淺析激光選區(qū)熔化增材制造技術產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀及存在的若干問題

1、淺 析激光 選區(qū) 熔化增材制造技術產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀 及存在的若干 問題作為一項集 “材料 光電 機械與控制 ”等多學科于一體的新型高端數(shù)字化制造技術，相對于減材制造、等材制造、粉末冶金等傳統(tǒng)制造技術而言，增材制造技術的發(fā)展只有短短不到 30 年的時間，但是卻在全世界范圍內(nèi)獲得了極高的關注度，甚至被譽為人類歷史上“第 3 次工業(yè)技術革命” ?！八胨娂此?”是對該項技術優(yōu)勢的最好詮釋。其中，激光選區(qū)熔化增材制造技術（SLM）因其具有較高的成 形精度、良好的表面質(zhì)量，已經(jīng)成懸近期金屬 3D打印領域研究的熱 點方向。SLM 技術的最大特點是在理論上可以實現(xiàn)復雜異構件的整體精密制造 （包括內(nèi)部復雜結構）

2、。 但是， SLM 技術對原料粉末要求高、最大加工尺寸有限、 SLM 及后續(xù)熱處理機理復雜等問題， 限制了 SLM 增材制造技術產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。 筆者從原料粉體、 SLM 工藝及裝備、 后 續(xù)熱處理、工程應用等方面介紹了國內(nèi)外SLM 增材制造技術產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀，并對產(chǎn)業(yè)鏈中存在的若干問題進行了探討。一、激光選區(qū)熔化增材制造技術專用粉體激光選區(qū)熔化增材制造對粉體材料有何要求？世界3D 打印行業(yè)專家根據(jù)SLM工藝給出了通用定義，即尺寸在1560wm的金屬顆粒群， 并盡可能同時滿足純度高、 少無空心， 衛(wèi)星粉少 （實心最佳） 、 粒度分布窄、球形度高、氧含量低、流動性好和松裝密度高等要求。 理想的激

3、光選區(qū)熔化增材制造專用粉體如圖 1 所示。國外在 19 世紀末就實現(xiàn)了超細粉末的規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。 通過近 30 年的發(fā)展，國外成功采用真空感應氣霧化法（ VIGA 法） 、無坩堝電極 感應熔化氣體霧化法（EIGA法）、等離子旋轉(zhuǎn)霧化法（PRE喈）以及 等離子火炬法（PA法）等方式制備SLM增材制造專用粉體材料，已 經(jīng)具備成熟穩(wěn)定的批量供貨能力，并壟斷了全球大部分SLM 增材制造專用粉體材料市場。國內(nèi)制備高性能 SLM 增材制造專用粉體材料的方法主要有2 種，一種是高速等離子旋轉(zhuǎn)電極法，另一種是氣體霧化法?，F(xiàn)階段，國內(nèi)基本具備 2 種工藝制備球形金屬粉體材料的硬件能力， 但是材料種類偏少、產(chǎn)能較低

4、、 批次穩(wěn)定性差。國內(nèi)權威機構對國產(chǎn)金屬粉末與國外進口粉末進行了初步比較，在粉末形貌、衛(wèi)星球、空心粉等部分指標上基本相當，但是細粉（-325目）出粉率不高（EIGA氣霧化細粉 出粉率在28溢右，等離子旋轉(zhuǎn)霧化細粉出粉率在 10%- 15溢右）， 經(jīng)試用后反饋氧含量控制不穩(wěn)定，成形試樣力學性能不理想。目前， 國內(nèi)軍用鈦合金、 鋁合金等增材制造專用球形粉末全部來自進口，其中鋁合金粉末只有常規(guī)的 AlSi7Mg 、 AlSi12、 AlSi10Mg ，2 系鋁合金（ 2A12、 2A14 ） 、 7 系鋁合金（7A04 ）粉末等軍工常用材料只能定制生產(chǎn)。以美國為首的西方國家察覺我國將這些粉末用于軍工

