3D打印又稱(chēng)“增材制造”，美國材料與試驗協(xié)(xié)會(huì )（ASTM）F42國際委員會(huì )將其明確定義為“采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)(shù)沉積材料來(lái)制造物體的技術(shù)(shù)”。因此，3D打印是一類(lèi)制造技術(shù)(shù)的總稱(chēng)，從內(nèi)涵至外延包含了廣泛的原材料應(yīng)用和增材工藝方法。自1892年基于疊層制造原理的立體地形模型制造專(zhuān)利發(fā)(fā)布起，3D打印技術(shù)(shù)的原始創(chuàng )(chuàng)新活動(dòng)蓬勃發(fā)(fā)展，近30年來(lái)國內(nèi)外大量學(xué)(xué)者將增材工藝與數(shù)字化制造技術(shù)(shù)結(jié)合起來(lái)，并進(jìn)一步深化了基礎(chǔ)理論體系，真正將3D打印發(fā)(fā)展成為一種可以工業(yè)(yè)化應(yīng)用的技術(shù)(shù)門(mén)類(lèi)。金屬零部件是工業(yè)(yè)體系中占比最大、應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)(chǎn)品類(lèi)型，隨“工業(yè)(yè)4.0”進(jìn)程的加快，快速開(kāi)發(fā)(fā)、定制化制造、輕量化等需求面臨著(zhù)緊迫的壓力。而3D打印技術(shù)(shù)具備成自由形度高、用材范圍廣、制件性能優(yōu)(yōu)異及制造環(huán)(huán)節(jié)少的特點(diǎn)，很好地契合了金屬零部件產(chǎn)(chǎn)品的未來(lái)發(fā)(fā)展趨勢，并已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用性階段。

現(xiàn)階段，3D打印技術(shù)(shù)并不是完全以單一技術(shù)(shù)應(yīng)用的方式服務(wù)(wù)于金屬零部件制造領(lǐng)(lǐng)域，按照其在金屬零部件成形過(guò)程中的作用來(lái)分類(lèi)，服務(wù)(wù)方式可大致劃分為間接制造、直接制造和組合制造方式。多模式的應(yīng)用方式有效兼顧了金屬零部件產(chǎn)(chǎn)品的制造成本和使用價(jià)值，并擴大了3D打印技術(shù)(shù)在工業(yè)(yè)領(lǐng)(lǐng)域的應(yīng)用空間。

一、間接制造現(xiàn)狀及其發(fā)(fā)展趨勢

鑄造成形是獲得金屬零部件的一種重要而又廣泛的技術(shù)(shù)方式，在傳統(tǒng)的鑄造工業(yè)(yè)中大多包含模具制造的工序，而模具設(shè)計、開(kāi)發(fā)(fā)和修正是一個(gè)漫長(cháng)而昂貴的過(guò)程，3D打印技術(shù)(shù)中的快速原型（RapidPrototyping）技術(shù)(shù)可以有效解決這一問(wèn)題而獲得大量應(yīng)用。其中，代表性的技術(shù)(shù)包括選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）、激光立體光固化（SLA）和樹(shù)脂微滴噴射（3DP）技術(shù)(shù)。采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(shù)可以省去模具制造過(guò)程，直接用來(lái)制作酚醛樹(shù)脂覆膜砂鑄型、熔模芯殼等產(chǎn)(chǎn)品，用于澆注金屬零部件產(chǎn)(chǎn)品；激光立體光固化技術(shù)(shù)是通過(guò)特定波長(cháng)的激光光束來(lái)固化光敏樹(shù)脂的成形方式，具備成形自由度高、制件粗糙度低、尺寸精度好的特點(diǎn)，用來(lái)制作剛性高分子模具，強度可達50MPa，適用于呋喃樹(shù)脂砂、水玻璃砂及潮模砂的砂型翻模制造，模具壽命和尺寸精度水平可滿(mǎn)足小批量鑄造產(chǎn)(chǎn)品的生產(chǎn)(chǎn)，且制造時(shí)間和成本低于傳統(tǒng)金屬模具；樹(shù)脂微滴噴射技術(shù)(shù)采用陣列噴頭動(dòng)態(tài)(tài)控制的方式，獲得了較快的面層掃描速度，適用于呋喃樹(shù)脂自硬砂型的高效率制造。

