3D金属打印技术在制造业中的研究及发展

2021-07-20张晓冬刘金平吴闯马明豪廖静瑜陈鹏

金属加工(热加工) 2021年7期

张晓冬，刘金平，吴闯，马明豪，廖静瑜，陈鹏

核工业工程研究设计有限公司北京 102401

1 序言

3D打印技术也称增材制造技术（Additive Manufacturing，AM），在过去的几十年中，3D打印已从快速生产功能原型进化到制造一些无法通过其他方式加工的零部件的技术手段，与其他生产制造方式相比，3D打印更便捷，更经济。3D打印从数字绘图开始，通过金属逐层沉积形成三维组件。常见的增材制造方式主要包括粉末床融合技术（PBF）及直接能量沉积技术（DED），不锈钢、铝、钛和镍合金的打印就是依靠此技术实现的[1-4]。3D打印所需原料通常由激光束、电子束或电弧熔化为金属粉末或金属丝[1，2]。3D打印也可以通过改变不同沉积层中的金属成分来生产由多种合金组成的金属零部件[1]。

目前，3D金属打印已广泛应用于航空航天、医疗保健、能源、汽车、船舶以及其他行业[5-8]，其在各行业的分布情况如图1所示。3D金属打印技术能够使用同一设备，在较短的交货期限内，生产制造出不同的产品[2]，并且能够按需进行定制生产，比如在医疗保健领域患者专用的医疗植入物以及用于安全运行核电站的金属叶轮[2]。3D金属打印技术可将多个组件整合为一个组件，在减少零件数量方面具有良好的投资回报率，并能够维持一些供应链不再存在的传统产品[5，9]。

图1 3D金属打印在各行业中的应用及分布

由于3D金属打印在各行业中具有良好的可行性，能够打印结构特殊的组件，以及具有克服当前制造工艺缺陷的潜力，因此该技术已成为目前增材制造领域增长最快的行业[10]。近年来，3D金属打印设备销量的快速增长情况[10]，也证明了用户数量的增加（见图2）。统计2019年前五年授予的专利可用数据中也可以明显看出，3D金属打印行业的快速发展，数据于2019年2月14日从谷歌专利处收集，如图3所示。全球3D金属打印专利总数与其他广泛使用的制造工艺技术专利数量相当，表明3D打印在可预见的未来将继续增长。

图2 3D金属打印设备销量

图3 不同制造工艺的专利数量

像所有新兴技术一样，3D金属打印也面临着许多挑战。与其他相对更成熟和更常见的制造方法相比，3D打印产品目前的规模较小[11]。该技术需要进一步提高其生产率、质量控制以及可重复性[4]。3D打印技术在学术活动以及工业活动中所解决的基本原理问题或技术问题中的相关成果表明，科学论文主要来自于大学和国家实验室，而大多数专利归公司所有。论文主要描述其基本原理，基本上没有经济和技术方面的分析，对于实际应用来说往往过于抽象，而在工业上的创新大多数选择不发表，以此来保障自身利益。3D打印行业的需求与正在进行的研究以及发展之间的鸿沟亟待解决，因此更好地理解对待科学、技术和经济问题，便于找到潜在的解决方案。

2 科学挑战

科学上的挑战主要来自于3D金属打印中存在的不同的加工条件和复杂的热循环，以及它们对微观结构的特征和缺陷的作用，是否会影响到部件的属性及性能尚未可知。

2.1 工艺-微观结构-属性-性能之间的关系

由于3D打印工艺方法、加工参数较多，且金属组件的结构、属性以及性能具有多样性，因此导致目前正在研究的商业合金的加工与微观结构、属性、性能之间的关系进展缓慢。需要指出的是，经过数十年的持续研究和开发，才为主要合金的焊接创建了工艺-微观结构-性能之间的关系知识库[12]。为了满足增材制造行业的需求，在未来几十年仍需对其进行类似的深入研究。

