义柏研究院丨金属3D打印专题研究：激光之外大有可为

所谓的“3D打印技术”，并不是一种单一的技术，而是描述一种制造生产方式的涵盖性术语。目前市场上的3D打印技术层出不穷，大部分技术的本质在一定范围内形成微型的熔融池，以达到粘合金属的目的。

目前激光选区熔化 (SLM) 技术已经广泛用于打印常规尺寸（中型，即0.5米级）到大型（1-1.5米级）的金属打印，而直接能量沉积 (Direct Energy Deposition, DED)方案则被认为将广泛用于超大型（数米级）的金属件成型。

例如产业化最成熟、应用最广泛的SLM技术，其打印机年出货量占全部金属3D打印机的约85%，基本工作原理是用高能量激光束，将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化，由下而上逐层打印出三维结构的金属零件。与传统加工技术相比，SLM由于其高致密性、较高精度、低废料率、形状设计灵活等特点，已被广泛应用于航空航天及医疗领域的最终产品生产中。

除此之外，为了满足在航空、航天领域日益显现的大型化零件需求，越来越多的客户选择使用DED技术来实现生产目标。这种技术采用高能量（通常是等离子弧）来撞击挤出的金属丝或粉末来熔化金属，通常会连接不同尺寸的机械臂来进行运动控制，有望实现十米级的3D打印。该项技术的原理与焊接非常相似，多自由度的机械臂通过设计可以避免支撑材料的使用。也被广泛地用于修复和新增组件。

电子束与激光成型方案的原理都是通过能量来熔化金属粉末（或丝材）、结合、再进行堆叠以生成高致密的金属结构。该技术来源于瑞典ARCAM公司在1994年申请的专利 - 电子束熔化成形技术 (Electron Beam Melting)，ARCAM也是全球第一家将电子束制造商业化的公司（已被GE收购）。清华大学开发的电子束选区熔化(EBSM)利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末，与SLM类似，利用电子束实时偏转实现熔化成形，该技术不需要二维运动部件，可以实现金属粉末的快速扫描成形。

EBM的原理：真空腔顶部的电子束枪生成电子束，电子束受控转向。电子从一个丝极发射出来，当该丝极加热到一定温度时，就会放射电子。电子束由两个磁场进行控制：第一个磁场扮演电磁透镜的角色，负责聚焦电子束；第二个磁场将聚焦后的电子束转向到工作台上所需的工作点。击中材料时，电子束释放出能量。材料吸收这种能量并将其转化为热量，粉末被加热熔合，逐层成形。成形结束后，被加热但未熔化的粉末包裹在完全熔化的零件周围，需要在后处理步骤中去除并回收。该后处理步骤类似机械喷砂。

当前已形成规模以上产业的EBM技术主要材料仍以钛合金作为主要的原材料，但从原理上来说，能够支持电子束3D打印的金属范围广泛，从最轻的钛合金到最坚固的镍基高温合金都可以加工，而这些正是传统工艺难以涉足的。与此同时，电子束方案还能加工传统减材或激光方案都难以加工的裂纹敏感类材料及高反光材料。EBM产出的零件，机械性能可以比肩铸件，也能够像传统制造金属零件一样进行机械加工、涂层和处理，与传统供应链进行融合。

电子束比激光更深地穿透粉末材料，从而使粉末熔化更均匀。电子束还能够熔化高反光率材料，并且不会导致粉末颗粒的表面过热蒸发。同时，电子束也能可适应较宽的层厚范围，意味着其在相同条件下，打印的效率、致密度均优于激光。另外，由于在整个成型过程中，粉床均保持高温，能生产没有残余应力的零件，减少了热处理的需求，进一步降低了成本。

Binder Jetting这项技术使用喷头，将粘合剂滴在粉末床上，吸收液滴的区域粘合在一起、被固化，一次粘合一层，逐层生成整个对象。BJ可以处理金属、沙子、陶瓷等材料。打印机在室温下进行，不会发生翘曲、不需要支撑，因此其尺寸在理论上没有限制，可以进行超大体积的打印，也可进行物体的堆叠打印，从而充分利用整个打印舱室。打印速度也非常快，例如GE Additive在2017年底宣布进入粘结剂喷射金属3D打印领域，并推出了“H1”原型机，据报道打印速度可达到655立方厘米/小时。

