金属增材制造技术的关键因素及发展方向

工程科学学报，第41卷，第2期：159-173,2019年2月 Chinese Joural of Engineering,Vol.41,No.2:159-173,February 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.002;http://journals.ustb.edu.cn 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 李 昂)，刘雪峰123)四，俞波，尹宝强) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学现代交通金属材料与加工技术北京实验室，北京100083 3)北京科技大学材料先进制备技术教育部重点实验室，北京100083 区通信作者，E-mail:liuxuefengbj@l63.com 摘要金属增材制造技术是一种短流程、近终形的新型材料成形技术.在金属增材制造技术中，设备是载体，材料是关键 工艺是基础，三者是影响金属增材制造技术发展的关键因素.本文通过对具有代表性的金属增材制造技术的特点进行总结， 分析了设备、材料和工艺之间的关系以及三者在金属增材制造技术中的重要作用：综述了金属增材制造设备的原料供给系 统、成形系统和控制系统的研究现状：总结了金属增材制造材料中钛合金、镍合金、铝合金和钢铁材料的典型组织特点和力学 性能：论述了金属增材制造工艺参数对残余应力、孔洞、精度和组织的影响：指出了目前金属增材制造技术在设备方面存在设 备成本高、产品成形尺寸受限、成形效率低等问题，在材料方面存在生产成本高、适用性差等问题，在工艺方面存在参数匹配 困雄、热积累严重等问题：从降低设备和材料成本、扩大产品成形尺寸范围、提高产品精度和成形效率、拓展材料种类和适用 范围、减少工艺参数匹配难度、提升产品质量及综合性能、开发金属增材制造新技术方面展望了金属增材制造技术的发展 方向。 关键词金属增材制造技术：金属增材制造设备：金属增材制造材料：金属增材制造工艺：关键因索：发展方向 分类号TH164 Key factors and developmental directions with regard to metal additive manufacturing ⅡAng》,LIU Xue-feng2,)a,YUBo》,VIN Bao-qiang' 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Laboratory of Metallic Materials and Processing for Modern Transportation,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Key Laboratory for Advanced Materials Processing of Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:liuxuefengbj@163.com ABSTRACT Metal additive manufacturing is a new type of material-forming technology characterized by its short process and near net shape.Equipment,material and process are critical factors which serve as the supporter,key,and foundation respectively in terms of the development of this technology.In this paper,the characteristics of the equipment,material,and process of the different represent- ative technologies were summarized.The relations among metal additive manufacturing equipment,manufacturing material,and manu- facturing process as well as their roles in the metal additive manufacturing technology were analyzed.The research status of the raw ma- terial supply system,forming system,and control system were reviewed.The typical microstructure and mechanical properties of metal additive manufacturing materials,such as titanium alloy,nickel alloy,aluminum alloy,and steel,were summarized.The effects of the manufacturing process parameters on residual stress,porosity,accuracy,and microstructure were discussed.Problems associated with the manufacturing equipment,such as high cost,limited forming size,and low forming efficiency were discussed along with the prob- lems associated with the material,such as high production cost and poor applicability.Furthermore,problems associated with the metal additive manufacturing process,such as difficult matching of process parameters and severe thermal accumulation,were elaborated as well.Future developmental goals in metal additive manufacturing include:(a)reducing the cost of manufacturing equipment and mate- 收稿日期：2018-01-17 基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2015AA034304)

