李昂等：金属增材制造技术的关键因素及发展方向 ·161· 表1各金属增材制造技术的设备、材料和工艺的特点 Table I Characteristics of equipment,material,and process for different metal additive manufacturing technologies 技术名称诞生年代 设备特点 材料特点 工艺特点 参考文献 热源为激光器，激光功率和光高、低熔点混合的高形通过熔化低熔点粉材粘合高熔点粉材，层 激光选区烧 1986 斑直径均较小，采用振镜使激状要求粉材，预先铺设厚及扫描间距较小，需通过复杂后处理提 结 [10-12] 光束运动 在基板上 高产品致密度 材料无特殊形状要求，成形过程中热源不熔化已沉积层，以微滴 热源为电阻丝或感应线图，喷 微滴喷射 1993 熔化后以金属熔体的形形式成形，层厚及扫描间距较小，需后续加 [13-15] 嘴或基板做机械运动 式供料 工提高产品精度 热源为激光器，激光功率较大， 激光选区熔 单一种类高形状要求粉金属粉材先于已沉积层熔化，层厚及扫描 1995 光斑直径较小，采用振镜使光 [16-17] 化 材，预先铺设在基板上间距较小，无需复杂后处理 束运动 热源为激光器，激光功率和光 一种或多种低形状要求 激光工程化 1995 斑直径大，激光器或基板做机粉材，成形过程中输送 金属粉材与已沉积层一起熔化，层厚及扫 [18-19] 净成形 描间距大，需后续加工提高产品精度 械运动 至成形区域 金属电弧增 热源为电弧，能量输人较高，焊低形状要求线材，成形金属线材与已沉积层一起熔化，层厚及扫 1998 [20] 材制造 枪或基板做机械运动 过程中输送至成形区域描间距大，需后续加工提高产品精度 热源为电子束，功率及束斑直 在高成形环境温度下，金属粉材先于已沉 电子束选区 单一种类低形状要求粉 2000 径大，能量利用率高，采用偏转 积层熔化，层厚及扫描间距较大，需后续加 [21-22] 熔化 材，预先铺设在基板上 线圈使电子束运动 工提高产品精度 低熔点高形状要求线成形过程中热源不熔化已沉积层，以连续 金属熔融沉 热源为电阻丝或感应线圈，喷 2002 积 材，熔化后以半固态的的半固态形式成形，层厚及扫描间距较大， [23-24] 嘴或基板做机械运动 形式供料 需复杂后处理提高产品精度和结合强度 电子束熔丝 热源为电子束，功率及束斑直低形状要求线材，成形金属线材与已沉积层一起熔化，层厚及扫 2003 [25-271 沉积 径大，基板做机械运动 过程中输送至成形区域描间距大，需后续加工提高产品精度 设备 ■材料 工艺 供给系统、运动系统、成形系统和控制系统等子系统 组成，是集材料、机械、控制和计算机技术等为一体 的复杂机电一体化系统.在金属增材制造技术的众 多系统中，原料供给系统、成形系统和控制系统与材 料和工艺的关系最为密切，是目前金属增材制造设 激光选区绕结技术 金属增材制造新技术 备研究的重点. 图2设备、材料和工艺与金属增材制造技术发展之间的关系 Fig.2 Relations among the equipment,material,process,and the 2.2原料供给系统研究现状 development of metal additive manufacturing technology 根据金属材料的供给方式，金属增材制造设备 的原料供给系统主要可以分为三种：第一种是铺粉 弗莫尔国家实验室)、Oak Ridge National LaboratoryI 式原料供给系统：第二种是送粉/丝式原料供给系 ORNL(橡树岭国家实验室)、Lawrence Berkeley Na- 统：第三种是熔体输送式原料供给系统 tional Laboratory I LBNL(劳伦斯伯克利国家实验 在铺粉式原料供给系统中，粉材刮刀的设计以 室)、University of Texas,El Paso I UTEP(德克萨斯 及铺粉的精度对于铺粉的均匀性、精度和致密程度 大学埃尔帕索分校)，德国Fraunhofer Institute for La- 具有重要影响，从而能够显著影响产品的致密度以 ser Technology I Fraunhofer ILT(弗劳恩霍夫激光技 及尺寸精度[381] 术研究所)，英国Cranfield University(克兰菲尔德大 在送粉/丝式原料供给系统中，材料的输送速 学)，中国西安交通大学、北京航空航天大学、华中 度、输送量、输送角度和输送位置对于提高材料的利 科技大学、西北工业大学，哈尔滨工业大学等 用率，提高产品的各向同性和表面质量等具有重要 在金属增材制造设备中，气氛要求、热源参数和 作用2-].另外，送粉/丝式原料供给系统在复合 运动参数是影响产品成形尺寸、成形效率以及成形 材料及功能梯度材料的制备中具有独特的优势，在 质量的重要因素，不同金属增材制造技术设备的典 此过程中，多料仓协同送粉/丝及变比例送粉/丝过 型参数及代表性制造单位如表2所示. 程的研究对于材料成分及性能的控制具有重要 金属增材制造设备通常由气氛控制系统、原料 影响[4].