屬3D打印技術(shù)還沒(méi)有走進(jìn)人們的生活；從企業(yè)技術(shù)應(yīng)用方面來(lái)講更多的企業(yè)還處于研發(fā)階段，還沒(méi)有達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用推廣的地步。但隨著技術(shù)的不斷成熟、研究的不斷深入，3D打印必將向著廣度和深度方向穩(wěn)步發(fā)展。
不同的金屬3D打印技術(shù)所對(duì)應(yīng)的打印材料有所不同，如金屬打印絲材可以采用電弧增材制造技術(shù)(Wire arc additive manufacture，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。該技術(shù)在大尺寸結(jié)構(gòu)件成形上具有其他增材技術(shù)不可比擬的效率與成本優(yōu)勢(shì)。是將焊接方法與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)的一種加工技術(shù)，然后通過(guò)分層掃描和堆焊的方法來(lái)制造鈦合金、鋁合金等金屬元件，如圖1所示。
由華中科技大學(xué)研發(fā)鑄鍛焊一體3D打印技術(shù)是國(guó)內(nèi)獨(dú)立研發(fā)的為制造金屬零件而研究出來(lái)的3D打印技術(shù)。以金屬絲為材料，以電弧為熱源，與利用激光打印3D技術(shù)制造的金屬零件相比，在材料使用上，材料利用率水平較高，因此能夠節(jié)省材料，在精細(xì)程度上有50％的提高，并且這種金屬絲的成本低廉，且電弧相較于其他打印技術(shù)的熱源來(lái)說(shuō)價(jià)格也十分低。因此其在冶金、輪船、航天航空等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用，并有很好的發(fā)展。
WAAM主要包括熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Metalinert gas welding，MIG)、鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Tung—sten inert gas welding，TIG)、等離子弧(Plasma arc，PA)、冷金屬過(guò)渡(Cold metal transfer，CMT)技術(shù)四種方式，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(duì)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(jìn)行堆焊，此項(xiàng)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(duì)象有鋁合金、鈦合金；PA電弧增材制造技術(shù)是一種高效率的焊接熱源；CMT技術(shù)則是一種全新的冷金屬過(guò)渡技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)為熱輸入低，可以避免熔滴穿透，有利于熔滴過(guò)渡和良好的冶金連接。圖2為華中科技大學(xué)電弧增材制造技術(shù)的試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖及成形實(shí)物圖。
Carrico等人引利用一種新的3D打印技術(shù)將離子聚合物一金屬?gòu)?fù)合材料(Ionic polymer-metal composites，IPMC)的獨(dú)特驅(qū)動(dòng)和感測(cè)特性開(kāi)發(fā)用于3D打印，以創(chuàng)建用于軟機(jī)器人和生物靈感系統(tǒng)的電活性聚合物結(jié)構(gòu)。并將3D打印IPMC驅(qū)動(dòng)器的性能與由商用Na—fion片材制造的IPMC驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種驅(qū)動(dòng)器的性能相當(dāng)，證明了創(chuàng)建功能3D打印IPMC的潛力和可行性。
黃崇權(quán)等人H1。利用冷金屬過(guò)渡(CMT)電弧增材制造GH4169合金，其組織表現(xiàn)出明顯的各向異性，沿沉積方向具有[100]擇優(yōu)取向，隨著沉積層數(shù)的增加，枝晶干間距越來(lái)越大、Laves相的取向特征增強(qiáng)。頂部區(qū)域枝晶臂間距A，最大，平均為23.27μm，底部區(qū)域枝晶臂間距A，最小，平均為13.76μm。
Yang等人使用GTA(Gas tungsten arc)旁路的GMA(Gas metal arc)技術(shù)對(duì)增材制造過(guò)程的成形工藝及熱過(guò)程進(jìn)行了研究，揭示了該技術(shù)的多層單道熔敷成形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了大熔敷電流下多層單道焊縫的良好成形。