工程科学学报,第 41 卷,第 2 期:159鄄鄄173,2019 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 2: 159鄄鄄173, February 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 02. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 李 昂1) , 刘雪峰1,2,3) 苣 , 俞 波1) , 尹宝强1) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 北京科技大学现代交通金属材料与加工技术北京实验室, 北京 100083 3) 北京科技大学材料先进制备技术教育部重点实验室, 北京 100083 苣通信作者, E鄄mail: liuxuefengbj@ 163. com 摘 要 金属增材制造技术是一种短流程、近终形的新型材料成形技术. 在金属增材制造技术中,设备是载体,材料是关键, 工艺是基础,三者是影响金属增材制造技术发展的关键因素. 本文通过对具有代表性的金属增材制造技术的特点进行总结, 分析了设备、材料和工艺之间的关系以及三者在金属增材制造技术中的重要作用;综述了金属增材制造设备的原料供给系 统、成形系统和控制系统的研究现状;总结了金属增材制造材料中钛合金、镍合金、铝合金和钢铁材料的典型组织特点和力学 性能;论述了金属增材制造工艺参数对残余应力、孔洞、精度和组织的影响;指出了目前金属增材制造技术在设备方面存在设 备成本高、产品成形尺寸受限、成形效率低等问题,在材料方面存在生产成本高、适用性差等问题,在工艺方面存在参数匹配 困难、热积累严重等问题;从降低设备和材料成本、扩大产品成形尺寸范围、提高产品精度和成形效率、拓展材料种类和适用 范围、减少工艺参数匹配难度、提升产品质量及综合性能、开发金属增材制造新技术方面展望了金属增材制造技术的发展 方向. 关键词 金属增材制造技术; 金属增材制造设备; 金属增材制造材料; 金属增材制造工艺; 关键因素; 发展方向 分类号 TH164 收稿日期: 2018鄄鄄01鄄鄄17 基金项目: 国家高技术研究发展计划(863 计划)资助项目(2015AA034304) Key factors and developmental directions with regard to metal additive manufacturing LI Ang 1) , LIU Xue鄄feng 1,2,3) 苣 , YU Bo 1) , YIN Bao鄄qiang 1) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Laboratory of Metallic Materials and Processing for Modern Transportation, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Key Laboratory for Advanced Materials Processing of Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: liuxuefengbj@ 163. com ABSTRACT Metal additive manufacturing is a new type of material鄄forming technology characterized by its short process and near net shape. Equipment, material and process are critical factors which serve as the supporter, key, and foundation respectively in terms of the development of this technology. In this paper, the characteristics of the equipment, material, and process of the different represent鄄 ative technologies were summarized. The relations among metal additive manufacturing equipment, manufacturing material, and manu鄄 facturing process as well as their roles in the metal additive manufacturing technology were analyzed. The research status of the raw ma鄄 terial supply system, forming system, and control system were reviewed. The typical microstructure and mechanical properties of metal additive manufacturing materials, such as titanium alloy, nickel alloy, aluminum alloy, and steel, were summarized. The effects of the manufacturing process parameters on residual stress, porosity, accuracy, and