5、領域的研制后，美國商務部要求美國及歐洲相關公司禁止向我國出口高質(zhì)量激光增材制造成形用粉末。 國內(nèi)只能暫時假以民用的名義采購，采購途徑不穩(wěn)定、一次采購量受到限制且材料品種單一，未來采購具有極大的不確定性， 嚴重影響我國國防軍工重要型號的研制和生產(chǎn)。據(jù)報道，國內(nèi)某航空配套企業(yè)為 XX 型飛機配套操作桿系統(tǒng)，由于進口粉末受阻導致型號開發(fā)延誤， 開發(fā)國產(chǎn)自制的球形金屬粉末尤為迫切。與氣體霧化法相比， 高速等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的粉末粒度分布更集中，能有效減少陶瓷夾雜及粉末氧增量，同時杜絕空心粉、衛(wèi)星粉現(xiàn)象。但是該項技術無法有效解決高轉(zhuǎn)速下（30 000rpm ）的動密封問題， 導致粉末增氧高、 -325

6、 目細粉收得率較低， 成為目前制約該項技術推廣最主要的技術瓶頸。湖南頂立科技有限公司（簡稱 “頂立科技 ”）通過技術攻關，先后攻克了高速旋轉(zhuǎn)動態(tài)密封及微量氧控制技術、 智能化旋轉(zhuǎn)進給控制技術、 參數(shù)自適應柔性調(diào)控等關鍵技術，大幅提升等離子霧化制粉及裝備技術水平，電極棒轉(zhuǎn)速超過60000rpm-300 目細粉收得率超過40%，超高轉(zhuǎn)速等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉設備結構圖見圖 2 所示。二、激光選區(qū)熔化增材制造工藝及裝備近幾年， 美國、 德國等發(fā)達國家先后開發(fā)出新型激光選區(qū)熔化增材制造成形設備，大幅提高激光掃描的速度，減少成形時間，成形零件性能與鍛件相當。 目前激光選區(qū)熔化成形商業(yè)化設備最大加工體積可達到

7、630mr 406mr 500mm 。在成形工藝研究方面，美、歐等國 先后成立國家級激光增材制造成形創(chuàng)新聯(lián)盟， 尤其是美國國防部、 能 源部、 商務部、 國家科學基金會以及國家航空航天局共同向激光增材制造成形試點聯(lián)盟投資4 500 萬美金。包括40 家企業(yè)、 9 個研究型大學、 5 個社區(qū)學院以及11 個非營利機構。 波音、洛- 馬、諾-格、通用動力、GE、霍尼韋爾、派克-漢尼汾等單位已利用此技術開發(fā)出商 業(yè)化的金屬零部件。由于激光選區(qū)熔化增材制造成形技術屬于新興技術， 國內(nèi)在激光增材制造成形硬件系統(tǒng)、 工藝特性和成形件質(zhì)量等方面部分達到或接 近國際先進水平，形成了與國外齊頭并進的局面（打印尺

8、寸達到500mr 500mr 500mm ），但在設計理念、材料基礎工藝研究、表 面光潔度、支撐設計、成形效率等方面仍處于起步階段，與美、歐發(fā)達國家有較大差距。據(jù)報道，國外已將拓撲優(yōu)化設計與輕量化技術應用于SLM 增材制造，實現(xiàn)了由 “制造引導設計、制造性優(yōu)先設計、經(jīng)驗設計”的傳統(tǒng)設計理念向 “設計引導制造、 功能性優(yōu)先設計、 拓撲優(yōu)化設計” 的 3D 打印設計理念轉(zhuǎn)變， 而國內(nèi)這項工作還未規(guī)模開展。 以頂立科技為代表 的軍品配套企業(yè)， 通過基于拓撲優(yōu)化和輕量化設計， 成功實現(xiàn)全尺寸XX 雷達支架整體3D 打印快速制造，減重42%（圖3） ；德國某 3D 打印設備商開發(fā)一種新粉末工藝（可用粒度