2.2 微观结构的控制

与铸造或锻造材料相比，较快的冷却速度和空间变化的温度梯度使3D打印材料的微观结构变得复杂[1]。打印的金属制品通常显示出高位错密度、元素偏析、精细的凝固组织和细长的晶粒现象[1]。理解和控制微观结构打印的演变过程便于定制组件的微观结构[1，2]，以实现传统工艺无法实现的性能组合，打印出既具有高强度又具有良好延展性的金属制品[13]。

2.3 缺陷演化及其对性能的影响

打印部件中的缺陷源于原子到宏观尺度[1，14]，并在很大程度上影响着部件的力学性能[14]。目前，已知的未熔合缺陷会对拉伸性能产生不利影响，高残余应力可能导致部件的翘曲、屈曲和分层现象[9]，并对疲劳性能不利，表面不规则性可能是导致部件应力集中的原因，并且可能会使其过早失效。然而，在复杂的金属打印热循环过程中，缺陷的形核和增长机制尚未被完全理解，仍需深入研究，不同缺陷在晶体塑性、断裂和疲劳中所起的作用还有待充分探讨[1]。此外，由于微观结构、应力和温度的综合影响，有必要提高对各种热裂纹现象的深入研究。

2.4 凝固组织的特征

对于给定的合金，凝固形态和所产生的力学性能会受到局部温度梯度G和凝固生长速率R的比率的影响，这取决于打印技术和工艺参数的变化。有研究表明，不同的打印工艺制造出的不锈钢凝固组织具有惊人的差异。凝固过程中的冷却速率取决于合金、增材制造技术和工艺条件，进而控制凝固组织的特征。例如热输入量，随着热量的输入，冷却速率可呈现5个数量级变化[11]。G和R的时空变化和重复的热循环的多样性为理解打印金属的凝固组织的发展提出了不寻常的挑战。

2.5 晶粒结构、拓扑和质地的演变

通常在打印部件中形成的柱状晶粒会显著降低其力学性能[1，15]。目前，对增材制造过程中晶粒结构和拓扑结构演变的基本了解处于初始阶段，对使用晶粒细化剂[15]以及控制热流方向[1]的柱状晶粒分解机理的理解也才刚刚开始。在不锈钢和铝合金的粉末床融合-激光（PBF-L）制造中已观察到微观结构组织的各向异性的性质[16]。但是，这种各向异性对产品性能的影响尚不太明确，因此在这一领域需要投入更多的工作，尤其在复杂的载荷下，微观结构的各向异性可能会对产品性能带来重大风险[1]。

3 技术挑战

除了前面所述的科学问题之外，金属增材制造行业在工业中的广泛应用也面临着严峻的技术挑战。

3.1 鉴定和认证

目前，零件鉴定主要通过试错法来实现，这种暴力的方法阻碍了零件快速准确的鉴定。构建、分段、测试和表征组件的过程是费时、费力且成本昂贵的。与成熟的制造技术（如铸造、机加工和焊接）相比，金属打印主要受限于高成本和缓慢的鉴定过程，仅对于利基市场而言，高成本和缓慢鉴定过程的挑战并不是其主要考虑因素[11]。

3.2 几何限制和复杂性

每台打印设备的产品尺寸，几何形状和原料的局限性都会影响组件的构建。粉末床融合工艺（PBF）的产品尺寸受粉末床尺寸的限制，而高沉积率的工艺则没有此项限制，例如基于丝状的气体保护金属极电弧或等离子弧的直接能量沉积工艺（DED），并且该工艺能够形成大型结构[5，9]。这种基于丝状的打印方法具有良好的经济优势，投资成本低廉，经认证的可焊焊丝原料有多个供应商，每单位体积的焊丝成本相比粉末较低。但是，该工艺在特征分辨率和表面粗糙度方面存在局限性，可能需要付出大量努力才能得到进一步的改进[2]。此外，用于打印的复杂几何形状的零件设计可能需要设计相应的支撑结构，而支撑结构则包括了额外的材料使用和后期的加工处理[17]。复杂的几何形状也对打印产品的无损评估提出了独特的挑战，尤其是具有内部特征和栅格结构的几何形状复杂零件[9]。因此，金属打印的零件设计要充分考虑其几何形状、产品属性、可制造性以及制造成本[17]。