Qi等人糾通過(guò)引入雙絲裝置，從而搭建雙絲電弧增材制造平臺(tái)，通過(guò)同時(shí)送進(jìn)Al一6.3Cu及A1-5Mg焊絲及調(diào)節(jié)送絲速度，獲得不同合金組分的1.Cu.Mg合金構(gòu)件。
苗玉剛等人以2mm厚Q235鍍鋅鋼板為基板，直徑1.2 mm的4043鋁合金焊絲為增材材料，利用BC—MIG焊工藝進(jìn)行增材試驗(yàn)，得到了成形美觀、性能優(yōu)良的T型材結(jié)構(gòu)。
綜上所述，可以看出金屬材料的電弧增材制造與堆焊技術(shù)有著諸多共同之處，金屬材料的3D打印技術(shù)結(jié)合MIG，TIG，PA，CMT等焊接方法，通過(guò)單絲或多絲的電弧增材來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的加工制造。其最大的區(qū)別在于規(guī)劃軟件和模擬技術(shù)的應(yīng)用程度，傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)并未過(guò)多的強(qiáng)調(diào)仿真軟件對(duì)于材料加工的銜接性，僅是單純的利用機(jī)器人或自動(dòng)化設(shè)備對(duì)焊接電流、電弧電壓等工藝參數(shù)進(jìn)行精確的把控，以得到性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)件。而不能將具體焊接過(guò)程中的參數(shù)的細(xì)微變化反應(yīng)在規(guī)劃軟件上，這樣導(dǎo)致對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量把控不理想。目前，電弧熔絲增材制造技術(shù)的打印絲材總體來(lái)說(shuō)比較單一，并不能完全滿足工業(yè)需求，應(yīng)該對(duì)絲材種類和性能上投入更大的研究。
1.2金屬3D打印粉材
相對(duì)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)(Selective laser sintering，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(Selective laser melting，SLM)，金屬粉末在激光束的的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成形的一種技術(shù)。
材料主要有不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳鉻合金等粉末打印材料，如圖3所示。激光熔敷沉積(Laser claddingdeposition，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(jìn)行打印成形，同時(shí)還可使用WC／Co，TiC，VC等硬金屬及A1：O，，TiO：等陶瓷材料進(jìn)行成形，由于相對(duì)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(jī)、葉片、渦輪盤(pán)的損害修復(fù)；電子束熔融(Electron beam melting，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�？捎糜贓BM技術(shù)的材料有工具鋼、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)(Direct metal laser sintering，DMLS)，可對(duì)大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備重要零部件，如齒輪、軸、葉片、閥門(mén)及模具等進(jìn)行磨損、腐蝕和沖蝕后的修復(fù)口。
Wabe等人使用FIFIDFM實(shí)現(xiàn)亞微米分辨率的直接金屬3D打印，印刷結(jié)構(gòu)尺寸為1～1 000 000 mm2，這是其他技術(shù)幾乎不能訪問(wèn)的范圍。高精度的表面改性可以通過(guò)印刷超薄或結(jié)構(gòu)化物體和在目標(biāo)表面沉積多種金屬來(lái)執(zhí)行。目前實(shí)現(xiàn)Ag，Au，Pt的打印。其他金屬(sn，cd，cr，Ni等)和各種合金的印刷正在研究中。
Fafenrot等人心41利用熔融沉積建模(Fused deposi．tion modeling，F(xiàn)DM)技術(shù)將纖維材料與金屬聚合物混合產(chǎn)生了具有有趣的光學(xué)和力學(xué)特性的印刷品，如圖4所示。并通過(guò)拉伸和彎曲試驗(yàn)顯示，大部分含有青銅的混合材料顯著降低了力學(xué)性能，但3D打印物體的抗拉強(qiáng)度與原絲相當(dāng)，表明印刷工藝質(zhì)量充足。