李 昂等: 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 表 1 各金属增材制造技术的设备、材料和工艺的特点 Table 1 Characteristics of equipment, material, and process for different metal additive manufacturing technologies 技术名称 诞生年代 设备特点 材料特点 工艺特点 参考文献 激光选区烧 结 1986 热源为激光器,激光功率和光 斑直径均较小,采用振镜使激 光束运动 高、低熔点混合的高形 状要求粉材,预先铺设 在基板上 通过熔化低熔点粉材粘合高熔点粉材,层 厚及扫描间距较小,需通过复杂后处理提 高产品致密度 [10鄄鄄12] 微滴喷射 1993 热源为电阻丝或感应线圈,喷 嘴或基板做机械运动 材料无特殊形状要求, 熔化后以金属熔体的形 式供料 成形过程中热源不熔化已沉积层,以微滴 形式成形,层厚及扫描间距较小,需后续加 工提高产品精度 [13鄄鄄15] 激光选区熔 化 1995 热源为激光器,激光功率较大, 光斑直径较小,采用振镜使光 束运动 单一种类高形状要求粉 材,预先铺设在基板上 金属粉材先于已沉积层熔化,层厚及扫描 间距较小,无需复杂后处理 [16鄄鄄17] 激光工程化 净成形 1995 热源为激光器,激光功率和光 斑直径大,激光器或基板做机 械运动 一种或多种低形状要求 粉材,成形过程中输送 至成形区域 金属粉材与已沉积层一起熔化,层厚及扫 描间距大,需后续加工提高产品精度 [18鄄鄄19] 金属电弧增 材制造 1998 热源为电弧,能量输入较高,焊 枪或基板做机械运动 低形状要求线材,成形 过程中输送至成形区域 金属线材与已沉积层一起熔化,层厚及扫 描间距大,需后续加工提高产品精度 [20] 电子束选区 熔化 2000 热源为电子束,功率及束斑直 径大,能量利用率高,采用偏转 线圈使电子束运动 单一种类低形状要求粉 材,预先铺设在基板上 在高成形环境温度下,金属粉材先于已沉 积层熔化,层厚及扫描间距较大,需后续加 工提高产品精度 [21鄄鄄22] 金属熔融沉 积 2002 热源为电阻丝或感应线圈,喷 嘴或基板做机械运动 低熔点高形状要 求 线 材,熔化后以半固态的 形式供料 成形过程中热源不熔化已沉积层,以连续 的半固态形式成形,层厚及扫描间距较大, 需复杂后处理提高产品精度和结合强度 [23鄄鄄24] 电子束熔丝 沉积 2003 热源为电子束,功率及束斑直 径大,基板做机械运动 低形状要求线材,成形 过程中输送至成形区域 金属线材与已沉积层一起熔化,层厚及扫 描间距大,需后续加工提高产品精度 [25鄄鄄27] 图 2 设备、材料和工艺与金属增材制造技术发展之间的关系 Fig. 2 Relations among the equipment, material, process, and the development of metal additive manufacturing technology 弗莫尔国家实验室)、Oak Ridge National Laboratory | ORNL(橡树岭国家实验室)、Lawrence Berkeley Na鄄 tional Laboratory | LBNL ( 劳伦斯伯克利国家实验 室)、University of Texas, El Paso | UTEP(德克萨斯 大学埃尔帕索分校),德国 Fraunhofer Institute for La鄄 ser Technology | Fraunhofer ILT(弗劳恩霍夫激光技 术研究所),英国 Cranfield University(克兰菲尔德大 学),中国西安交通大学、北京航空航天大学、华中 科技大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学等. 在金属增材制造设备中,气氛要求、热源参数和 运动参数是影响产品成形尺寸、成形效率以及成形 质量的重要因素,不同金属增材制造技术设备的典 型参数及代表性制造单位如表 2 所示. 金属增材制造设备通常由气氛控制系统、原料 供给系统、运动系统、成形系统和控制系统等子系统 组成,是集材料、机械、控制和计算机技术等为一体 的复杂机电一体化系统. 在金属增材制造技术的众 多系统中,原料供给系统、成形系统和控制系统与材 料和工艺的关系最为密切,是目前金属增材制造设 备研究的重点. 2郾 2 原料供给系统研究现状 根据金属材料的供给方式,金属增材制造设备 的原料供给系统主要可以分为三种:第一种是铺粉 式原料供给系统;第二种是送粉/ 丝式原料供给系 统;第三种是熔体输送式原料供给系统. 在铺粉式原料供给系统中,粉材刮刀的设计以 及铺粉的精度对于铺粉的均匀性、精度和致密程度 具有重要影响,从而能够显著影响产品的致密度以 及尺寸精度[38鄄鄄41] . 在送粉/ 丝式原料供给系统中,材料的输送速 度、输送量、输送角度和输送位置对于提高材料的利 用率,提高产品的各向同性和表面质量等具有重要 作用[42鄄鄄43] . 另外,送粉/ 丝式原料供给系统在复合 材料及功能梯度材料的制备中具有独特的优势,在 此过程中,多料仓协同送粉/ 丝及变比例送粉/ 丝过 程的研究对于材料成分及性能的控制具有重要 影响[44] . ·161·