覆膜砂型的激光燒結(jié)機理和應(yīng)用技術(shù)(shù)已基本完善，我國最早開(kāi)展選取激光燒結(jié)覆膜砂研究的機構(gòu)有華中科技大學(xué)(xué)、西安交通大學(xué)(xué)等高校，國內(nèi)此類(lèi)設(shè)備的開(kāi)發(fā)(fā)、銷(xiāo)售企業(yè)(yè)主要有武漢濱湖機電技術(shù)(shù)產(chǎn)(chǎn)業(yè)(yè)有限公司、北京易加三維科技有限公司和北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司，上述3個(gè)公司的設(shè)備在鑄造企業(yè)(yè)和科研院所裝機量最大，應(yīng)用也最為廣泛。

美國Exone公司和德國Voxeljet公司是樹(shù)脂微滴噴射技術(shù)(shù)商業(yè)(yè)化應(yīng)用的推動(dòng)者和領(lǐng)(lǐng)導(dǎo)者；國內(nèi)，廣東峰華卓立科技股份有限公司推出了相似的技術(shù)(shù)裝備，并實(shí)現(xiàn)了原材料的開(kāi)源使用，具有較高的使用性?xún)r(jià)比體驗，已實(shí)現(xiàn)在國際、國內(nèi)鑄造企業(yè)(yè)的銷(xiāo)售；寧夏共享集團購置了多臺套Exone設(shè)備用于智能鑄造生產(chǎn)(chǎn)線(xiàn)的搭建，并開(kāi)展了原材料和裝備國產(chǎn)(chǎn)化的工作，已實(shí)現(xiàn)大型化呋喃樹(shù)脂微滴噴射3D打印機的穩(wěn)定運行。

上述快速原型技術(shù)(shù)的成熟度水平已完全滿(mǎn)足鑄型的快速開(kāi)發(fā)(fā)需求，設(shè)備、原材料銷(xiāo)售和技術(shù)(shù)服務(wù)(wù)正處于市場(chǎng)爆發(fā)(fā)期，如中國中車(chē)、廣西玉柴機器集團有限公司、江淮汽車(chē)等大型的裝備制造企業(yè)(yè)均已建立起了基于3D打印技術(shù)(shù)的砂型快速制造服務(wù)(wù)單元，行業(yè)(yè)內(nèi)面向鑄件快速開(kāi)發(fā)(fā)服務(wù)(wù)的小型公司也在逐漸增多。

值得注意的是，目前的快速原型技術(shù)(shù)是通過(guò)省去或節(jié)省模具開(kāi)發(fā)(fā)時(shí)間來(lái)加快鑄造產(chǎn)(chǎn)品開(kāi)發(fā)(fā)速度，僅適合于多品種、小批量鑄件產(chǎn)(chǎn)品開(kāi)發(fā)(fā)和鑄造工藝快速定型，尚不能與傳統(tǒng)鑄造工業(yè)(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)(chǎn)模式相競爭。從目前的技術(shù)(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用案例來(lái)看，各種服務(wù)(wù)于鑄型開(kāi)發(fā)(fā)的3D打印技術(shù)(shù)各有利弊。選擇性激光燒結(jié)覆膜砂技術(shù)(shù)的設(shè)備價(jià)格較合理，獲得的覆膜砂鑄型適用范圍較廣，可廣泛應(yīng)用于鑄鋼、鑄鐵及有色合金鑄造領(lǐng)(lǐng)域，但制造效率較低；激光立體光固化技術(shù)(shù)獲得的鑄造模具在強度和壽命方面還不能與傳統(tǒng)金屬材質(zhì)(zhì)模具相競爭，且高溫性能差的特性限制了其在覆膜砂型熱成形工藝上的應(yīng)用；樹(shù)脂微滴噴射技術(shù)(shù)雖然效率相對較高，但核心器件陣列噴頭的壽命較短，更換成本高，且僅適用于呋喃樹(shù)脂砂作為原材料，難以滿(mǎn)足高品質(zhì)(zhì)鑄件生產(chǎn)(chǎn)要求。

