金属3D打印技术及应用实例

1.台湾建成首座6kW高功率激光金属沉积3D打印试制平台

日前，台湾工业技术研究院（简称工研院）建成中国台湾岛内第一座6kW高功率的激光金属沉积（Laser Metal Deposition，LMD）3D打印试制平台，并结合6家全金属厂商成立“激光披覆表处试制联盟”，用绿色增材制造工艺提升效率及产品竞争力。

激光金属沉积3D打印可利用铁材、钴基、镍基合金、碳化钨等金属粉末在金属工件上披覆强化、修补再生或直接制造，这种3D打印打印速度快，解决了传统加工耗时或困难等问题，大幅降低了制造成本与工时。

为此，工研院在相关部门支持下已成功开发出LMD同轴送粉及送线式激光金属沉积加工头，并在工研院六甲院区构建首座LMD 3D打印试制平台，结合机械手臂与CNC五轴机台，提供从设计、模拟分析、制造到验证的完整的金属3D打印解决方案。

2.武汉光电国家实验室制造出世界最大激光3D打印装备

由武汉光电国家实验室（筹）完成的“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备（俗称激光3D打印技术）”顺利通过了湖北省科技厅成果鉴定。该项目深度融合了信息技术和制造技术等特征的激光3D打印技术，由4台激光器同时扫描，为目前世界上效率和尺寸最大的高精度金属零件激光3D打印装备。

该装备攻克了多重技术难题，解决了航空航天复杂精密金属零件在材料结构功能一体化及减重等“卡脖子”关键技术难题，实现了复杂金属零件的高精度成型，提高了成型效率，缩短制造时间。

项目提出并研制出成型体积为500mm×500mm×530mm的4光束大尺寸SLM增材制造装备，它由4台500W光纤激光器、4台振镜分区同时扫描成型，成型效率和尺寸是迄今为止同类设备中世界最大的。此前，我国在SLM技术领域与国际先进水平相比有较大差距，大部分装备依赖进口。

此外，项目还攻克了多光束无缝拼接、4象限加工重合区制造质量控制等众多技术难题，实现了大型复杂金属零件的高效率、高精度、高性能成型。首次在SLM装备中引入双向铺粉技术，其成型效率高出同类装备的20%～40%，标志着我国自主研制的SLM成型技术与装备达到了国际先进水平，所研制的零件不仅大大缩短了产品的研制周期，简化了工序，而且将结构-功能一体化，获得性能优良的、轻质的零件。

3.美国3D打印超声速发动机燃烧室测试成功

美国军工巨头Orbital ATK对外公布，该公司在美国航空航天局（NASA）Langley研究中心成功测试了3D打印超声速发动机燃烧室。结果证明，该3D打印超声速发动机燃烧室不仅达到甚至超过了所有性能要求，而且也创造了同类设备中可承受最长持续时间推进风洞测试纪录，标志着超声速航空技术又进了一步。

3D打印的超声速发动机燃烧室，也被称为超燃冲压发动机燃烧室，是一项最具挑战性的推进系统部件，因为在非常动荡的环境下燃烧室内部必须保持稳定燃烧，所以这项测试十分严格。为了真正测试Orbital ATK的3D打印原型，系统模拟了长达20天的各种高温超声速飞行条件，其中包括最长时间的推进风洞试验的记录。图4-43为装有3D打印机的超声速发动机燃烧室的飞机在进行飞行测试。(www.xing528.com)

图4-43 装有3D打印机的超声速发动机燃烧室的飞机

据报道，这个成功通过测试的推进系统部件是通过粉末床融合制造方法制造的，这项技术也归属为选择性激光融化技术。从本质上讲，金属3D打印技术如SLM技术允许复杂的几何形状和组件的构建，以前需要多个零件组装而成的部件，可以通过金属3D打印技术简化成单一的具有经济与成本效益的组件，而不影响整机或组件的强度或其他力学性能。

4.美国科学家颠覆金属3D打印方法

众所周知，目前主流的金属3D打印工艺采用的都是激光或者电子束烧结技术，使用高能量的激光或者电子束扫描金属粉末床，使金属粉末熔化然后粘结在一起冷却成层，进而逐层打印成型。然而，近日美国西北大学的一个科研团队开发出了一种全新的金属3D打印方法，可以说完全颠覆了以往的技术。该方法完全摒弃了激光或者电子束，而是采用了一种特制液体油墨和常见的熔炉分两步进行，其中第一步的成型方法和常见的FDM非常类似。

科研团队发明了一种混合了金属粉末、溶剂和弹性体粘结剂（一种医学领域经常会用到的聚合物）的特殊油墨，这种油墨可以在室温条件下直接用喷嘴挤出瞬间凝固，而其中因为使用了弹性体粘结剂，所以在这一阶段打印出的3D对象可以高度折叠或弯曲成更加复杂的结构，甚至可以高达数百层厚而不至于坍塌，研发人员称之为“Green Body”。图4-44为该方法挤出成型后的模型。

图4-44 特制油墨挤出成型后的模型

第二步则是将已经形成的“Green body”放在普通熔炉内进行烧结，金属粉末经过加热会融化进而永久地粘结在一起。

这种建造方式极大地扩展了3D打印结构，而且材料能够根据用户的需求进行灵活打印。尽管将金属3D打印分成了打印和烧结两个步骤，看似变得复杂，实际上可以使3D打印过程以更轻松的步骤来实现目标。

传统激光、电子束烧结虽然能形成极强的金属3D结构，但其成本高昂且耗时，某些结构的零件使用这种方法还会受到一些限制。另外，用激光逐层加热的方法会在不同的区域产生加热和冷却应力，破坏打印对象的微观结构。而使用这种在熔炉内进行加热的新方法，确保了均匀的温度和致密结构烧结，不会产生翘曲和开裂。并且，在这种新方法中，可以一次使用多个挤出喷嘴，以更快速度打印出高达数米的3D结构，唯一的限制可能就是熔炉的尺寸。