然而，由于粘结剂的存在，其成品必须经过烧结。目前，业界普遍相信Binder Jetting有能力制造出致密、高性能的零件，但对产品的变形和精度仍有疑虑。其原因在于，后处理的烧结过程通常是不均匀的，而为了达到致密的结果，烧结必须收缩。为了做到均匀的烧结，需要做到材料一致、烧结温度场均匀一致、以及外力影响一致。针对后处理环节，各家仍在产业化攻关的阶段。

因此，该技术的复杂性在于，有太多因素会影响最终零件性能和精度。研发人员和使用者需要掌握常规的3D打印软件和控制，同时还要研究粘结剂、金属材料、烧结工艺及其相互影响规律等。即使相同的材料和打印参数，用同一台烧结炉采用不同的温度曲线，得到的零件性能也会不同。何况在生产过程中，任何细节的变动都会导致材料组分、打印参数的细微变化，为最终产品的质量控制产生了极大的挑战。

粘结剂喷射由于打印速度较快，被视为有望实现工业批量化应用的金属3D打印技术，但仍需克服烧结工艺问题。同时，该技术也不擅长加工大面积薄壁件（无支撑），也不善于制造细枝树状零件。

从工艺方面划分，当前全球主流的3D打印金属粉末制备方法包括：气雾化法（GA）、等离子旋转电极法（PREP）、等离子雾化法（PA），以及等离子球化法（PS）等。

针对金属3D打印的使用场景，对成品的纯净度、颗粒度、粉末形貌等有较高的要求，尤其是粉末形貌，一般要求球形度98%以上，才能拥有良好的粉末流动性和松装密度，进而世界影响产品性能和生产过程中的稳定性。上述工艺中，能稳定、大规模量产球形粉末的只有气雾化法GA及旋转电极法PREP；等离子球化法PS尚处于实验室阶段，需要解决稳定性等工程化难题，离产业化还有相当长的距离。

PREP制备的粉末球形度较高，但是受工艺原理的限制，细粉收得率较低，主要用于制备送粉增材制造用粉体。气雾化制粉技术所制备的粉末具有球形度高，流动性好，O、N、H含量低等优势，粉末粒度分布可调控范围大等优点，已成为生产高性能球形金属粉末的主要方法。

气雾化法制备的金属粉末冷却速率快、成分均匀、球形度高、粒度分布较宽，其中：15~53μm粒径范围的粉末收得率可达35%~45%，多用于SLM技术；53~150μm粒径范围的粉末则可用于同轴送粉的激光立体成型技术。

气雾化制备的金属粉末粒度呈对数正态分布，通过减小粉末粒度分布宽度可以增加粉末收得率，粉末收得率的提高可以有效降低粉末的制备成本。

金属液流直径主要由导流嘴孔径控制。在相同雾化压力条件下，金属液流直径减小，单位时间内金属液流被冲击破碎得更加充分，细粉收得率也会相应增加，但也会减少金属熔液的热量，在高压气体的冷却作用下，增加了发生堵塞中断的风险。

降低金属粉末制备成本的另一种方法是使用雾化气体循环系统，刘学晖等采用无坩锅感应加热Ar气雾化制取钛与钛合金粉末，并使用了Ar气净化回收系统以降低成本。研究发现：随着Ar气循环使用时间的增加，Ar气中的N、O含量基本无变化；而由于Ti和Ti合金在高温熔化喷雾时是一个脱氢过程，脱出的H进入Ar气中，使其中的H含量线性升高，进而导致粉末中的H含量升高，所以在循环系统中加入吸氢装置可以增加Ar气的循环使用次数。

我国金属3D打印粉末起步较晚、技术积累较弱，早期科研级装备几乎全部依赖进口，装备和材料开发自主国产化能力不足。国内生产的球形粉体存在性能不稳定、成本高、收得率低等问题。至于高端金属粉末，全球仅有美、德、加等少数几国具有原创和较深的技术积累。

在国产替代出现之前，进口粉末价格高昂，同时国产粉末在缺乏核心技术的情况下，陷入了价格战的泥潭。客观上中低端粉末的价格确实被拉低，但中高端粉末（如航空级、医用级粉末）仍然大量依赖进口。

