引 言

在上個(gè)世紀(jì)，增材制造 ( Additive Manufacturing谜慌， AM) 的概念得到了顯著的發(fā)展。依據(jù)美國試驗(yàn)材料學(xué)會(American Society for Testing and Materials对湃，ASTM) 的定義: 增材制造技術(shù)不同于傳統(tǒng)的減法加工過程崖叫，是基于材料的增量制造，利用3D數(shù)據(jù)模型拍柒，將材料一層一層連接起來制造物體的過程心傀。由于增材制造技術(shù)具有設(shè)計(jì)和制造一體化、加工精度高柔朽、制造周期短垂暖，產(chǎn)品物理化學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，美國《時(shí)代周刊》將增材制造列為 “美國十大增長最快的工業(yè)”精杜，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志則認(rèn)為它將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工 業(yè)革命”穗阐。

金屬材料增材制造技術(shù)作為整個(gè)增材制造體系中最具前沿和難度的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向澳缴。對于金屬材料增材制造技術(shù)能莫，按照熱源類型的不同主要可分為激光增材制造、電子束增材制造烧晤、電弧增材制造等妇愉。其中激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM) 技術(shù)是一種兼顧精確成形和高性能成形需求的一體化制造技術(shù)愈樱，也是目前金屬增材制造最可靠和可行的方法芳企。國內(nèi)外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技術(shù)，本文在總結(jié)增材制造的發(fā)展歷史基礎(chǔ)上初之，重 點(diǎn)介紹了激光增材制造的原理造过、激光選區(qū)熔化成形技術(shù)和直接沉積技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為激光增材制造在國內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供支持柑土。

一蜀肘、增材制造的發(fā)展歷史

1983 年，美國科學(xué)家查爾斯·胡爾( Charles Hull) 發(fā)明光固化成形技術(shù)( stereo lithograhy Appearance稽屏，SLA) 并制造出全球首個(gè)增材制造部件扮宠。1986 年，查爾斯·胡爾獲得了全球第一項(xiàng)增材制造專利狐榔，同年成立3D Systems公司坛增。1987 年，3D Systems 發(fā)布第一臺商業(yè)化增材制造設(shè)備-快速成型機(jī)立體光刻機(jī) SLA-1薄腻，全球進(jìn)入增材制造時(shí)代收捣。1986年届案，美國的 Michael Feygin，首次提出了分層實(shí)體制造( Laminated Object Manufacturing罢艾，LOM) 技術(shù)楣颠。1988年，美國 Stratasys 公司首次提出熔融沉積成型技術(shù)( Fused Deposition Modeling咐蚯，F(xiàn)DM) 拯拓。1989 年，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 Deckard 提出激光選區(qū)燒結(jié) ( Selective Laser Sintering须涣，SLS) 涌咪。1995 年，德國 Frau- hofer 應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會 ILT 激光技術(shù)研究所的 Dr.Wil- helm Meiners 等在金屬粉末選擇性燒結(jié)基礎(chǔ)上提出激光選區(qū)熔化成形技術(shù) ( Selective Laser Melting盐腻，SLM) 降乔。1998 年，美國 Sandia 國立實(shí)驗(yàn)室將選擇性激光燒結(jié)工藝 SLS 和激光溶覆工藝( Laser Cladding) 相結(jié)合提出激光工程化凈成型( Laser Engineered Net Shaping揽券，LENS) 讨楔。1990 年至現(xiàn)在，增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬材料的成型豆牺， 進(jìn)入了直接增材制造階段冠樱，相距出現(xiàn)了電子束選區(qū)熔化(EBSM)、電子束自由成形制造技術(shù)( Electron Beam Free- form Fabrication一膝，EBF)颠舞、等離子增材制造技術(shù)( Ion Fusion Formation，IFF) 電弧增材制造( Wire Arc Additive Manufacture顾腊，WAAM)等一系列制造工藝粤铭。2013年，美國麻省理工大學(xué)研發(fā)了四維打印技術(shù)( Four Di- mensional Printing杂靶，4DP) 梆惯，利用記憶合金，在3D打印的基礎(chǔ)上增加了第四維度-時(shí)間吗垮。