筆者認為，鑄型的適用范圍和設(shè)備制造效率能否有效兼顧，是影響3D打印技術(shù)(shù)在鑄造批量化生產(chǎn)(chǎn)模式中獲得應(yīng)用的關(guān)(guān)鍵因素。目前，可動(dòng)態(tài)(tài)關(guān)(guān)閉的大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)(shù)已實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)(zhì)性突破，未來(lái)各研究機構(gòu)和制造企業(yè)(yè)會(huì )開(kāi)發(fā)(fā)出陣列掃描燒結(jié)酚醛覆膜砂材料的設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)低維護成本下寬幅應(yīng)用砂型的高速制造，能真正使 3D 打印成為傳統(tǒng)鑄造的必備工序。

二、直接制造現(xiàn)狀及其發(fā)(fā)展趨勢

對于一些采用傳統(tǒng)工藝難以成形、性能要求高及使用工況特殊的金屬零部件產(chǎn)(chǎn)品，通常也具備較高的技術(shù)(shù)成本價(jià)值，目前已開(kāi)始采用3D打印直接制造的方式開(kāi)發(fā)(fā)并生產(chǎn)(chǎn)。得益于精密數(shù)控加工技術(shù)(shù)、激光器技術(shù)(shù)和高速振鏡技術(shù)(shù)的協(xié)(xié)同進(jìn)步，采用激光、電子束、電弧等高能束熔化金屬粉材、線(xiàn)材的方式，可直接按照產(chǎn)(chǎn)品的設(shè)計三維圖紙生產(chǎn)(chǎn)出兼顧復(fù)雜形狀和高性能的金屬零件產(chǎn)(chǎn)品。

目前已獲得實(shí)際應(yīng)用的直接制造金屬零部件3D打印技術(shù)(shù)包括激光立體成形技術(shù)(shù)（LDM）、選擇性激光熔化技術(shù)(shù)（SLM）、選擇性電子束熔化技術(shù)(shù)（SEBM）等，產(chǎn)(chǎn)品材質(zhì)(zhì)范圍涵蓋鈦合金、高溫合金、有色合金、高強鋼等系列牌號。其中，激光立體成形技術(shù)(shù)采用了光束同步送粉的方式，逐點(diǎn)快速熔化堆積金屬粉材，可制作大型的金屬零部件產(chǎn)(chǎn)品，國內(nèi)對此項技術(shù)(shù)的研究和應(yīng)用等同、甚至部分超越國外技術(shù)(shù)水平。西北工業(yè)(yè)大學(xué)(xué)黃衛(wèi)東教授團隊基于自主知識產(chǎn)(chǎn)權(quán)的技術(shù)(shù)和設(shè)備開(kāi)發(fā)(fā)出了鈦合金中央翼緣條制件，最大尺寸3.07m，最大變形量小于0.8mm，已成功應(yīng)用于C919客機樣機測試階段，綜合評價(jià)達到了鍛件的力學(xué)(xué)性能、疲勞強度和斷裂韌性等要求，且力學(xué)(xué)性能一致性水平遠高于美國波音公司制造施工標準；AirBus公司與西北工業(yè)(yè)大學(xué)(xué)簽署合作協(xié)(xié)議，以期望開(kāi)展對激光立體成形技術(shù)(shù)制造大型鈦合金構(gòu)件的系統(tǒng)論證工作；目前GE公司正在依托西北工業(yè)(yè)大學(xué)(xué)進(jìn)行復(fù)合材料寬弦風(fēng)(fēng)扇葉片鈦合金和高溫合金進(jìn)氣邊激光立體成形工藝方案的優(yōu)(yōu)化和驗證工作。北京航空航天大學(xué)(xué)王華明院士團隊重點(diǎn)研究了飛機大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光立體成形技術(shù)(shù)，2013年展出的鈦合金主承力加強框相比鍛造成形的材料利用率提高5倍，制造周期縮短2/3，制造成本降低1/2，多種型號產(chǎn)(chǎn)品已在多個(gè)國產(chǎn)(chǎn)軍用機型中獲得應(yīng)用。

