分析：金属材料的3D打印制造技术

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1、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

2、速度、保护气压、外部温度等等。图表1：激光快速成型技术制作金属零件在所有金属合金中，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2：快速加热和冷却导致了试件内的残余应力针对金属材料的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

3、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。Ti6A14A314$不镌钢铝音金密度(kg/m5)4420SOOO2700弹悝摸量(GPa)11019369强度(MPa)1000570310熔点 C)1650彳600热慢电系数()67激;光网:75图表3：钛合金、不锈钢和铝合金的性能对比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。技术机拘SLM1995FraunJiQfer 汩盲、La5-fbrni姜国国防部， JHU , PSU . MTS俺宴此技忒电立7 AeioMft翌司

4、.醮削作炼积 的邀件.便冷 WkW 或昔l&kivCO上徽光器LENS1995SEtadiaNL忌用700W的N&YAG;勒走黠.卑合同专进松A fL Opconimr蛍岂用E抄术琵他技朮(丸菲为轴年代中期提出)：Direct Lighi Manufactitting (LosNL. 199S)Shape Deposition ManufacnningOFweeKDirect Metal Dtposmon (UTUC. 1993)ConUflllcti Metal Buildup (FraunhQfrr. Aachen. 19P& Larr Aided Mstnufocnirijig Proc

5、ess激光网Electron Bein Mehing (Ar匚耳ixl AB)Direct Metal Laser Sintering. fEOS, Gernisanvl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250X250X320mm，可用的材料包括不锈钢、钛、 钻铬合金及工具钢等。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15

6、00万美元收购了法国的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250X250X300mm。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钻合金粉末。除了机械零部件外，所制造的设备还可应用于生产无镍钻铬的假牙。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

7、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200X200X18

8、0mm，同时提供多种型号的钛合金粉末和钻 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）。OFweeK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。砂型的尺寸最大卫呂够做到 1800X1000X700mm,而

9、金属的尺寸能够做到780X400X400mm。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M

10、TS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2400X900X225mm。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

11、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设备以外，作为耗材的金属粉末也十分重要，尤其是钛合金粉末。据估 计，全世界每年共消费14万吨钛，总价达到40亿美元。这些钛大多是通过镁或者 钠还原的方法生产海绵钛，钛粉的主要生产方法是氢化脱氢法。目前以粉末形式 被消耗钛占比还很小。图表9：钛合金粉末3D打印技术对于钛粉的要求更高，例如其形状、大小分布以及纯度等。以 氢化脱氢法制造的钛粉，形状不规则，大小不均匀，影响到粉末的堆积成型，所 以很难用于3D打印中，而需要采取气雾化法或者

12、旋转电极法来制备。这些技术 的难度不是很高。PlasmaTitanium SpoolCo llectEcn ChamberVacuum Pump图表10：等离子雾化法制备钛合金粉末然而，不同的3D打印技术除了对设备的要求不同，对于原料粉末的要求也 不同。换句话说，不同材料的打印需要有不同的设备与工艺与之相配合。所以， 绝大多数的设备厂商都是设备、工艺、材料包括软件同时在做，在出售设备的同 时，耗材也是他们收入的重要来源。图表11：氢化脱氢法制备的钛粉末（上图）从形状和大小上都不如雾化法制 备的（下图）均匀除了专门的3D打印设备厂商，各航空装备制造公司也都加快了在金属材料 3D打印领域内的开发，

13、包括波音、洛克希德马丁、NASA、空中客车、GEAviation 都在尝试使用3D打印的零部件。例如，GE在它的LEAP引擎上使用了 19个3D打 印技术制造的部件，而这款发动机共收到4500个订单；波音在最新的787客机上 使用了约30个3D打印的部件，大部分是送风道和铰链等。目前为止批量装备3D 打印零件的案例还很少，尤其是大型结构件和承力部件。图表12:利用3D打印技术制造的A380起落架上的齿轮图表13： GEAviation展示的3D打印技术制作的钛合金零件另外，这些零件的尺寸都有限制，有报道的最大零件尺寸为5.8X1.2X1.2m,用于F14战机的机翼。原因在于：惰性气体保护腔或者

14、真空腔的大小有限制，越 大的腔体在使用时越为复杂；零件尺寸变大后在加工中心产生的残余应力会不断 积攒，造成造成零件的变形或者开裂；大尺寸零件的堆积制造时间过长，外部环 境造成干扰的概率大，同时对于激光器稳定性的要求更高；一般而言，大零件在 各部位的均一性比较难保证，造成其疲劳强度会比较差。图表14：残余应力过大会导致零件开裂图表15：西工大制作的大型零件3D打印技术的市场可归结为四个不同层次的需求，他们处于产业化的不同 周期，在未来都有爆发的可能。其中，直接生产金属零部件的3D打印技术市场 想象空间巨大，国外不少公司已经开始投入商业化生产，装备制造企业也逐渐越 来越重视这一制造方式可能带来的变

15、革。随着技术的进步和制造业要求的升级， 未来几年有望看到金属快速成型技术的市场步入快速成长期。应用类型直接抿速成型樓其和原蛰开 发个人产昆定解靈屣娓尿技术SLS，SVM .FDM、 SLS .FDM. SLAFDMEBMSLM. SI_A金厲.砂型樺朋、an捲廝、型料行业賊空航天.汽各科机城.个医捋谡备.工牛人郛家疑消车人淋佔费商业此程.度低髙QFweeK市燔空间中八觐卄爪mu*价榕高中中低图表16： 3D打印技术的4个应用领域3D打印技术制造金属零部件未来的发展很重要的一个方面是需要有行业标 准来规范生产、加工和检测各环节，通过更多的实际测试，打消对于安全性的顾 虑。另外，如果按照传统的设计模式，只是用3D打印批量制造传统加工方式便 能够生产的零件，并无太大优势，所以需要在做系统设计时就将3D打印技术作 为可选的加工方式之一，综合考虑设计方案和制造成本，加入复杂的外形和整体 成型等。这将为未来金属3D打印技术带来更大的市场空间。