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本文导读目录：

1、金属3D打印技术的特点及未来主要的发展方向

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金属3D打印技术的特点及未来主要的发展方向

　　金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

　　随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。

　　目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：选区激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）、电子束选区熔化（ElectronBeamSelectiveMelting，EBSM）、激光近净成形（LaserEngineeredNetShaping，LENS）等。

　　LENS是一种新的快速成形技术，它由美国Sandia国家实验室首先提出。

　　其特点是:直接制造形状结构复杂的金属功能零件或模具；可加工的金属或合金材料范围广泛并能实现异质材料零件的制造；可方便加工熔点高、难加工的材料。

　　LENS是在激光熔覆技术的基础上发展起来的一种金属零件3D打印技术。

　　采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末，按照预设轨迹逐层沉积在基板上，最终形成金属零件。

　　1999年，LENS工艺获得了美国工业界中“最富创造力的25项技术”之一的称号。

　　国外研究人员研究了LENS工艺制备奥氏体不锈钢试件的硬度分布，结果表明随着加工层数的增加，试件的维氏硬度降低。

　　国外研究人员应用LENS工艺制备了载重植入体的多孔和功能梯度结构，采用的材料为Ni、Ti等与人体具有良好相容性的合金，制备的植入体的孔隙率最高能达到70%，使用寿命达到7-12年。

　　Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制备了多孔生物植入体，并研究了植入体的力学性能，发现孔隙率为10%时，杨氏模量达到90GPa，当孔隙率为70%时，杨氏模量急剧降到2GPa，这样就可以通过改变孔隙率，使植入体的力学性能与生物体适配。

　　Zhang等制备了网状的Fe基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金属玻璃（MG）组件，研究发现MG的显微硬度达到9.52GPa。

　　Li通过LENS工艺修复定向凝固高温合金GTD-111。

　　国内的薛春芳等采用LENS工艺，获得微观组织、显微硬度和机械性能良好的网状的Co基高温合金薄壁零件。

　　费群星等采用LENS工艺成型了无变形的Ni-Cu-Sn合金样品。

　　在LENS系统中，同轴送粉器包括送粉器、送粉头和保护气路3部分。

　　送粉器包括粉末料箱和粉末定量送给机构，粉末的流量由步进电机的转速决定。

　　为使金属粉末在自重作用下增加流动性，将送粉器架设在2.5m的高度上。

　　从送粉器流出的金属粉末经粉末分割器平均分成4份并通过软管流入粉头，金属粉末从粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置完成熔化堆积过程。

　　全部粉末路径由保护气体推动，保护气体将金属粉末与空气隔离，从而避免金属粉末氧化。

　　目前，快速原型技术已经逐步趋于成熟，发达国家也将激光工程化净成形技术作为研究的重点，并取得了一些实质性成果。

　　在实际应用中，可以利用该技术制作出功能复合型材料，可以修复高附加值的钛合金叶片，也可以运用到直升机、客机、导弹的制作中。

　　另外，还能将该技术运用于生物植入领域，采用与人体具有相容性的Ni、Ti材质制备植入体，有效提升了空隙率，延长了植入体的使用时长。

　　SLM是金属3D打印领域的重要部分，其发展历程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。

　　由美国德克萨斯大学奥斯汀分校在1986年最早申请专利，1988年研制成功了第1台SLM设备，采用精细聚焦光斑快速熔化成30～51μm的预置粉末材料，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。

　　致密度可达到近乎100%，尺寸精度达20～50μm，表面粗糙度达20～30μm，是一种极具发展前景的快速成形技术。

　　SLM成型材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵重金属等。

　　激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件，是极具发展前景的金属零件3D打印技术。

　　其应用范围已经扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。

　　SLM工艺有多达50多个影响因素，对成型效果具有重要影响的六大类：材料属性、激光与光路系统、扫描特征、成型氛围、成型几何特征和设备因素。

　　目前，国内外研究人员主要针对以上几个影响因素进行工艺研究、应用研究，目的都是为了解决成型过程中出现的缺陷，提高成型零件的质量。

　　工艺研究方面，SLM成型过程中重要工艺参数有激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描间距和扫描策略等，通过组合不同的工艺参数，使成型质量最优。

　　SLM成型过程中的主要缺陷有球化、翘曲变形。

　　球化是成型过程中上下两层熔化不充分，由于表面张力的作用，熔化的液滴会迅速卷成球形，从而导致球化现象，为了避免球化，应该适当地增大输入能量。

　　翘曲变形是由于SLM成型过程中存在的热应力超过材料的强度，发生塑性变形引起，由于残余应力的测量比较困难，目前对SLM工艺的翘曲变形的研究主要是采用有限元方法进行，然后通过实验验证模拟结果的可靠性。