9、為2060 wm的粉末），往往需要68個月的工藝摸索，涉及的參數(shù)多達70余項，而國內(nèi)仍采 取短、平、快”的試錯方式，僅710天就認定一種新粉末工藝參數(shù)， 涉及參數(shù)僅僅是激光功率、路徑規(guī)劃、掃描速度、掃描間距、粉末床溫度等寥寥數(shù)10 種，材料基礎工藝研究不扎實；國外已開發(fā)出增減材一體化設備， 有效解決部件內(nèi)部復雜結構的光潔度問題； 支撐設計方面， 國外已經(jīng)應用無需線切割即能分離打印件與基板的特殊支撐設計技術，大大縮短了取件周期；相較國產(chǎn)設備單激光頭、單向鋪粉、人工添粉、 低掃描速度（6m/s ） ， 國外設備采用多激光頭、 雙向鋪粉、自動送粉、 高掃描速度（ 16m/s ） ， 其成形效率， 特

10、別是鋁合金構件的成形效率是國內(nèi)同類產(chǎn)品的510倍。目前， 制約激光選區(qū)熔化增材制造成形技術大規(guī)模應用最大的瓶頸仍然是未建立多品種材料基礎工藝的數(shù)據(jù)庫。 通過研究構件成形工藝參數(shù)的優(yōu)化， 完成構件激光選區(qū)熔化制備的工藝技術研發(fā)， 建立激光成形構件的工藝規(guī)程； 研究高能束功率密度、 掃描間距、 掃描速度、基底 / 粉末溫度等參數(shù)對吹粉、球化的影響；研究熔池快速移動冷卻凝固及多重熱循環(huán)條件下構件熔凝及連續(xù)冷卻組織演變規(guī)律， 通過成形路彳圣規(guī)劃、工藝優(yōu)化，實現(xiàn)構件的組織性能綜合調(diào)控。三、后續(xù)熱處理要從根本上解決長期制約關鍵金屬部件增材制造技術發(fā)展和應用的內(nèi)部缺陷問題， 單單靠材料基礎問題與增材制造過程

11、中的內(nèi)部缺陷機理研究是不夠的。 通過大量試驗研究表明， 增材制造的部件必須經(jīng)過后續(xù)熱等靜壓、退火/ 回火制度和固溶時效制度三重熱過程，才能從根本上減少或消除增材制造關鍵部件存在的 “內(nèi)部質(zhì)量 ”（冶金缺陷、晶粒及顯微組織等）問題。2002 年美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布了第 1 個增材制造技術標準 退火 Ti-6Al-4V 鈦合金激光沉積產(chǎn)品 ，至今已陸續(xù)頒布了 19 項標準。這些標準涵蓋了產(chǎn)品的退火和熱等靜壓工藝制度、 增材制造過程中制件的消除應力退火制度及要求以及退火或熱等靜壓后的時效制度， 反映了國外已經(jīng)在控制內(nèi)部缺陷、 消除殘余應力， 減少變形方向等方面開展了大量的研究工作。我國增材制造后續(xù)

12、熱處理技術標準的發(fā)展落后于國外， 沒能充分反映國內(nèi)技術發(fā)展的水平。 由于缺少對增材制造工藝過程的表征、 控制和認證的標準， 技術的大范圍推廣使用受到制約， 已有的技術優(yōu)勢并沒有能夠迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢和市場優(yōu)勢， 因此迫切需要開展增材制造技術的標準化工作， 特別是關乎組織性能調(diào)控的熱處理制度及設備標準化建設工作。四、工程應用歐洲宇航防務集團于 2012 年展示了用激光增材制造的鈦合金零件替代空客A320 發(fā)動機艙的鑄鋼鉸鏈支架，可以優(yōu)化的在有載荷的位置布置金屬，削減了75%的原材料，節(jié)省10kg/ 套件的質(zhì)量，減少了生產(chǎn)、 運作和最終回收過程中的能耗和排放； 美國航天局采用激光增材制造技術制造了