選區(qū)激光熔化和選區(qū)電子束熔化是通過(guò)能量束來(lái)熔化粉床的層面區(qū)域，實(shí)現(xiàn)金屬粉末的逐層熔化—凝固成形的技術(shù)(shù)，適用于小型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零部件產(chǎn)(chǎn)品的直接制造。在選取激光熔化技術(shù)(shù)方面，德國EOS公司、ConceptLaser公司、SLMSolution公司在技術(shù)(shù)應(yīng)用和設(shè)備開(kāi)發(fā)(fā)方面處于世界領(lǐng)(lǐng)先地位；在國內(nèi)，華中科技大學(xué)(xué)曾曉雁團隊通過(guò)自主開(kāi)發(fā)(fā)的技術(shù)(shù)和裝備首先開(kāi)創(chuàng )(chuàng)了航天金屬零部件應(yīng)用選區(qū)激光熔化技術(shù)(shù)的先例，西北工業(yè)(yè)大學(xué)(xué)相繼開(kāi)展了選區(qū)激光燒結(jié)設(shè)備和核心技術(shù)(shù)開(kāi)發(fā)(fā)工作，并孵化成立了西安鉑力特增材技術(shù)(shù)股份有限公司，目前已發(fā)(fā)展成為國內(nèi)最大的金屬增材制造綜合性服務(wù)(wù)企業(yè)(yè)，各型設(shè)備的綜合性能指標接近德國EOS設(shè)備水平，并實(shí)現(xiàn)了向歐洲航空制造企業(yè)(yè)的多臺套銷(xiāo)售，產(chǎn)(chǎn)品服務(wù)(wù)范圍涉及航空、航天、教育、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)(lǐng)域。在選區(qū)電子束熔化方面，瑞典Arcam公司是技術(shù)(shù)裝備領(lǐng)(lǐng)先者，國內(nèi)西北有色金屬研究院已購置其設(shè)備并開(kāi)展了相關(guān)(guān)成形技術(shù)(shù)研究工作。

直接制造金屬零部件的3D打印技術(shù)(shù)，充分發(fā)(fā)揮了金屬熔體在遠離平衡態(tài)(tài)凝固過(guò)程中晶粒細化、溶質(zhì)(zhì)偏析傾向小的作用，可獲得細密均勻的基體組織，并使金屬零部件呈現(xiàn)出良好的力學(xué)(xué)性能；此外，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計理念中的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、拓撲優(yōu)(yōu)化技術(shù)(shù)可以通過(guò)3D打印的自由成形能力得到充分發(fā)(fā)揮，極大提高金屬制件的輕量化水平。這些優(yōu)(yōu)勢的協(xié)(xié)同作用為3D打印的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，已在航空、航天等高端裝備的極致輕量化和高可靠性部件上獲得了大量應(yīng)用，此外，隨金屬粉材牌號、規(guī)格的不斷擴展和設(shè)備核心器件的價(jià)格持續(xù)降低，直接制造金屬零部件3D打印技術(shù)(shù)的應(yīng)用成本正在趨近于合理的區(qū)間。軌道交通、船舶等民用高端裝備產(chǎn)(chǎn)品具備與航空、航天產(chǎn)(chǎn)品相似的批量特點(diǎn)，并包含自身特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和輕量化、安全性指標需求，將會(huì )為選擇性激光熔化技術(shù)(shù)、激光立體成形技術(shù)(shù)提供新的應(yīng)用空間。