Scheithauer等人口副論證了T3DP(Thermoplastic 3Dprinting)工藝對(duì)硬金屬化合物AM(Additive manufac．ture)的適用性。使用固體含量為67％(體積分?jǐn)?shù))的WC．Co懸浮液，沉積單個(gè)液滴并制造第一組分。經(jīng)過(guò)脫膠和燒結(jié)，獲得了完全致密的樣品。結(jié)合了熔融的熱塑性硬金屬懸浮液的小液滴的精確沉積和作為固化機(jī)理的冷卻過(guò)程導(dǎo)致的粘度的增加。
李勝男等人心釗采用激光3D打印的方法制備了Nb／SiC體系梯度材料，獲得了從純金屬鈮逐漸過(guò)渡到40％Nb+60％SiC(體積分?jǐn)?shù))復(fù)合層材料，得到了層與層之間結(jié)合良好的梯度材料。
Chua等人采用粉末床聚變和定向能量沉積系統(tǒng)中金屬AM的過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。提出了一種綜合實(shí)時(shí)檢測(cè)方法和閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，主要針對(duì)金屬粉末AM過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制。有效的提高了增材制造過(guò)程中金屬粉材的利用率，同時(shí)也減少了因操作問(wèn)題而導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷。
Strong等人利用激光選區(qū)給出了金屬AM過(guò)程中金屬微液滴運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果，其試驗(yàn)過(guò)程如圖5所示。熔池動(dòng)力學(xué)超高速成像表明，激光粉末床熔合AM中微液滴噴射的主導(dǎo)機(jī)制不是激光誘導(dǎo)的后坐力壓力，而是由氣體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)的氣體對(duì)微顆粒的夾帶。通過(guò)對(duì)激光粉末床相互作用的模擬，描述了強(qiáng)蒸發(fā)流條件下液滴噴射的物理過(guò)程，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了說(shuō)明。
楊義成等人舊引以同軸送粉過(guò)程中粉末顆粒和激光發(fā)生相互作用過(guò)程為研究對(duì)象借助高分辨率攝像機(jī)，結(jié)合圖像二值化處理方法，分析不同工藝參數(shù)該過(guò)程的影響規(guī)律如圖6所示，得出結(jié)論：隨著激光功率增加、送粉速率提高，粉末顆粒被激光輻照的面積和數(shù)量均呈逐漸增加趨勢(shì)。而離焦量提高、載氣流量增加則會(huì)使激光輻照總面積逐漸降低。
黃升平等人舊叫采用SLM工藝，研究了電網(wǎng)設(shè)備常用鋁合金A1Sil0，Mg體系3D打印產(chǎn)品的多項(xiàng)性能指標(biāo)，可以看出在力學(xué)性能上表現(xiàn)出較高的硬度、強(qiáng)度和較低的塑性、韌性。耐腐蝕性方面有優(yōu)秀的抗剝落腐蝕能力，而導(dǎo)電性能上體積電阻率略高，這些性能差異可以通過(guò)持續(xù)優(yōu)化SLM工藝、定向能量沉積、采用粉末床熔合、材料噴射等新技術(shù)提升產(chǎn)品性能。它將為金屬材料3D打印技術(shù)在電力設(shè)備部件制備及修復(fù)方法的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
Yu等人運(yùn)用了金屬3D打印技術(shù)，通過(guò)對(duì)包括凝固問(wèn)題、各向異性力學(xué)性能的研究，研發(fā)了一種快速、可伸縮、固態(tài)工藝的增材攪拌摩擦沉積工藝，它能獲得精細(xì)的微結(jié)構(gòu)，并且對(duì)原料有靈活的選擇。這項(xiàng)技術(shù)有望彌補(bǔ)非光束加工工藝的一些空白，可廣泛應(yīng)用于金屬增材制造技術(shù)領(lǐng)域。
眾多研究表明，3D打印在中國(guó)市場(chǎng)的接受度仍處于初期，其主要原因是打印設(shè)備本身的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用和打印材料高昂的價(jià)格舊2|。國(guó)外金屬3D打印的研究主要集中在美國(guó)賓州大學(xué)、美國(guó)Boeing公司、美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)利茲大學(xué)、德國(guó)亞深工業(yè)大學(xué)、El本大阪大學(xué)等。而在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展金屬增材制造技術(shù)的西北工業(yè)大學(xué)，則重點(diǎn)研究飛機(jī)大型鈦合金；而南京航空航天大學(xué)對(duì)超高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)件有大量研究；It京航空航天大學(xué)則主要研究EBM技術(shù)。