3.3 制造规模扩大

从小型零件到大型、复杂的组件，扩大制造的规模是一项艰巨的任务[4]，因为它受相关机器零件尺寸和几何形状的限制。此外，相关尺寸的工艺参数调整、扫描方法及支撑结构取决于专用的打印设备和零件设计[9]。规模扩大限制了制造产量、批次的加工速度与生产率。3D打印的热机械复杂性面临形变、残余应力和开裂的风险，由于在常用的机械测试中使用简单试样，因此这些风险并不总是显而易见的。

3.4 工艺设计和打印顺序

目前，关于实体模型在空间的构建，支撑结构的创建，特定组件过程变量的选择以及扫描模式的取向规范都不基于任何严格的原则[9]。部件的几何形状往往需要不断优化，便于减少支撑结构额外材料的使用[18]。尽管人工智能技术正在兴起[19]，但大多数情况下，几何优化仍需通过反复试验来实现。不同的供应商可能使用不同的预编程方法、扫描模式、构建次序、软件系统和工艺方法来支持用户无法控制的加工过程和产品设计[2]。零件属性可以在打印期间就地检测，甚至可以检测是否偏离其设计规范[2]。不断改善打印加工过程的监测和控制，以确保加工产品的精度[2，9]。

3.5 后期处理

拆除支撑结构和基板，进行表面清洁、热等静压、机加工、涂层和热处理等后期处理均增加了制造成本[20]。后期处理的需求取决于增材制造工艺、合金系统以及零件设计[2，9]。如选用直接能量沉积（DED）-气体保护金属极电弧（GMA）技术生产的零件通常需要后期机加工处理，来降低表面粗糙度值和尺寸公差[1]。与铸造或锻造产品相比，由于打印材料对热和化学后处理的反应不同，导致打印金属部件后期处理也具有明显差异[2]。目前，对打印金属部件焊接和连接的研究仍处于初级阶段。

3.6 安全和健康风险

处理粉末原料和操作打印设备时都应特别注意。粉末原料是火灾或爆炸的潜在来源[21]。最危险的物质之一是凝结物，如过滤器中高表面积的细小颗粒，它是液态金属的蒸发和凝结所致，因此更换过滤器就成为打印机操作中最危险的部分[21]。使用高功率密度的热源而形成的飞溅物也有助于在腔室中沉积细金属颗粒[1]。激光、电子束或电弧之类的热源具有高能量密度，因此危险性较大。在进行打印制造过程中，操作人员应使用适当的护目镜以防激光辐射，同时需采取适当的预防措施来处理、加工和回收大量的AM细粉。超细合金粉末原料会严重影响眼睛和呼吸系统，并可能引起哮喘等疾病[22]。对于使用焊丝作为原料的直接能量沉积工艺（DED），其健康危害与焊接领域中已知的危害相似。尤其是看似无害的合金，如不锈钢，其可能含有镍和铬成分，其中镍和铬都是已知的致癌物[23]。众所周知，焊接烟雾和颗粒物也会引起免疫系统功能障碍，并引起焊工上下呼吸道感染，导致其安全和健康受到威胁。

4 经济挑战

除所述科学和技术问题外，当前和未来增材制造行业所面临的挑战还包括经济挑战。

4.1 成本竞争力

受产品数量和复杂性影响的3D金属打印行业，使其制造成本评估优于传统制造方法[20]。在传统制造中，如铸造或机加工，其成本主要由原材料、设备、工具、零件复杂性以及订单数量产生[20，24]。如果只制造少量零件，则由于设备和设定的初期投资导致单位成本较高，但随着产品数量的增加，在产品之间分配的高额的设定成本将会降低[24，25]。由于增材制造工艺不需要为新零件支付任何额外的设定和工具成本，因此每件零件的成本不会随产品数量的变化而发生显著变化[25]。同时，3D金属打印技术的经济可行性并不取决于最小订单量，打印零件的成本主要由金属打印设备、原材料、制造和间接成本产生[24，25]。根据文献数据[24，26-28]，比较了粉末床融合-激光（PBF-L）技术制造的各种组件的材料和制造成本，结果表明，对于多种工程合金而言，与机器耗时以及后处理相比，用于3D金属打印的原料并不是成本的主要来源。