microstructure were discussed. Problems associated with the manufacturing equipment, such as high cost, limited forming size, and low forming efficiency were discussed along with the prob鄄 lems associated with the material, such as high production cost and poor applicability. Furthermore, problems associated with the metal additive manufacturing process, such as difficult matching of process parameters and severe thermal accumulation, were elaborated as well. Future developmental goals in metal additive manufacturing include: (a) reducing the cost of manufacturing equipment and mate鄄

·160· 工程科学学报，第41卷，第2期 rial,(b)expanding the range of product forming size,(c)improving the product printing accuracy and forming efficiency,(d)ex- panding the types and application scope of metal additive manufacturing material,(e)reducing the difficulty in the matching of process parameters,(f)improving product quality and comprehensive performance,and(g)developing new types of metal additive manufac- turing technologies. KEY WORDS metal additive manufacturing technology;metal additive manufacturing equipment;metal additive manufacturing ma- terial;metal additive manufacturing process;critical factor;development direction 金属增材制造技术是20世纪80年代中期发展 表性的金属增材制造技术的特点进行总结可以发 起来的基于数字化离散堆积思想的新型材料成形技 现，各金属增材制造技术的不同也主要体现在设备、 术，该技术无需模具即可成形出所需金属产品， 材料和工艺上，如表1所示. 具有生产流程短、材料利用率高等特点，在形状复 纵观金属增材制造技术的发展史，设备、材料和 杂、小批量、个性化金属产品的制备方面具有独特的 工艺均起到了重要的作用，是影响金属增材制造技 优势.与传统的金属减材或等材制造技术不同，金 术发展的关键因素.设备是材料及工艺的载体[2】， 属增材制造技术采用逐点逐层堆积的成形方式，成 各种金属增材制造技术的设备是相应工艺和材料研 形过程存在复杂的传质和传热过程，其产品的精度、 究成果的集中体现，设备的热源种类及运动方式决 组织和性能与金属增材制造设备（热源参数、运动 定了产品的成形尺寸、成形效率和成形精度)，设 参数、控制方式)、材料（材料种类、材料形状、材料 备的控制方式及智能化程度也是衡量金属增材制造 质量)和工艺（成形原理、扫描策略、成形参数）密切 技术发展水平的重要标志：材料是金属增材制造技 相关[2-]，因此，对于金属增材制造技术中设备、材 术的关键[2]，材料作为金属增材制造技术的重要物 料和工艺进行系统的论述，具有重要的意义. 质基础，其成分及质量决定了产品的组织和性能，同 本文分析了设备、材料和工艺在金属增材制造 时材料的种类及形状要求也直接影响了金属增材制 技术中的重要作用，综述了金属增材制造技术中设 造技术的应用范围：工艺是金属增材制造技术的基 备、材料和工艺的研究现状，指出了目前金属增材制 础[]，是体现设备及材料价值的重要保障，只有对 造设备、材料和工艺中所存在的问题，展望了金属增 扫描策略和成形参数进行合理的控制才能获得质量 材制造技术的发展方向 和性能优异的产品[] 1金属增材制造技术的关键因素 金属增材制造技术的设备、材料和工艺相辅相 成，缺一不可.金属增材制造技术的发展过程就是 金属增材制造技术通常需要先构建产品的三维 在现有金属增材制造技术的设备、材料及工艺相互 模型，再根据材料及工艺特点将其处理成一系列二 匹配的基础上，不断开发新材料及新工艺，当材料及 维成形路径，最后由金属增材制造设备在特定的工 工艺超出了现有设备的承载能力时，又迫使新设备 艺条件下将材料按照二维成形路径逐层堆积成所需 不断诞生，最终推动金属增材制造技术快速发展. 产品，如图1所示 设备、材料和工艺与金属增材制造技术发展之间的 关系如图2所示. 材料 2金属增材制造设备研究现状 2.1金属增材制造设备 金属增材制造设备的研究与开发对推动金属增 维模型 二维成形路径 设备 产品 材制造技术的发展至关重要，全球已经有多家成熟 的金属增材制造设备制造商，最具代表性的有德国 EOS、Concept Laser、SLM Solutions、Siemens,美国 工艺 GE、Optomec、3 D Systems、Efesto,英国Ranishaw,瑞 图1金属增材制造技术原理图 Fig.I Schematic diagram of metal additive manufacturing 典Arcam AB,荷兰Additive Industries,韩国InssTek, 中国铂力特、华曙高科等.另外，有许多科研院所也 在零件由三维模型变成实体产品的过程中，设 在致力于金属增材制造设备的研发，如美国Law- 备、材料和工艺均扮演了重要的角色，通过对具有代 rence Livermore National LaboratoryI LLNL(劳伦斯利