金屬材料的3D打印技術(shù)目前主要集中在粉材的研發(fā)中，相對(duì)于絲材的單一性，粉材可以根據(jù)需求隨意的搭配所需金屬粉材比例，能夠得到更符合工藝要求的成形零件。
2、金屬3D打印存在的問(wèn)題
由于中國(guó)市場(chǎng)對(duì)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(guó)生產(chǎn)制造行業(yè)的滲透率的確還遠(yuǎn)不如美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家。對(duì)于絲材，打印材料應(yīng)向高耐磨、高耐腐蝕性、高強(qiáng)度、高硬度、低熔點(diǎn)方向研發(fā)，不能僅僅局限在鐵、鋁、鈦等領(lǐng)域，其主要問(wèn)題如下。
(1)種類少。絲材種類及數(shù)量少，目前市面上的增材制造絲材大多參照堆焊焊縫的性能要求，對(duì)零件整體進(jìn)行打印制造，僅能考慮母材與焊縫金屬的焊接工藝參數(shù)匹配，并不能完全滿足產(chǎn)品的工藝要求，可選擇絲材少。
(2)周期長(zhǎng)。高性能絲材組分設(shè)計(jì)耗時(shí)耗力，滿足電弧增材制造／再制造要求的高性能金屬基絲材設(shè)計(jì)制備難。在制備上，傳統(tǒng)金屬基絲材制備方法拉拔速度低、易斷絲、表面起毛刺，易引起電弧不穩(wěn)定等問(wèn)題。在技術(shù)上，傳統(tǒng)金屬基絲材合金體系設(shè)計(jì)未充分考慮多材料結(jié)合界面冶金行為，界面結(jié)合與結(jié)晶行為，材料性能難以滿足電弧增材制造／再制造的高性能要求。
(3)適用性差。目前市場(chǎng)上無(wú)電弧增材制造和再制造專用絲材，且研制困難。
對(duì)于粉材，其成形以粉末作為原料導(dǎo)致制件表面光滑度不夠，由于金屬材料的熔點(diǎn)高，在利用激彤電子束成形過(guò)程中不可避免的會(huì)涉及熱傳導(dǎo)、表面擴(kuò)散以及固液相變時(shí)組織的轉(zhuǎn)化問(wèn)題，同時(shí)還要考慮成形零件的致密性，快速加熱和冷卻過(guò)程中構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力等。
其主要面臨的問(wèn)題如下。
(1)精度低。構(gòu)件尺寸波動(dòng)大，當(dāng)成形尺寸較大時(shí)，不適用于大型多種材料的復(fù)雜構(gòu)件高效、低成本制造／再制造，導(dǎo)致成形精度降低，相對(duì)誤差較大，一般需要多次機(jī)加工。
(2)質(zhì)量差。構(gòu)件表面質(zhì)量和粗糙難以控制，制造／再制造尺寸精度低、表面質(zhì)量差�，F(xiàn)階段由于成形環(huán)境、制造設(shè)備以及材料屬性等多方面因素的制約，常常導(dǎo)致出現(xiàn)不良缺陷特征。
(3)材料組分單一。構(gòu)件多由單一材料組成，無(wú)法針對(duì)服役條件實(shí)現(xiàn)構(gòu)件性能最優(yōu)化，針對(duì)服役條件最大限度優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能實(shí)現(xiàn)難，無(wú)法滿足構(gòu)件對(duì)高性能、高使用壽命的要求。
(4)軟件實(shí)現(xiàn)難。多材料電弧曲面增材制造數(shù)字化表達(dá)及其軟件實(shí)現(xiàn)難，僅包含零件的幾何信息，模型多材料信息表達(dá)難，僅能進(jìn)行平面分層，面向零件表面特征隨形曲面實(shí)現(xiàn)難。
對(duì)于整個(gè)金屬3D打印而言，普遍存在成形精度較差，表面光滑度低；打印設(shè)備價(jià)格高昂，部分粉末材料如鈦、碳化鎢等的價(jià)格高達(dá)千形公斤，使得制造成本進(jìn)一步增加；打印過(guò)程中對(duì)人體的損傷巨大，絲材主要是熔渣煙霧影響，粉材則主要是重金屬污染以及粉塵污染。
3、金屬3D打印材料發(fā)展趨勢(shì)
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，增材制造技術(shù)擁有如下優(yōu)勢(shì)：通過(guò)逐層堆積材料進(jìn)行加工，而不是去除多余材料進(jìn)行加工，減少材料浪費(fèi)；可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無(wú)法制造出的復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)，其制作程序簡(jiǎn)單有效；能夠快速有效個(gè)性化生產(chǎn)，適用范圍更廣舊⋯。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。雜質(zhì)成分主要指金屬化合物或非金屬成分，比如還原鐵中Si，Mn，C，S，P，O等。