我国中航迈特于2016年自主开发了国内首批钛粉电极感应气雾化生产装备，研制出球形度高、氧含量低、良好细粉收得率的钛合金系列粉末，涉及近10种高品质钛粉产品，满足了航空航天用户急需。中航迈特在电极感应气雾化技术装备方向上，设计建造了智能化氩气循环系统，采用多级增压机组对雾化气体进行回收、净化、加压，实现了高纯雾化气体的循环使用，钛粉生产直接制造成本下降50％。

Digital Metal是海外Binder Jetting方向的龙头企业，于2021年推出了用于粘结剂喷射的3D打印纯铜粉末。纯铜具有良好的延展性和导电性，被广泛用于生产电线等电气连接件，还具有抗菌特性，这为它在医疗上的应用开辟了新路径。这种材料以优异的导热性而闻名，成为热交换器、管道、发动机和电子产品的散热器等传热部件的选择，用户可以通过配套的DM P2500 3D打印机制造出99.9%的纯铜组件。利用其导电性和导热性，可用于打印天线、散热片等。

铂力特也在2021年推出了一种具有高比强度、抗氧化性、无磁性以及优异高温力学性能的Ti2AlNb材料。它是最具潜力的航空航天发动机用材料之一，但常温下脆性很大，加工难度极大。该材料与GH3536对标，两者在900℃下具有相似强度，但铂力特开发的新材料密度仅为后者的64.5%。

以产业化最成熟的SLM设备为例：SLM设备一般由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几个部分组成。通常主要的研发难度集中在激光器、振镜、软件（包括人机控制界面、路径规划软件）这几个部分。

对SLM来说，目前国产的激光器、振镜与世界先进水平存在较大差距，是金属3D打印机中卡脖子的部件。铂力特曾在财报中的风险提示中，明确指出了国产替代的重要性：

“我国工业级增材制造装备核心器件严重依赖进口的问题依然较为突出。增材制造装备核心器件，如高光束质量激光器及光束整形系统、高品质电子枪及高速扫描系统、大功率激光扫描振镜、动态聚焦镜等精密光学器件、阵列式高精度喷嘴／喷头等严重依赖进口，公司进口核心元器件主要为激光器及扫描振镜。公司设备的部分核心器件对国外品牌存在一定的依赖性。若上述核心器件受出口国贸易禁用、管制等因素影响，导致公司无法按需及时采购，将对公司的生产经营产生不利影响。”

金属打印用激光器经历了几个发展阶段，主要有CO2激光器、YAG激光器以及光纤激光器。CO2激光器的本身输出波长很长，金属材料的吸收率较低，因此早期金属打印用的CO2激光器功率动辄几千瓦。YAG激光器能够输出1.06μm的波长，与金属的偶合效率高、加工性能良好，一台800W YAG激光器的有效功率相当于3KW CO2激光功率。后来随着光纤激光逐步被推向商业市场，YAG激光的弊端便不断显现出来，采用更加集成、电光转换率更高、性能更稳定的光纤激光便成为金属打印发展的一大趋势。

我国激光产业国产替代的重要事件是2007年武汉锐科激光的成立。其成立以前，我国光纤激光器基本依赖进口。锐科诞生后，中国又相继诞生了多家光纤激光器企业，打破了海外企业的垄断。经过十余年的发展，低功率市场的激光器基本已被国产制造商占据，例如锐科10-30W小功率激光器的价格比进口产品低将近50%，国产化率接近100%；中等功率的激光器，本土公司起步晚，目前技术优势不大，但价格有明显优势，倒逼海外制造商降价，国产化率超过50%；而在高功率市场，海外厂商（如IPG）仍占有绝对优势。

因此，虽然国产化率仍有待提升，但大量国产激光器企业的出现使得国产激光器的价格已有了大幅下降。例如，1kw的激光器在2017年进口价格在12-20万，而国产价格在10-15万；到2019年，进口产品价格已下降到5-6万元，而国产产品价格则进一步降到5万以下。

目前，激光器的上游，包括激光晶体、光学镜片、合束器、泵浦源等，国产化程度已经比较高；有源光纤、激光芯片国产化率仍有待提升。近年来，上游（如激光芯片、泵浦源、特种光纤等）涌现出一批核心零部件企业，推动激光器的制造成本不断下降，提升国产激光器的市场竞争力。

