金属零部件制造的3D打印技术现

3D打印又称“增材制造”，美国材料与试验协会（ASTM）F42国际委员会将其明确定义为“采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术”。因此，3D打印是一类制造技术的总称，从内涵至外延包含了广泛的原材料应用和增材工艺方法。自1892年基于叠层制造原理的立体地形模型制造专利发布起，3D打印技术的原始创新活动蓬勃发展，近30年来国内外大量学者将增材工艺与数字化制造技术结合起来，并进一步深化了基础理论体系，真正将3D打印发展成为一种可以工业化应用的技术门类。金属零部件是工业体系中占比最大、应用最为广泛的产品类型，随“工业4.0”进程的加快，快速开发、定制化制造、轻量化等需求面临着紧迫的压力。而3D打印技术具备成自由形度高、用材范围广、制件性能优异及制造环节少的特点，很好地契合了金属零部件产品的未来发展趋势，并已开始进入实用性阶段。

一、间接制造现状及其发展趋势

铸造成形是获得金属零部件的一种重要而又广泛的技术方式，在传统的铸造工业中大多包含模具制造的工序，而模具设计、开发和修正是一个漫长而昂贵的过程，3D打印技术中的快速原型（RapidPrototyping）技术可以有效解决这一问题而获得大量应用。其中，代表性的技术包括选区激光烧结（SLS）、激光立体光固化（SLA）和树脂微滴喷射（3DP）技术。采用选择性激光烧结技术可以省去模具制造过程，直接用来制作酚醛树脂覆膜砂铸型、熔模芯壳等产品，用于浇注金属零部件产品；激光立体光固化技术是通过特定波长的激光光束来固化光敏树脂的成形方式，具备成形自由度高、制件粗糙度低、尺寸精度好的特点，用来制作刚性高分子模具，强度可达50MPa，适用于呋喃树脂砂、水玻璃砂及潮模砂的砂型翻模制造，模具寿命和尺寸精度水平可满足小批量铸造产品的生产，且制造时间和成本低于传统金属模具；树脂微滴喷射技术采用阵列喷头动态控制的方式，获得了较快的面层扫描速度，适用于呋喃树脂自硬砂型的高效率制造。

笔者认为，铸型的适用范围和设备制造效率能否有效兼顾，是影响3D打印技术在铸造批量化生产模式中获得应用的关键因素。目前，可动态关闭的大功率半导体激光器技术已实现实质性突破，未来各研究机构和制造企业会开发出阵列扫描烧结酚醛覆膜砂材料的设备，并实现低维护成本下宽幅应用砂型的高速制造，能真正使 3D 打印成为传统铸造的必备工序。

二、直接制造现状及其发展趋势

直接制造金属零部件的3D打印技术，充分发挥了金属熔体在远离平衡态凝固过程中晶粒细化、溶质偏析倾向小的作用，可获得细密均匀的基体组织，并使金属零部件呈现出良好的力学性能；此外，现代结构设计理念中的点阵结构、拓扑优化技术可以通过3D打印的自由成形能力得到充分发挥，极大提高金属制件的轻量化水平。这些优势的协同作用为3D打印的应用奠定了基础，已在航空、航天等高端装备的极致轻量化和高可靠性部件上获得了大量应用，此外，随金属粉材牌号、规格的不断扩展和设备核心器件的价格持续降低，直接制造金属零部件3D打印技术的应用成本正在趋近于合理的区间。轨道交通、船舶等民用高端装备产品具备与航空、航天产品相似的批量特点，并包含自身特有的结构特点和轻量化、安全性指标需求，将会为选择性激光熔化技术、激光立体成形技术提供新的应用空间。

三、组合制造现状及其发展趋势

四、结语