目前，鈦合金在金屬3D打印發(fā)展迅速，美國(guó)奧斯 汀大學(xué)制造出F1戰(zhàn)斗機(jī)和AIM-9導(dǎo)彈的金屬零部件 采用INCONEL625超級(jí)合金和Ti-6A1-4合金。德國(guó) EOS公司研發(fā)出可直接燒結(jié)鎳基超級(jí)合金、模具鋼、不 銹鋼、銅基合金、鋁硅鎂、鈷基超級(jí)合金及鈦合金的高 階模具技術(shù)口。2017年5月5日，國(guó)內(nèi)具有完全自主 知識(shí)產(chǎn)權(quán)民用飛機(jī)C919首飛成功，其機(jī)翼中央翼緣條 的鈦合金部件是利用激光近凈成形技術(shù)(Laser engi— neering net shaping，LENS)制成，且前機(jī)身和中后機(jī)身 的登機(jī)門(mén)、服務(wù)門(mén)及前后貨艙門(mén)均為金屬3D打印部件。
鐵基合金作為研究較早且較為常見(jiàn)的一類合金， 在模具制造方面有著巨大的潛力，其優(yōu)良的機(jī)加工性 能使其在打印隨形水道模具中得到了極大的應(yīng)用。此 外，鐵基合金中的工具鋼、M2高速鋼、超奧氏體不銹鋼、馬氏體時(shí)效鋼等都有著非常優(yōu)良的熱物理性能和 力學(xué)性能，隨著時(shí)間的推移一些未開(kāi)發(fā)的鐵基材料將 會(huì)得到更廣泛應(yīng)用。
鋁及鋁合金具有密度小、加工方便、強(qiáng)度大、力學(xué)性能好等特點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)閿嗔秧g性高、焊接性能好，在 航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。鋁硅合金是較早應(yīng)用在 金屬3D打印的材料，其中大部分是關(guān)于激光選區(qū)熔 化A1Sil0Mg粉末的研究，主要用于2219鋁合金焊接 的焊絲材料。鋁及其合金的3D打印材料的Al元素 雖然損失會(huì)比較大，但其硬度與熔積高度并沒(méi)有直接 聯(lián)系，并且金屬零件的硬度會(huì)比退火軋制板還要 高。
鈷鉻合金具有良好的生物相容性、高溫力學(xué)性能 和抗腐蝕性能，主要分為CoCrW和CoCrMo兩大類 合金，其合金零部件，有著強(qiáng)度高、尺寸精確等優(yōu)點(diǎn)。 目前多作為醫(yī)用材料使用，其在用于牙科植入體和 骨科植入體的制造等個(gè)性化定制方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。
以銅、鎳等原料的金屬3D打印將會(huì)得到更大的 發(fā)展。Ren等人。421以銅粉為原料，一種包括石蠟、 低密度聚乙烯、硬脂酸(PW-LDPE-SA)熱塑性有機(jī) 粘結(jié)劑體系，得到燒結(jié)體的最高硬度樣品與工業(yè)純 銅材料的平均硬度非常接近。更加說(shuō)明了其在3D 打印中的可行性。而鎳合金則主要應(yīng)用于零部件的修復(fù)領(lǐng)域。
鎂合金因其阻尼特性和高強(qiáng)度等優(yōu)良性能，在航 空器、汽車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。甚至其強(qiáng)度與 人骨相當(dāng)，在外科手術(shù)中更有應(yīng)用前景，在SLM成形 鎂合金中降低熱影響區(qū)和氧化的影響有著重要意義。 綜上所述，未來(lái)的金屬3D打印材料將朝著以下方向發(fā)展。
(1)現(xiàn)場(chǎng)多機(jī)器人電弧熔絲增材制造。已經(jīng)成為大型高性能復(fù)雜構(gòu)件高效、高質(zhì)量增材制造需求迫切，每種電弧均可對(duì)應(yīng)一種絲材，輕易實(shí)現(xiàn)多維度多梯度材料成形，多束電弧協(xié)同作用，可使單位時(shí)間內(nèi)堆積效率成倍提高，同時(shí)分區(qū)控制，保證大型成形效率的同時(shí)有效避免材料局部熱集中。
(2)發(fā)展多維(材料、尺寸、空間)梯度增材制造技術(shù)。面對(duì)復(fù)雜構(gòu)件服役過(guò)程中各區(qū)域?qū)π阅艿囊蟠嬖诰薮蟛町�，研發(fā)和選用不同組分的金屬材料絲材，將適合材料沉積在適當(dāng)位置，滿足不同區(qū)域?qū)π阅艿囊螅蠓岣邩?gòu)件整體性能及使用壽命。要求材料組分呈現(xiàn)出立體變化，，z軸方向改 變。