綜上所述垛吗，增材制造技術(shù)可以分為“快速原型制造技術(shù)”和“金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)”兩大類∷傅牵“ 快速原型制造技術(shù)”( rapid prototype manufacturing怯屉，RP＆RPM) 主要方法有“3D 打印( 3DP) ”、“立體印刷( SLA) ”饵沧、“疊層 實(shí)體造型( LOM) ”锨络、“熔融沉積造型( FDM) ”、“選擇性激光燒結(jié)( SLS) ”等五大類。主要制造尺寸較小羡儿，由樹脂礼患、石蠟、紙張等材料組成的原型樣件及由陶瓷姥购、金屬粉末組成的“非致密”原型樣件或模型制造渺因。金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)則采用激光束、電子束概给、等離子束或電弧等對粉末或絲材進(jìn)行逐層熔化/凝固堆積尘忿，直接制造出致密的金屬零件。

國內(nèi)關(guān)橋院士提出“廣義增材制造”的概念督垮，具體如圖1所示。廣義增材制造的熱源乳栈，除激光束和電子束外影啸， 還有化學(xué)能、電能( 電弧等) 组伤、電化學(xué)能羡财、光能、機(jī)械能等遗秩。圖中的中心圓是通常所謂的“增材制造”( 3D 打印) 伐怀，以激光、電子束等為熱源與 CAD/CAM 結(jié)合绎狭，分層熔敷成形的增材制造细溅，包含了非金屬、金屬構(gòu)件和生物模型的增材制造等; 圖中的外橢圓展現(xiàn)的是“廣義增材制造”的技術(shù)分類儡嘶，不局限于分層熔敷成形喇聊，還包括冷噴涂成形、熱噴涂成形蹦狂、物理氣相成形誓篱、化學(xué)氣相成形、電化學(xué)成形凯楔、 堆焊成形窜骄、塊體組焊成形等。

二摆屯、激光增材制造技術(shù)原理

依據(jù)美國試驗(yàn)材料學(xué)會 ASTM 的定義邻遏，根據(jù)材料在沉積時(shí)的不同狀態(tài)，激光增材制造技術(shù)分為定向能量沉積( Direct Energy Deposit虐骑，DED) 和粉末熔覆( Powder Bed Fusion党远，PBF) 兩類。

激光粉末熔覆技術(shù)PBF，又可以稱為激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(Selective Laser Melting蒸败，SLM)圾恐，其首先利用CAD軟件設(shè)計(jì)出零件的三維模型，然后根據(jù)打印工藝對模型進(jìn)行切片分層后雅沽，將各截面的二維輪廓數(shù)據(jù)導(dǎo)入打印設(shè)備中擂椎，并設(shè)定具體的掃描路線。激光打印時(shí)根據(jù)設(shè)定的掃描路線逐層熔化通過送粉裝置均勻鋪敷在工作平面基板的金屬粉末蚜症，具體的原理如圖 2 所示融卿。

激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)可以直接制造出終端金屬產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了材料慎接、結(jié)構(gòu)和功能的一體化設(shè)計(jì)和制造; 可以加工出傳統(tǒng)制造方法無法加工的復(fù)雜金屬零件油蒙，如輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、空間曲面多孔結(jié)構(gòu)药妄、復(fù)雜型腔流道結(jié)構(gòu)等保地，解決了復(fù)雜金屬構(gòu)件難加工、周期長刀昼、成本高等技術(shù)難題; 金屬零件具有很高的尺寸精度以及很好的表 面粗糙度嗓奢，無需二次加工。但是SLM技術(shù)打印構(gòu)件的力學(xué)性能僅能達(dá)到或者優(yōu)于鑄浑厚、鍛件水平; 成形件的復(fù)雜性基本不受限制但是成形尺寸較小; 另外適用于 SLM 成形的材料種類還較少股耽，目前報(bào)道的主要有鐵基合金、鎳基合金钳幅、鋁合金和鈦合金等物蝙。