　　SLM技术的基本原理是:先在计算机上利用Proe、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。

　　EBSM技术是20世纪90年代中期发展起来的一种金属零3D打印技术，其与SLM/DMLS系统的差别主要是热源不同，在成型原理上基本相似。

　　与以激光为能量源的金属零件3D打印技术相比，EBSM工艺具有能量利用率高、无反射、功率密度高、聚焦方便等许多优点。

　　在目前3D打印技术的数十种方法中，EBSM技术因其能够直接成型金属零部件而受到人们的高度关注。

　　Ramirez等采用Cu2O制备了新型定向微结构，发现在制备过程中，柱状Cu2O沉淀在高纯铜中这一现象。

　　刘海涛等研究了工艺参数对电子束选区熔化工艺过程的影响，结果表明扫描线宽与电子束电流、加速电压和扫描速度呈明显的线性关系，通过调节搭接率和扫描路径可以获得较好的层面质量。

　　锁红波等研究了EBSM制备的Ti-6Al-4V试件的硬度和拉伸强度等力学性能，结果表明成型过程中Al元素损失明显，低的氧气含量及Al含量有利于塑性提高；硬度在同一层面内和沿熔积高度方向没有明显差别，均高于退火轧制板的硬度水平。

　　利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实；然后，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化/烧结，层层堆积，直至整个零件全部熔化/烧结完成。

　　金属3D打印材料是金属3D打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。

　　目前，金属3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在金属3D打印领域得到了应用。

　　金属3D打印所用的这些原材料都是专门针对金属3D打印设备和工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别，其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。

　　通常，根据打印设备的类型及操作条件的不同，所使用的粉末状金属3D打印材料的粒径为1～100μｍ不等，而为了使粉末保持良好的流动性，一般要求粉末要具有高球形度。

　　金属3D打印材料的研发和突破是金属3D打印技术推广应用的基础，也是满足打印的根本保证。

　　一是加强材料的研制，形成完备的打印材料体系。

　　近几年，金属3D打印材料发展比较快，2013年，金属材料打印增长了28%，2014年达到30%多，约占金属3D打印材料的12%，金属材料以钛、铝、钢和镍等合金为主，钛合金、高温合金、不锈钢、模具钢、高强钢、合金钢和铝合金等均可作为打印材料，已经广泛应用于装备制造和修复再制造。

　　但目前还没有一个金属3D打印材料体系，现有材料还远不能满足金属3D打印的需求。

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　　SKD61是一种含硅、铬、钼、钒的中等合金热作模具钢经淬火、回火处理后得到组织细、晶粒适中的马氏体组织,基本上分布着细小的炭化物,具有良好的综合力学性能,而且淬透性能好,比较适合制造尺寸大、形状复杂的模具。

　　适用于热作，铝、镁、锌、铜合金压铸模，切槽刀，剪刀及热锻动作，塑胶型模，热作铰刀，轧刀，一般热作锻模，热螺栓模，热间各种工具等。

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　　红硬性在高温状态下工作的热作模具，要求保持其团体和性能的稳定，从而保持足够高的硬度，这种性能称为红硬性。

　　碳素工具钢、低合金工具钢通常能在180250℃的温度范围内保持这种性能，铬钼热作模具钢一般在550600℃的温度范围内保持这种性能。

　　钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理工艺。

　　抗压屈服强度和抗压弯曲强度模具在使用过程中经常受到强度较高的压力和弯曲的作用，因此要求模具材料应具有一定的抗压强度和抗弯强度。

　　在很多情况下，进行抗压试验和抗弯试验的条件接近于模具的实际工作条件（例如，所测得的模具钢的抗压屈服强度与冲头工作时所表现出来的变形抗力较为吻合）。

　　抗弯试验的另一个优点是应变量的定是值大，能较灵敏地反映出不同钢种之间以及在不同热处理和团体状态下变形抗力的差别。

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　　据密度公式：ρm/v，也就是说决定模具钢质量和体积的因素决定了模具钢密度。

　　那么从微观的角度来讲的话，就是分子量和分子间隙共同决定物质的密度。

　　体积、大小、质量、压强、压力和温度影响物质密度，虽然物质密度物质的本身属性，它是一定的，但是物质有各种状态，当物质形成态的转化的时候，密度才会变化。

　　比如水，升温可导致水的气化，密度变小，加压又可以使水蒸气从新凝结为液态水，密度变大，都知道的是铁的密度7.8g/cm3，模具钢材是铁和一些微量的合金元素形成的，微量的合金元素占的比例非常少，但是在模具钢材成形的过程会形成不同的化合物，每一种化合物所占有的空间不一样，导致同样体积的模具钢材，其内部的空隙不一样，这就是影响模具钢密度的主要因素。

　　但由于模具钢材加入的合金元素分量不到10%对模具钢材整体的影响小，所以密度也接近铁的密度。

　　模具钢材的材料是模具制造业和物质的技术基础。

　　想要模具钢钢材质好，首先合金成分含量要达标。

　　模具钢分为多种型号，其中每种型号都有相应的合金含量标准，想要选择好的模具钢材，合金含量要在规定的范围内达到标准。

　　在该范围内，偏差合理，偏差小，对模具钢性能的影响可以忽略不计。

　　如果不在标准范围内，就属于以次充好，加工出来的产品也是不合格的。

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