13、 6.15 英寸的火箭發(fā)動機微型噴射器，此前測試的同類噴射器由 115 個零件組成， 而該噴射器僅由 2 個零件組成， 成本降低了 70姒上，并且極大縮短了開發(fā)時間；GE公司在其Leap發(fā)動機中使用激光增材制造技術制造了燃油噴嘴，以取代傳統(tǒng)的由 20 個單獨部分通過焊接或組裝而成的燃油噴嘴，新零件的質(zhì)量減輕了25% GE公司在2015-2016年已將激光增材制造技術應用于Leap發(fā)動機的全部噴嘴生產(chǎn)中， 到 2020 年預計能夠具備每年生產(chǎn) 40 000 個噴嘴的能力；美國海軍陸戰(zhàn)隊第 1 維修營和第 15 作戰(zhàn)后勤團將激光增材制造技術用于彈藥設計與制造， 并證實通過激光增材制造技術的升級，彈

14、藥系統(tǒng)和殺傷力可以進一步提升。同時，該技術能使海軍陸戰(zhàn)隊的武器更安全， 效果也更加精準； 美國核安全管理局利用激光增材制造技術已完成2.5 萬件 3D 打印零部件，成本節(jié)省超過4 500 萬美元，開發(fā)流程從3 個月減少到只要25 天；德國西門子股份公司采用激光增材制造技術成功制造出了燃氣輪機上最復雜的部件透平靜葉（噴嘴） ，并將它用于 H 級燃氣輪機技術研發(fā)中，并成功通過搭車試驗； 美國安妮斯頓陸軍基地已經(jīng)成功將增材制造技術應用于復雜曲面金屬零部件以及薄壁結構件； 位于紅石兵工廠的美國陸軍航空與導彈研究開發(fā)與工程中心（AMRDEC）正在進行大規(guī)模的增材制造工藝及設備研究。在國內(nèi)，激光增材制造技

15、術已在殲-20 飛機、殲 -10 系列飛機、梟龍飛機、 無人機、 超高音速飛行器等上得到初步應用， 覆蓋鈦合金、鋁合金、鐵基合金、鎢基合金等材料，涉及格柵、復雜薄壁、中空微單元點陣等零件； 直升機采用的多維度連接管接頭結構， 結構十分復雜， 采用傳統(tǒng)機械加工很難制造， 而采用激光增材制造成形技術直接制造整體零件，在保證零件質(zhì)量的同時還可減重30%以上；無人機進氣道唇口，若采用傳統(tǒng)加工方法，因變形導致零件難以裝備，易損傷進氣道， 成為影響型號研制節(jié)點的重要因素。 改用激光增材制造成形技術之后， 材料利用率由6%提升至86%以上，結構質(zhì)量減少達到53%；在陸軍裝備戰(zhàn)斗部方面， 中國兵器工業(yè)增材制造

16、技術研究應用中心已經(jīng)開始著手增材制造在陸軍裝備的應用研究工作； 頂立科技采用增材制造技術實現(xiàn)XX 戰(zhàn)斗部異性彈體的整體快速精密制造 （見圖 4 ） ， 材料利用率提高10 倍，性能大幅提升，該產(chǎn)品已列入陸軍裝備部預研項目。但是在重要結構件的應用方面， 由于型號進度緊急， 絕大多數(shù)并未開展系統(tǒng)的地面考核。 另外， 激光選區(qū)熔化增材制造成形技術若實現(xiàn)推廣應用，工程化標準規(guī)范是關鍵，是質(zhì)量穩(wěn)定性的保證。目前，我國還未形成較為完善的、 系統(tǒng)的涵蓋激光選區(qū)熔化增材制造成形技術用粉末、制造工藝、后續(xù)熱處理工藝、無損檢測、尺寸檢測等技術標準體系。五、結語原料粉體仍然是制約激光選區(qū)熔化增材制造技術產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展最大的技術瓶頸，國產(chǎn)粉末材料種類偏少、產(chǎn)能較低、批次穩(wěn)定性差等問題亟待解決。激光選區(qū)熔化增材制造設備已不再是阻礙產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的最主要問題，如何行之有效的建立多品種材料基礎工藝數(shù)據(jù)庫、融入適用于增材制造的拓撲結構優(yōu)化設計理念、 增減材制造一體化以及使機器適配更高粒度范圍的粉體（20