(3)發(fā)展模擬技術(shù)及路徑規(guī)劃軟件。研發(fā)基于多自由度流固耦合方法的電弧熔絲增材制造/再制造過(guò)程模擬技術(shù)，可精確模擬金屬材料在熱源作用下移 動(dòng)、軟化、熔化、流動(dòng)、凝固堆積成形全工藝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝參數(shù)下增材制造的可視化仿真，支持電弧增材制造／再制造以及增／減材復(fù)合成形 等工藝。支持多材料多結(jié)構(gòu)的自動(dòng)生成、解析與成形。具備材料／工藝數(shù)據(jù)庫(kù)；支持復(fù)雜能場(chǎng)同步調(diào)控、多材料輸送、動(dòng)態(tài)演示等高級(jí)功能。
(4)減小粉材中雜質(zhì)對(duì)零件性能影響。夾雜物的存在使粉末熔化不均勻，造成最終成形件的內(nèi)部缺陷，此外雜質(zhì)可能會(huì)與基體金屬發(fā)生反應(yīng)，致使基 體金屬性質(zhì)發(fā)生改變。
(5)實(shí)現(xiàn)多環(huán)境增材制造技術(shù)。包括水下、遠(yuǎn)洋艦載、太空等惡劣環(huán)境下對(duì)破損零件原位修復(fù)及快速制造，以保障機(jī)器的正常工作，可有效解決破損 零件替換困難的問(wèn)題，并不拘泥于真空或者無(wú)氧環(huán)境。
4、結(jié)束語(yǔ)
(1)金屬3D打印材料目前主要集中在鈦合金、鋁合金、鐵基合金等領(lǐng)域，其中鈦合金的發(fā)展十分迅猛，但價(jià)格的昂貴嚴(yán)重制約著其推廣。隨著3D打印 技術(shù)的發(fā)展，金屬材料中如銅、鎳、金等不易加工的金屬也得到了快速發(fā)展。
(2)金屬3D打印材料中絲材主要集中在電弧增材制造而粉材則重在激光、電子束，二者區(qū)分較為明顯。 其之間的交叉應(yīng)用如電弧與激光、電弧與電子束等應(yīng)用較少。
(3)金屬材料的3D打印不能僅僅局限在金屬材料的種類，對(duì)同一金屬材料進(jìn)行多樣性研究同樣具有重要意義。
(4)金屬材料的3D打印在軟件開(kāi)發(fā)與模擬技術(shù)等方面有很大的發(fā)展空間，隨著5G時(shí)代的到來(lái)，3D打印的智能化，在未來(lái)必將得到發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]程玉婉，關(guān)航健，李博，等．金屬3D打印技術(shù)及其專用粉末特征與應(yīng)用[J]．材料導(dǎo)報(bào)2017，31：98—101．
[2]關(guān)橋．焊接／連接與增材制造(3D打印)[J]．焊接，2014(5)：1—8．
[3]Wohlers T，Caffrey T．Additive manufacturing：the state ofthe industry[J]．Manufacturing Engineering，2016，156(5)：45—52．
[4]蒲以松，王寶奇，張連貴．金屬3D打印技術(shù)的研究[J]．表面技術(shù)，2018，47(3)：79—81．
[5]Dutta B，F(xiàn)roes F H．Additive manufacturing of titanium alloys[J]．Advanced Materials and Processes，2014，172(2)：18．
[6]趙焰平．金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用的困惑及解析[J]．世界有色金屬，2016(11)：171—172．
[7]柏久陽(yáng)，王計(jì)輝，林三寶，等．鋁合金電弧增材制造焊道寬度尺寸預(yù)測(cè)[J]．焊接學(xué)報(bào)，2015，36(9)：87—90．
[8]雷洋洋，熊俊，李蓉，等．基板厚度對(duì)薄壁件GMA增材制造溫度場(chǎng)的影響[J]．焊接學(xué)報(bào)，2018，39(5)：73—76．
[9]樊建勛．復(fù)合銑削的電弧增材制造路徑規(guī)劃方法與應(yīng)用研究[D]．武漢：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016．
[10]Carrico J D．Leang K K．Fused filament 3D printing of ionicpolymer—metal composites for soft robotics[c]．Electroac—rive Polymer Actuators and Devices，Portland，USA，2017．
[11]黃崇權(quán)，劉奮成，王曉光．CMT電弧增材制造GH4169合金的組織和拉伸性能[J]．精密成形工程，2019，11(4)：89—96．
[12]Yang D，He C，Zhang G．Forming characteristics of thin—wall steel parts by double electrode GMAW based additivemanufacturing[J]．Journal of Materials Processing Technol—ogy，2016，227：153—160．