过程控制或工艺控制一直是制造行业最核心的技术之一。简单来讲，就是如何避免生成缺陷，同时生产出有效的零件。有效零件是指在宏观上外形尺寸精确，避免变形，同时微观上材料结构，如晶粒大小，结晶方向，各组分比例等合理，达到下游对成品物理特性的要求。这就需要通过有效的检测方法对材料进行过程中检测，或是通过大量实验来进行试错，从而确定工艺参数。

例如SLM工艺中，由于激光会将粉末间空气加热，导致粉末吹起，最终形成零件中的孔隙。因此在SLM工艺中，吹气结构以及气流的稳定性至关重要。如果没有有效优化，打印过程中飞溅的金属粉末会落回到零件，导致零件致密度下降，质量无法达标。因此厂家通常都会对气流进行一系列计算，以合理分配每次吹气的流量和速度。也有厂家采用仿真优化软件来设计计算，保证气流稳定性，提高打印质量。

另外，激光器光斑的尺寸大小也会影响打印的精细度和成品的致密度。激光点加热金属粉末，激光点对应一个微型熔池，融化粉末再冷却形成固体结构；光斑的大小和热量通过影响微型熔池的大小来影响零件的微晶结构。由于激光器的热量会扩散到周边粉末，所以最小的制造尺寸一般比激光斑要大，超出激光点的烧结量取决于粉末的热导率和激光的能量。更小的光斑直径也能带来更少的打印飞溅、更高的零件致密度等。

再比如在WAAM工艺中由于打印过程无需真空，通常会暴露在常温环境下，且零件较大，因此要求零件快速冷却；但快速冷却会导致形成的晶粒较大，从而降低零件强度。因此需要精密的计算来形成复杂的冷却策略，通过气雾环境等方法来控制零件每一个部分的冷却速度。

对新材料、新工艺的配合验证与测试也是打印机制造商核心工作的一部分。例如，美国马歇尔航天飞行中心 (MSFC)、美国宇航局格伦研究中心 (GRC) 和兰利研究中心的团队曾在2017年完成了GRCOP-84 (Cu-8%Cr-4 %Nb) 铜合金SLM工艺开发，用于液氧甲烷发动机燃烧室的制造。为了进一步提高发动机性能，下一步的工作是开发GRCOP-42 (Cu-4 % Cr-2% Nb) 铜合金，这种材料强度类似，但热导率更高。GRCOP-42基于Concept Laser M2完成的，这台机器也曾经被用于GRCOP-84。开发人员针对42个参数进行了初步试验，建立了不同工艺组合的25个小块，最终研究发现，GRCOP-42是一种易于打印的合金，可以制备完全致密的部件，相比GRCOP-84可以达到更快的成型速度并具有一致的性能。利用平均孔隙度和孔径进行初始参数测试也显示出预测力学性能的良好效果，对延伸率的影响尤其明显。采用优化的新工艺，3D打印速度提升约20%，原来28天才能完成打印的部件现在仅需不到23天，几乎节省了一周的时间。

增材制造在工业领域大规模应用的另一前提是低成本、高有效的方式来检测打印零件的质量。比如具有复杂内沟道结构零件的内表面粗糙度（残留粉末堵塞内通道），零件的缺陷和裂纹、孔隙率、尺寸检测等问题，这些问题都需要先进检测方法的进一步研发。

对于传统加工工艺，特定方向的几张X射线照片就可确定产品情况。然而，对于以逐层累积为特征的3D打印来说，整个零件都需要进行全面的扫描，才能完整地检测。目前，对3D打印金属产品的检测方法包括Micro CT检测（X射线CT）、涡流检测、超声检测、白光干涉检测、非相关光学检测等。Micro CT在复杂内部结构和几何形状产品的无损检测方面最有潜力，也是唯一能有效实现零件内部体缺陷和复杂几何形状无损测量的方法，能一次扫描到零件的内外表面，其分辨率可达到微米水平。

金属3D打印的主流场景仍旧属于一般3D打印的范围；对切割重量大、结构复杂、开模成本vs产量无法平衡的产品有显著优势。这也是其天然与航空航天、重大机械、以及医疗场景高度契合的主要原因。

与传统制造技术（减材制造）相比，3D 打印不需要事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，具有“去模具、减废料、降库存”三大特点。针对金属增材，通常而言材料费用更昂贵，金属粉末的成本显著更高，对废料更敏感，因此材料的节省更有价值。通常采用金属增材制造的场景具备有如下特点：

我们认为，金属增材制造/3D打印在未来有如下发展方向：

参考资料