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近年來，3D打印技術逐漸應用于實際產品的制造，其中，金屬材料的3D打印技術發展尤其迅速。在國防領域，歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應用的重點。不大能打印模具、自行車，還能打印出gun等武器，甚至能夠打印出汽車、飛機等大型設備裝備。作為一種新型制造技術，3D打印已展現出了十分廣闊的應用前景，而且在裝備設計與制造、裝備保障、航空航天等更多的領域展現出了強勁的發展勢頭。

1 3D打印概述  

1.1 基本概述  

3D打印技術的核心思想最早起源19世紀末的美國，但是直到20世紀80年代中期才有了雛形，1986年美國人Charles  Hull發明了第一臺3D打印機。我國是從1991 年開始研究3D打印技術的，2000年前后，這些工藝開始從實驗室研究逐步向工程化、產品化方向發展。當時它的名字叫快速原型技術（RP），即開發樣品之前的實物模型。現在也有叫快速成型技術，增材制造。但為便于公眾接受，把這種新技術統稱為3D打印。3D打印是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型設計為基礎，運用粉末狀金屬或樹脂等可粘合材料，通過逐層“增材”打印的方式來構造三維物體的技術。3D打印被稱作“上個世紀的思想和技術，這個世紀的市場”。

1.2 3D打印特點

1）精度高。目前3D打印設備的精度基本都可控制在0.3mm以下。

2）周期短。3D打印無須模具的制作過程，使得模型的生產時間大大縮短，一般幾個小時甚至幾十分鐘就可以完成一個模型的打印。  

3）可實現個性化。3D打印對于打印的模型數量毫無限制，不管一個還是多個都可以以相同的成本制作出來。  

4）材料的多樣性。一個3D打印系統往往可以實現不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領域的需要。

5）成本相對較低。雖然現在3D打印系統和3D打印材料比較貴，但如果用來制作個性化產品，其制作成本相對就比較低了。 

2 金屬3D打印技術

金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。隨著科技發展及推廣應用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。

2.1 激光工程化凈成形技術( LENS) 

LENS是一種新的快速成形技術，它由美國Sandia國家實驗室首先提出。其特點是: 直接制造形狀結構復雜的金屬功能零件或模具；可加工的金屬或合金材料范圍廣泛并能實現異質材料零件的制造；可方便加工熔點高、難加工的材料。

LENS是在激光熔覆技術的基礎上發展起來的一種金屬零件3D打印技術。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按照預設軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。1999年，LENS工藝獲得了美國工業界中“最富創造力的25項技術”之一的稱號。國外研究人員研究了LENS工藝制備奧氏體不銹鋼試件的硬度分布，結果表明隨著加工層數的增加，試件的維氏硬度降低。

國外研究人員應用LENS工藝制備了載重植入體的多孔和功能梯度結構，采用的材料為Ni、Ti等與人體具有良好相容性的合金，制備的植入體的孔隙率最高能達到70%，使用壽命達到7-12年。  Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制備了多孔生物植入體，并研究了植入體的力學性能，發現孔隙率為10%時，楊氏模量達到90 GPa，當孔隙率為70%時，楊氏模量急劇降到2 GPa，這樣就可以通過改變孔隙率，使植入體的力學性能與生物體適配。Zhang等制備了網狀的 Fe 基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）組件，研究發現MG的顯微硬度達到9.52 GPa。Li通過LENS工藝修復定向凝固高溫合金GTD-111。國內的薛春芳等采用LENS工藝，獲得微觀組織、顯微硬度和機械性能良好的網狀的Co基高溫合金薄壁零件。費群星等采用LENS工藝成型了無變形的Ni-Cu-Sn合金樣品。

在LENS系統中，同軸送粉器包括送粉 器、送粉頭和保護氣路3部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送給機構，粉末的流量由步進電機的轉速決定。為使金屬粉末在自重作用下增加流動性，將送粉器架設在2. 5 m的高度上。從送粉器流出的金屬粉末經粉末分割器平均分成4份并通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點的位置完成熔化堆積過程。全部粉末路徑由保護氣體推動，保護氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而避免金屬粉末氧化。LENS 系統同 軸送粉器結構示意圖見圖1。目前，快速原型技術已經逐步趨于成熟，發達國家也將激光工程化凈成形技術作為研究的重點，并取得了一些實質性成果。在實際應用中，可以利用該技術制作出功能復 合型材料，可以修復高附加值的鈦合金葉片，也可以運用到直升機、客機、導彈的制作中。另外，還能將該技術運用于生物植入領域，采用與人體具有相容性的Ni、Ti材質制備植入體，有效提升了空隙率，延長了植入體的使用時長。

2.2 激光選區熔化技術( SLM) 

SLM 是金屬 3D 打印領域的重要部分，其發展歷程經歷低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點粉末燒結、高熔點粉末直接熔化成形等階段。由美國德克薩斯大學奧斯汀分校在 1986年最早申請專利，1988年研制成功了第1臺SLM 設備，采用精細聚焦光斑快速熔化成30 ～51 μm 的預置粉末材料，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結合的功能零件。致密度可達到近乎 100%，尺寸精度達 20 ～ 50 μm，表面粗糙度達20 ～30 μm，是一種極具發展前景的快速成形技術。 

SLM成型材料多為單一組分金屬粉末，包括奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷-鉻合金和貴重金屬等。激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結合、高精度的近乎致密金屬零件，是極具發展前景的金屬零件3D打印技術。其應用范圍已經擴展到航空航天、微電子、醫療、珠寶首飾等行業。

SLM工藝有多達50多個影響因素，對 成型效果具有重要影響的六大類：材料屬性、激光與光路系統、掃描特征、成型氛圍、成型幾何特征和設備因素。目前，國內外研究人員主要針對以上幾個影響因素進行工藝研究、應用研究，目的都是為了解決成型過程中出現的缺陷，提高成型零件的質量。工藝研究方面，SLM成型過程中重要工藝參數有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距和掃描策略等，通過組合不同的工藝參數， 使成型質量最優。

SLM成型過程中的主要缺 陷有球化、翹曲變形。球化是成型過程中上下兩層熔化不充分，由于表面張力的作用，熔化的液滴會迅速卷成球形，從而導致球化現象，為了避免球化，應該適當地增大輸入 能量。翹曲變形是由于SLM成型過程中存在的熱應力超過材料的強度，發生塑性變形引起，由于殘余應力的測量比較困難，目前對 SLM工藝的翹曲變形的研究主要是采用有限元方法進行，然后通過實驗驗證模擬結果的可靠性。SLM 技術的基本原理是: 先在計算機上利用Pro /e、UG、CATIA 等三維造型軟件設計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。

圖 2 為其成形原理圖： 激光束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成形缸的基板上，激光束再按當前層的填充掃描線，選區熔化基板上的粉末，加工出當前層，然后成形缸下降1 個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當前層上鋪好金屬粉末，設備調入下一層輪廓的數據進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發生反應。  廣泛應用激光選區熔化技術的代表國家有德國、美國等。他們都開發出了不同的制造機型，甚至可以根據實際情況專門打造零件，滿足個性化的需要。利用EOSING M270設備成形的金屬零件尺寸較小，將其應用到牙橋、牙冠的批量生產中既不會影響人們對其的使用，也不會產生不適感，且它的致密度接近100%，精細度較好。與此同時，利用 SLM 技術生產出的鈦合金零件還能夠運用到醫學植入體中，促進了醫學工作的發展。