[13]Qi Z，Cong B，Qi B，et a1．Microstructure and mechanicalproperties of double—wire+arc additively manufactured A1一Cu—Mg alloys[J]．Journal of Materials Processing Technol—ogy，2018，255：347—353．
[14]苗玉剛，曾陽(yáng)，王騰，等．基于BC—MIG焊的鋁／鋼異種金屬增材制造工藝[J]．焊接學(xué)報(bào)，2015，36(7)：5—8．
[15]王立偉，陳樹(shù)君，肖瑁，等．不熔滴主動(dòng)靶向的激光間接電弧復(fù)合增材制造技術(shù)初探[J]．焊接學(xué)報(bào)，2017，38(3)：71—74．
[16]Abele E，Stoffregen H A，Kniepkamp M，et a1．Selectivelaser melting for manufacturing of thin--walled porous ele--merits[J]．Journal of Materials Processing Technology，2015，215：114—122．
[17]Ghani S A C，Zakaria M H，Hamn W S W，et a1．Dimen—sional accuracy of internal cooling channel made by selective laser melting(SLM)and direct metal laser sintering(DMLS)processes in fabrica—tion of intemally cooled cutting
toolsl J 1．MATEC Web of Conferences，2017，90：1—8．
[18]晃艷普，齊樂(lè)華，羅俊，等．金屬熔滴沉積制造中STL模型切片輪廓數(shù)據(jù)的獲取與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]．中國(guó)機(jī)械工程，2009，20(22)：2701—2705．
[19]于菁．電子束3D打印用鋁基材料及其成形性能的研究[D]．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2018．
[20]Venkatesh K V，Nandini V V．Direct metal laser sintering：a digitised metal casting technology[J]．Journal of Indian Prosthodontic Society，2013，13(4)：389—392．
[21]Du Y L，Sun F F，Yuan G．Current status of materials forthree—dimensiona printing[J]．Journal of Xuzhou Institute of Technology，2014，29(1)：20—24．
[22]Udruio R．Powder bed additive manufacturing systems andits applications[J]．Academic Journal of Manufacturing En—gineering，2012，10(4)：122．
[23]Wabe W K，Miklos M，Edgar H，et a1．Direct metal 3Dprinting with submicron resolution using fluid FM[J]．An—nual World Congress of Advanced Materials，Xi’an，China，2017：83—85．
[24]Fafenrot S，Grimmelsmann N，Wortmann M．Three—dimen—sional(3D)printing of polymer-metal hybrid materials by fused deposition modeling[J]．Materials，2017，10：1—14．
[25]Scheithaner U，PiJtschke J，Weingarten S，et a1．Droplet—basedadditive manufacturing of hard metal components by thermo—plastic 3D printing(T3DP)[J]．Journal of Ceramic Science and Technology，2017，8(1)：155—160．
[26]李勝男，熊華平，陳冰清，等．激光3D打印方法制備N(xiāo)b／SiC體系梯度材料的微觀組織及反應(yīng)機(jī)理[J]．焊接學(xué)報(bào)，2016，37(2)：1—4．
[27]Chua Z Y，Ahn I H，Moon S K．Process monitoring and in—spection systems in metal additive manufacturing：status and applications[J]．International Journal of Precision Engi—neering and Manufacturing—Green Technology，2017，4(2)：235—245．
