大数据|金属3D打印技术的特点及未来主要的发展方向( 四 ) 革命|机器

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。
EBSM 技术主要有送粉、铺粉、熔化等工艺步骤，因此，在其真空室应具备铺送粉机构、粉末回收箱及成形平台。同时，还应包括电子枪系统、真空系统、电源系统和控制系统。其中，控制系统包括扫描控制系统、运动控制系统、电源控制系统、真空控制系统和温度检测系统，如图 3 所示。瑞典 Arcam 公司制造生产的 S12 设备是电子束选区熔化技术在实际应用中的最好实例。该公司在 2003 年就开始研究该项技术，并与多种领域结合探究。目前， EBSM技术在生物医学中得到了大量应用，相关单位正积极研究它在航空航天领域中的应用，美国在空间飞行器方面的研究重点是飞行器和火箭发动机的结构制造以及月球或空间站环境下的金属直接成形制造。
3 金属3D打印材料突破是发展基础
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。
用于激光立体成形的材料主要是金属惰性材料，下一步需要尝试其他活泼的金属打印材料。传统用于粉末冶金的金属粉末尚不能完全适应3D打印的要求，且目前能运用于打印的金属材料种类少，价格偏高。国外已出现少数几家专供3D打印的金属粉末的公司，如美国Sulzer Metco、瑞典的Sandvik等，但也只能提供少数几种常规金属粉末。国内材料研发相对滞后，打印粉末太贵。因为材料研发周期长，研发难度较设备大，企业出于利益的最大化不愿进行材料研发。黄河旋风股份有限公司是国内为数不多的从事金刚石微粉、CBN微粉生产的企业。高校研究又热衷于3D打印装备及软件配套等，因此打印材料在很大程度上制约着金属3D打印技术的发展及应用。 4 金属粉末3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。3D 打印金属粉末作为金属零件 3D 打印产业链最重要的一环，也是最大的价值所在。