增材制造技术在很多情况下不需要复杂的工具就可以打印复杂零件，而传统制造通常需要组装较小的零件。但是，在某些情况下，零件的复杂性会增加打印材料以及制造成本，如某些零件由于其结构的特殊性，需要构建相应的支撑结构，且支撑结构通常采用悬垂设计，因此在打印制造完成后需要通过锤击和研磨表面切屑将其支撑结构除去。而支撑结构所需的额外材料和后处理所需的时间都增加了制造成本。由于几何形状复杂，在铸造或锻造不可行的情况下，采用3D金属打印技术，即使成本较高也是合理的[29]，但是在某些情况下，提高系统性能，减少零件数量或产品重量，也可能抵消产品成本[2]。

4.2 3D金属打印市场份额低

3D打印产品的市场价值升至73亿美元，但仅占全球制造业经济的0.06%[10]。设施升级所需的高昂的资金和运营成本、原料成本、安全实践及培训成本，总体超出了传统制造中的标准水平，这也是通常限制中小型企业采用3D打印技术的关键因素[20]。3D金属打印市场渗透和增长的当前状态是随着技术的发展而发展的，这也是其发展优势。

4.3 标准的需要

国际标准化组织（ISO）、美国试验材料学会（ASTM）和美国汽车工程师学会（SAE）等许多知名组织正在制订合格金属打印部件的标准[11]。遵守标准的责任取决于不同的组织，具体取决于特定的工业部门。在美国，联邦航空管理局负责航空航天工业的认证，而食品药品管理局则监管生物医学行业。当前标准的制订发展缓慢，主要是面临着在大型多参数操作窗口中，生产无缺陷、结构合理且可重复零件的挑战。打印机制造商、原料供应商及用户将在适应和使用此标准方面发挥重要作用[2，3]。

4.4 原料兼容性

目前，只有少数几种商业合金能可靠地用于3D打印制造行业[15]，许多其他潜在的用于打印的合金尚未经过测试或尚不能作为打印原料而使用[11]，同时金属打印还需要针对特定的打印工艺专门研发新的合金材料[17]。由于缺乏可用的打印原料，金属打印制造也具有成分等级，打印贵金属和熔点很高的金属组件也具有一定的挑战性。因此，将新材料用于3D打印通常需要强大的业务案例来支付对产品进行测试和鉴定的费用[20]。

4.5 知识产权和网络安全

随着基础专利的到期，知识产权格局迅速地发生变化，这使得更多的公司进入打印市场。但是，打印制造方法及其子系统的后续专利仍可以使设备具有独特性，并且由实体模型定义的组件可能与另一个系统上制造的组件不匹配。此外，数字设计和生产工具的快速发展对数据和网络安全也带来了新的风险[29]。

4.6 缺乏经验和培训

金属打印行业的新兴性质极大地受益于先进的计算机控制技术，该技术将焊接工程师、操作员和冶金学家在该过程中的传统角色所占比重降至最低。对金属打印行业来说，交钥匙机器在制造领域吸引了全新的劳动力来源。但是，这种趋势的不利之处在于，许多新人才没有受过焊接或冶金学的基础教育，这些知识的缺乏会导致反复试验的开发时间显著增加，并且制造组件的可靠性降低。此外，由于缺乏经验丰富的金属打印领域的技术人员，相关的教育和培训通常也会受到限制，最终导致无法提供实践经验以及具有最优性能的零件设计的相关培训。