[28]Strong D，Sirichakwal I，ManogharaB G P，et a1．Current stateand potential of additive—hybrid manufacturing for metal parts[J]．Rapid Prototyping Journal，2017，23(3)：577—588．
[29]楊義成，黃瑞生，曹浩，等．YAG激光與同軸輸送粉末顆粒相互作用過(guò)程研究[C]．遼寧大連：第二十二次全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議，2018．
[30]黃升平，鐘飛，張曉春，等．電網(wǎng)鋁合金3D打印產(chǎn)品性能研究[J]．廣東電力，2018，31(2)：114—115．
[31]Yu H Z，Jones M E，Brady G W．Non-beam-based metaladditive manufacturing enabled by additive friction stir depo—sition[J]．Seripta Materialia，2018，153：122—131．
[32]王桂蘭，吳圣川，張海鷗．復(fù)雜零件等離子熔積無(wú)模成形的溫度場(chǎng)模擬[J]．焊接學(xué)報(bào)，2007，28(5)：49—52．
[33]張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍，等．3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J]．材料工程，2016，44(2)：122—128．
[34]耿海濱，熊江濤，黃丹，等．絲材電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]．焊接，2015(11)：17—21．
[35]Edmonds H C，Harris R A．The effect of electro—dischargema-·chinedsonotrode topology on interlaminar bonding in ul·-trasonic consolidation[C]．Behavior and Mechanics of Mul—tifunctional Materials and Composites，Sandiego，USA，2011．
[36]潘龍威，董紅剛．焊接增材制造研究新進(jìn)展[J]．焊接，2016(4)：27—32．
[37]余文燾．金屬粉末直接激光燒結(jié)致密化理論及其驗(yàn)證[D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007．
[38]Ahn D G．Applications of laser assisted metal rapid toolingprocess to manufacture of molding&forming tools state of the art[J]．International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2011，12(5)：925—938．
[39]譚麗斌，余心宏．3D打印技術(shù)在金屬成形領(lǐng)域的應(yīng)用和展望[J]．精密成形工程，2015，7(6)：58—64．
[40]Krueger H．Standardization for additive manufacturing in aerospace[J]．Engineering，2017，3(5)：585．
[41]邢希學(xué)，潘麗華，王勇，等．電子束選區(qū)熔化增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀分析[J]．焊接，2016(7)：22—26．
[42]Ren L Q，Zhou X L，Song Z Y，et a1．Process parameter op—timization of extrusion··based 3D metal printing utilizing PW·-LDPE—SA binder system[J]．Materials，2017，10(3)：305—310．
[43]史玉升．電弧絲材增材制造技術(shù)現(xiàn)狀[R]．2019年全國(guó)堆焊再制造技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告，銀川，2019．第一作者簡(jiǎn)介
段宣政，1991年出生，碩士研究生；主要從事先進(jìn)連接與增材制造技術(shù)的研究。
通信作者簡(jiǎn)介
趙菲，1982年出生，博士，副教授；主要從事重型裝備機(jī)器人連接技術(shù)的研究；已發(fā)表論文30余篇。