激光定向能量沉積技術(shù)(DED)，又可以稱為激光直接沉積成形技術(shù)( Direct Laser Deposition敢艰，DLD) 茬末，是 在快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 一種先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)是基于離散/堆積原理盖矫，通過對零件的三維 CAD 模型進(jìn)行分層處理丽惭，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護(hù)環(huán)境中辈双，以高能量密度的激光作為熱源责掏，按照預(yù)定的加工路徑，將同步送進(jìn)的粉末或絲材逐層熔化堆積湃望，從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復(fù)换衬，其原理如圖 3 所示。

20 世紀(jì) 90 年代激光直接沉積技術(shù)被國際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)相對獨(dú)立地發(fā)展起來笼万，并且被賦予了不同的名稱歪眨，如激光熔敷( Laser Cladding) 、激光直接鑄造( La- ser Direct Casting) 、直接金屬沉積 ( Direct Metal Depo- sition蛉增，DMD) 唤抚、激光固化 ( Laser Consolidation，LC)践寄、激光金屬成形 ( Laser Metal Forming说庶，LMF) 、激光工程化凈成形 ( Laser Engineered Net Shaping檩渐，LENS) 秆牍、受控光制造 ( Directed Light Fabrication，DLF) 剃拇、激光成形 ( Laser Forming支读，LF)、基于激光的自由實(shí)體制造(Laser Babsed Free-form Fabrication害淤，LBFFF) 扇雕、激光立體成型( Laser Solid Forming，LSF) 以及激光直接制造技術(shù)( Directed Laser Fabrication筝家，DLF) 等，這些技術(shù)名稱雖然不同邻辉，但基本的技術(shù)原理卻是完全相同的溪王。

激光直接沉積成形技術(shù)( DLD) 的生產(chǎn)效率高于SLM，并且成形尺寸基本不受限制( 僅取決于設(shè)備的運(yùn)動(dòng)幅度)值骇，可實(shí)現(xiàn)同一構(gòu)件上多材料的任意復(fù)合和梯度結(jié)構(gòu)制造莹菱，并可用于損傷構(gòu)件的高性能修復(fù)。但是吱瘩，DLD技術(shù)表面質(zhì)量不如SLM道伟，制造后需要二次加工。目前使碾，激光直接沉積技術(shù)所應(yīng)用的材料已涵蓋鈦合金蜜徽、鎳基高 溫合金、鐵基合金票摇、鋁合金拘鞋、難熔合金、非晶合金以及梯 度材料等共悼，其中鈦合金的應(yīng)用最為成熟驶闰。

三、激光增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 激光選區(qū)熔化成形技術(shù)

在金屬粉末選擇性燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上钙瘫，為了解決SLS 過程中粉末連接強(qiáng)度不高的問題阔垢，提高材料致密度，德國 Frauhofer 研究所于 1995 年提出了激光選區(qū)熔化技術(shù)SLM。2002 年該研究所在激光選區(qū)熔化技術(shù)方面取得巨大成功挨奶，可一次性地直接制造出完全致密性的 零件些玖。

目前國際上已經(jīng)有多家成熟的SLM設(shè)備制造商，包括德國EOS(Electro-Optical System Gumbo) 公司朴树，德國 Realizer 公司宏查，SLM Solutions 公司，Concept Laser 公司榨惭，美國 3D公司骡拐，Renishaw PLC 公司和 Phenix Systems 公司等。上述廠家都開發(fā)出了不同型號的機(jī)型忿项，包括不同的零件成形范圍和針對不同領(lǐng)域的定制機(jī)型等蓉冈，以適應(yīng)市場的個(gè)性化需求。德國 EOS 公司新開發(fā)的激光選區(qū)熔化設(shè)備 EOSINT M400 － 4 采用 4 個(gè)束源質(zhì)量高的 Yb 光纖激光器轩触，成形范圍達(dá)到 300 mm × 300 mm × 350 mm寞酿，功率為 1 kW，激光束最小光斑為 90 μm脱柱，最大掃描速度 7 m/s伐弹， 其成形零件性能與鍛件相當(dāng)，如圖 4 所示榨为。