5 潜在的解决方案

目前，对于金属打印行业产生的科学、技术以及经济问题，仍没有直接和快速的解决方案，但是有几种效果比较好的解决措施，见表1。

表1 对于来自科学、技术以及经济方面挑战的解决措施

5.1 创建可打印性数据库

在焊接实践中，广泛使用的焊接性数据库有助于预测主要合金和焊接工艺的适当组合，并指出在正常条件下是否建议进行焊接，焊接难度或可行性。类似地，可打印性能评估特定的打印工艺将原材料成功转化为组件的能力，这取决于合金材料性能和工艺条件[1，14]。可打印性数据库提供了打印产品质量的相对结果，它考虑了对常见打印缺陷的敏感性，如未熔合、成分改变、残余应力和变形，还考虑了其冶金和力学性能[14]。目前，市场上还没有普遍适用的可打印性数据库[1，14]，开发这样的数据库将有助于选择合适的打印工艺-合金原料组合，在某些情况下，无需进行反复的试验测试，就可以减少甚至避免金属打印中的常见缺陷。

5.2 开发和利用机械模型

由于打印组件的微观结构、凝固组织、晶粒组织、拓扑特征以及缺陷，会随合金成分、印刷技术和工艺参数的不同而有很大差异，因此在打印前使用可验证的机械模型对这些特征进行预测有助于控制它们。力学模型可以计算重要参数，例如温度场、构建几何参数、冷却速率、残余应力和变形。这些模型可以制作双向的，以便于计算实现产品所需的冶金或机械特性对应的过程变量。机械模型可以计算某种微观结构以获得特定的冷却速率所需的热输入量。通过计算机械模型，从而改善打印工艺，提高产品质量，同时也需要先进的计算算法、代码以及高性能计算领域的创新。

5.3 实现数字共享

数字共享包括打印过程中的机械模型、控制模型和统计模型，以及机器学习和大数据，它们可以控制微观结构及其性能，并加快从设计到制造的过程[11，30]。在3D打印的数字共享模型中，传感和控制模型可以与多个传感器连接[11]。一个经过良好测试的机械模型可以提供重要的冶金变量[1]。统计模型可以从机械模型和控制模型中学习先前的数据，根据其结果将错误最小化。虽然现在已经广泛接受了数字共享方法的实用性，但是金属打印数字共享的构建和测试才刚刚开始。

5.4 利用新兴的数字化工具

金属打印技术融合了材料、设备、计算以及数据的交叉运作[1]。先进的数字化工具可以根据经验来增强人类智慧，以提供过程变量和产品属性的优化[31]。当与创新的传感器连接时，数字工具可以通过网络-物理系统在没有人工干预的情况下检测出缺陷并在打印过程中采取纠正措施。通过减少缺陷，持续的质量改进以及基于信息技术的制造来改善打印组件的工艺和质量鉴定，更好地集成云计算、网络-物理系统、人工智能以及物联网行业。

5.5 制订标准化政策

制订新的政策，有助于实现产品和工艺的标准化，以及员工队伍的培训与知识的共享。未公开参数集的知识产权保护商业模型可能会被打印行业的标准化需求和原始设备制造商（OEM）的供应商标准化需求所取代。新的政策必须解决这一变化，同时将应用程序从实验室规模扩展到实际应用环境中。此外，除了制订为员工进行认证和培训所需的政策外，能否成功解决金属打印中现存的问题，还取决于原始设备制造商的供应商以及用户对这些政策的适应程度。

5.6 竞争前加强研究合作

各大学、国家实验室以及公司之间的研究合作可以开发工艺-微结构-性能之间的关系，从而扩展更多合金材料的3D打印应用。为了更好地探索制造出工业中应用的真实部件，可优先选择在大学和国家实验室进行简单小试样的测试，从而加速和扩大3D打印行业的发展。在了解基本知识的基础上实现信息共享，可有效缓解严格的知识产权壁垒，避免造成对商业利润的威胁[29]。同时，不同组织之间的合作也会促进知识共享，有助于为3D打印培养大量优秀的理论知识和实践经验丰富的技术人员[32]。