三、組合制造現(xiàn)狀及其發(fā)(fā)展趨勢

將金屬零部件的傳統(tǒng)成形方式與3D打印直接制造方式結(jié)合起來(lái)，就延伸出了組合制造方式，目前已見(jiàn)報道的方式主要有：鑄造與激光立體成形技術(shù)(shù)的組合、鍛造與激光立體成形技術(shù)(shù)的組合和激光立體成形技術(shù)(shù)與切削加工的組合。國內(nèi)，西北工業(yè)(yè)大學(xué)(xué)于2005年在我國首臺推重比10航空發(fā)(fā)動(dòng)機后機匣制造中采用了鑄造+激光立體成形組合技術(shù)(shù)，該產(chǎn)(chǎn)品下部規(guī)則形狀區(qū)域采用了In961合金鑄造成形，上部復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域采用GH4169鎳基高溫合金激光立體成形完成，并通過(guò)裝機考核；2009年，美國的Optomec Design公司采用激光立體成形技術(shù)(shù)對軍用飛機T700鍛造葉盤(pán)進(jìn)行了修復(fù)，并通過(guò)了軍方的振動(dòng)疲勞驗證試驗；20世紀90年代后期，一項日本的大學(xué)(xué)和工業(yè)(yè)界的聯(lián)(lián)合研究項目將激光立體成形與數(shù)控機床結(jié)合，并推出了最早的商業(yè)(yè)化設(shè)備，即Matsuura公司的LUMEX Avance-25，如今Mazak、DMG、Trumpf等世界領(lǐng)(lǐng)先的精密機床制造企業(yè)(yè)已判斷出未來(lái)市場(chǎng)的巨大需求，分別推出了自己的激光立體成形+數(shù)控切削商業(yè)(yè)設(shè)備并開(kāi)始銷(xiāo)售。組合制造方式在一定程度上降低了3D打印直接制造金屬零部件的成本區(qū)間，并克服了難成形材料的傳統(tǒng)制造局限，為金屬零部件的增材制造開(kāi)辟了一條新的途徑，有望在民用領(lǐng)(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

相對于鑄造、鍛壓、焊接及機械切削等傳統(tǒng)的金屬零部件成形技術(shù)(shù)，3D打印技術(shù)(shù)應(yīng)用于工業(yè)(yè)領(lǐng)(lǐng)域的時(shí)間尚短，最早圍繞需求開(kāi)展的研究和應(yīng)用活動(dòng)也大多集中于航空、航天等高價(jià)值產(chǎn)(chǎn)品領(lǐng)(lǐng)域，高昂的制造成本使普通民用領(lǐng)(lǐng)域望而卻步，但其具備的自由成形、近凈成形和制件高性能的特點(diǎn)卻是傳統(tǒng)成形工藝所無(wú)法比擬的，這也是在經(jīng)(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、工業(yè)(yè)結(jié)構(gòu)升級的歷史發(fā)(fā)展趨勢下，3D打印技術(shù)(shù)被世界各工業(yè)(yè)強國競相逐力、重點(diǎn)發(fā)(fā)展的根本原因所在。3D打印技術(shù)(shù)自身也是一個(gè)廣泛的技術(shù)(shù)門(mén)類(lèi)，相對成熟的分項技術(shù)(shù)正在通過(guò)改型和轉(zhuǎn)化方式向現(xiàn)有工業(yè)(yè)體系融合，各種新型的高性?xún)r(jià)比、高效率3D打印技術(shù)(shù)模式也在持續(xù)開(kāi)發(fā)(fā)之中，未來(lái)，通過(guò)科學(xué)(xué)技術(shù)(shù)領(lǐng)(lǐng)域?qū)W者和工程應(yīng)用領(lǐng)(lǐng)域從業(yè)(yè)者的深入?yún)f(xié)作，3D打印技術(shù)(shù)一定可以在新工業(yè)(yè)體系下形成多層面、多維度的應(yīng)用格局。

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)(wǎng)