德國Hofmann集團(tuán)( 世界上主要的金屬激光熔鑄設(shè)備生產(chǎn)廠家之一) 的 Concept Laser 公司生產(chǎn)的 X 系列2000R 為全球最大的激光金屬 3D 打印機(jī)惨好，其采用雙激光系統(tǒng)，每個(gè)激光器功率為 1KW随闺，成形的范圍達(dá)到 800 mm × 400 mm × 500 mm日川，如圖 5 所示。

在國內(nèi)華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)最早從事SLM技術(shù)的研究工作的單位之一矩乐。華中科技大學(xué)模具國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室快速制造中心先后推出了 HRPM － Ⅰ和 HR- PM － ⅡA龄句，武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)和制造了 NRDSLM － Ⅰ、NRD － SLM － Ⅱ等設(shè)備恋猜。NRD － SLM － Ⅱ型 設(shè)備成形尺寸范圍: 320mm × 250mm × 250 mm畦洞。

在技術(shù)應(yīng)用方面，通用電氣( GE) 公司利用 SLM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了離心式燃油噴嘴的打印贰嚷，如圖6注括，目前該噴嘴已 成功應(yīng)用于 CFM 國際公司開發(fā)的 LAEP － X 發(fā)動(dòng)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了首飛蓄扳。該項(xiàng)技術(shù)被評為全球 2013 年十大技術(shù)突破之一蝴车，并且通過了 FAA 適航認(rèn)證，技術(shù)成熟度 TRL ＞ 8［35］拢给，預(yù)計(jì)到 2020 年 GE 將生產(chǎn) 10 萬個(gè)噴嘴蛹协。2015年主瘸，美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration， FAA) 正式批準(zhǔn)了 GE 公司采用 SLM 制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī) 傳感器殼體兆焦，如圖 6 所示糊怖，應(yīng)用于 GE － 9X 系列商用發(fā)動(dòng)機(jī)，目前生碗，該零件已經(jīng)安裝在 400 個(gè) GE90 － 94B 發(fā)動(dòng)機(jī)中捻艳。

此外，GE 還嘗試進(jìn)行了先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造庆猫。美國航天公司 SPACE X 開發(fā) Su- perDraco 載人飛船過程中认轨，利用 SLM 技術(shù)制造了載人飛 船的引擎，如圖 7 所示月培。SLM 技術(shù)很好的解決了該引擎的冷卻道嘁字、噴射頭和節(jié)流閥等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問題，零件的強(qiáng)度杉畜、韌性和斷裂強(qiáng)度等性能完全滿足高溫高壓環(huán)境下工作的嚴(yán)苛要求纪蜒。惠普在研發(fā)過程中此叠，包括渦輪纯续，燃料噴射器和其他零件也都是 SLM 增材制造的。

綜上所述灭袁，由于SLM技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)猬错，它具有廣闊的應(yīng)用前景和廣泛的應(yīng)用范圍，目前SLM技術(shù)在航空航 天領(lǐng)域的應(yīng)用十分成功简卧，同時(shí)各大公司也積極將 SLM 技 術(shù)應(yīng)用于汽車( 如模具兔魂、工具插件和微器件等) 郑舷、電力( 散 熱器件) 迈叫、生物醫(yī)療( 植入牙齒，脊椎骨等) 和石油天然氣領(lǐng)域肘鹅。

3.2 激光直接沉積成形技術(shù)

現(xiàn)代激光直接沉積制造技術(shù)根植于 1937 年 Kratky 和 Hartert 等提出的焊縫金屬熔融沉積的制造方法專利暂韭，最早可追溯到 20 世紀(jì) 70 年代末期的激光多層熔覆研究。早期的 DLD 概念大約出現(xiàn)在 1980 年奇门，Brown 等的專利描述了通過添加沉積的粉末/焊絲盒伸，利用激光進(jìn)行逐層加熱制造方法。1998年栖啰，美國 Sandia 國立實(shí)驗(yàn)室提出激光工程化凈成型( Laser Engineered Net Shaping橘沾，LENS) ，LENS 是 DLD 最成功的商業(yè)形式劫漠，也成為 DLD 的最為代表性的技術(shù)仲它。20 世紀(jì) 90年代以后宙娃，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)開始對激光直接沉積技術(shù)的原理、成形工藝兜飒、熔凝組織幻林、零件的幾何形狀和力學(xué)性能等基礎(chǔ)性問題開展大量的研究工作。

國外激光直接沉積增材制造系統(tǒng)典型代表包括德 國 Trumpf 和美國 POM 公司的 DMD505音念、美國Huffman公司的 HP － 205沪饺、美國 Optomec 公司的 Lens850 和 Aeromet公司的 Lasform 等。

約翰霍普金斯大學(xué)闷愤、賓州大學(xué)和 MTS 公司基于開發(fā)出一項(xiàng)以大功率 CO2 激光熔覆沉積成形技術(shù)為基礎(chǔ)的 “鈦合金的柔性制造”技術(shù)整葡，并于 1997 年成立 AeroMet公司，公司的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)具有高性能肝谭、大體積鈦合金零件的制造掘宪，尤其是大型整體加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)鈦合金零件的 快速成形。2000 年攘烛，美國 Boeing 公司宣布采用該技術(shù)制造的鈦合金零件在 F － 22 和 F /A － 18E/F 飛機(jī)上獲得應(yīng) 用魏滚，在全球掀起了金屬零件的直接增材制造的第一次熱潮，如圖 8 所示坟漱。

GE 公司在發(fā)動(dòng)機(jī)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試制方面鼠次，利用LMD 技術(shù)進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)加工，原零件重約 2 033 g芋齿，最 后試制的零件重量僅為 327 g齿矗。利用 LMD 技術(shù)對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片金屬加強(qiáng)邊進(jìn)行試制，先利用激光立體成形制備毛坯件秤瞒，再進(jìn)行機(jī)械加工爷凫，整個(gè)加強(qiáng)邊長約 101. 6 mm 壁 厚 0.8 ～ 1.2 mm，最終加工量僅為 0.12 mm侵透。

國內(nèi)激光直接沉積成形技術(shù)雖然起步較晚罪团，但是在某些方面已經(jīng)達(dá)到到了國內(nèi)外領(lǐng)先的地步。西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)針對大型鈦合金構(gòu)件的激光立體成形逞脚，試制成功 C919 大飛機(jī)翼肋 TC4 上嗤渔、下緣條構(gòu) 件，該類零件尺寸達(dá) 450 mm × 350 mm × 3 000 mm霸篡、質(zhì)量達(dá)196 kg薯湾，成形后長時(shí)間放置后的最大變形量小于1mm，靜載力學(xué)性能的穩(wěn)定性優(yōu)于 1% 吹毫，疲勞性能也優(yōu)于同類鍛件的性能线满，如圖 9 所示。

北京航空航天大學(xué)王華明院士在飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝研究方面取得了突破性進(jìn)展龟卷，提出了大型金屬構(gòu)件激光直接成形過程“內(nèi)應(yīng)力離散控制”的新方法同诫，解決大型金屬構(gòu)件激光快速成形過程零件翹曲變 形與開裂的瓶頸難題编曼，突破激光快速成形鈦合金大型結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過鈦合金模鍛件剩辟，如圖10所示掐场。

綜上所述，DLD 技術(shù)相對 SLM 具有較高的生產(chǎn)效 率贩猎，其主要用于大型金屬構(gòu)件的制造熊户。但是 DLD 成形過程中零件開裂，內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制吭服，產(chǎn)品應(yīng)用技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等是制約其工程應(yīng)用的關(guān)鍵嚷堡。目前，國外將其應(yīng)用投向于損傷構(gòu)件的增材修復(fù)技術(shù)以及梯度材料的研究艇棕，其如 SLM 技術(shù)廣泛的商用化還面臨較多的挑戰(zhàn)蝌戒。

四、結(jié)束語

增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史僅僅有 30 多年沼琉，激光增材制造是目前研究最多也是工業(yè)化應(yīng)用最成功的技術(shù)手段北苟。隨著激光增材制造的成本降低，其將很快從傳統(tǒng)制造業(yè)的輔助手段中解放出來琉枚，成為集設(shè)計(jì)與制造一體化的新型制造方法酌涮。

（胡美娟 吉玲康 馬秋榮 池強(qiáng)）

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