工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 rial, (b) expanding the range of product forming size, (c) improving the product printing accuracy and forming efficiency, ( d) ex鄄 panding the types and application scope of metal additive manufacturing material, (e) reducing the difficulty in the matching of process parameters, (f) improving product quality and comprehensive performance, and (g) developing new types of metal additive manufac鄄 turing technologies. KEY WORDS metal additive manufacturing technology; metal additive manufacturing equipment; metal additive manufacturing ma鄄 terial; metal additive manufacturing process; critical factor; development direction 金属增材制造技术是 20 世纪 80 年代中期发展 起来的基于数字化离散堆积思想的新型材料成形技 术[1] ,该技术无需模具即可成形出所需金属产品, 具有生产流程短、材料利用率高等特点,在形状复 杂、小批量、个性化金属产品的制备方面具有独特的 优势. 与传统的金属减材或等材制造技术不同,金 属增材制造技术采用逐点逐层堆积的成形方式,成 形过程存在复杂的传质和传热过程,其产品的精度、 组织和性能与金属增材制造设备(热源参数、运动 参数、控制方式)、材料(材料种类、材料形状、材料 质量)和工艺(成形原理、扫描策略、成形参数)密切 相关[2鄄鄄9] ,因此,对于金属增材制造技术中设备、材 料和工艺进行系统的论述,具有重要的意义. 本文分析了设备、材料和工艺在金属增材制造 技术中的重要作用,综述了金属增材制造技术中设 备、材料和工艺的研究现状,指出了目前金属增材制 造设备、材料和工艺中所存在的问题,展望了金属增 材制造技术的发展方向. 1 金属增材制造技术的关键因素 金属增材制造技术通常需要先构建产品的三维 模型,再根据材料及工艺特点将其处理成一系列二 维成形路径,最后由金属增材制造设备在特定的工 艺条件下将材料按照二维成形路径逐层堆积成所需 产品,如图 1 所示. 图 1 金属增材制造技术原理图 Fig. 1 Schematic diagram of metal additive manufacturing 在零件由三维模型变成实体产品的过程中,设 备、材料和工艺均扮演了重要的角色,通过对具有代 表性的金属增材制造技术的特点进行总结可以发 现,各金属增材制造技术的不同也主要体现在设备、 材料和工艺上,如表 1 所示. 纵观金属增材制造技术的发展史,设备、材料和 工艺均起到了重要的作用,是影响金属增材制造技 术发展的关键因素. 设备是材料及工艺的载体[28] , 各种金属增材制造技术的设备是相应工艺和材料研 究成果的集中体现,设备的热源种类及运动方式决 定了产品的成形尺寸、成形效率和成形精度[3] ,设 备的控制方式及智能化程度也是衡量金属增材制造 技术发展水平的重要标志;材料是金属增材制造技 术的关键[29] ,材料作为金属增材制造技术的重要物 质基础,其成分及质量决定了产品的组织和性能,同 时材料的种类及形状要求也直接影响了金属增材制 造技术的应用范围;工艺是金属增材制造技术的基 础[30] ,是体现设备及材料价值的重要保障,只有对 扫描策略和成形参数进行合理的控制才能获得质量 和性能优异的产品[7] . 金属增材制造技术的设备、材料和工艺相辅相 成,缺一不可. 金属增材制造技术的发展过程就是 在现有金属增材制造技术的设备、材料及工艺相互 匹配的基础上,不断开发新材料及新工艺,当材料及 工艺超出了现有设备的承载能力时,又迫使新设备 不断诞生,最终推动金属增材制造技术快速发展. 设备、材料和工艺与金属增材制造技术发展之间的 关系如图 2 所示. 2 金属增材制造设备研究现状 2郾 1 金属增材制造设备 金属增材制造设备的研究与开发对推动金属增 材制造技术的发展至关重要,全球已经有多家成熟 的金属增材制造设备制造商,最具代表性的有德国 EOS、 Concept Laser、 SLM Solutions、 Siemens, 美 国 GE、Optomec、3D Systems、Efesto,英国 Ranishaw,瑞 典 Arcam AB,荷兰 Additive Industries,韩国 InssTek, 中国铂力特、华曙高科等. 另外,有许多科研院所也 在致力于金属增材制造设备的研发,如美国 Law鄄 rence Livermore National Laboratory | LLNL(劳伦斯利 ·160·

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·

.162. 工程科学学报，第41卷，第2期 表2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[2-3，-] Table 2 Typical parameters and manufacturing units of equipment for different metal additive manufacturing technologies,] 成形尺寸 成形效率/ 设备名称 气氛要求 热源参数 运动参数 (长×宽×高)/ 代表性制造单位 (cm3.h-1) mm x mm x mm) 惰性气体保护，氧C02激光器，功率10激光水平运动速度 ≤450×450× 激光选区烧结 ≤100 EOS 体积分数≤0.01% w200W ≤8msl 500 基板水平机械运动速 真空/惰性气体保 微滴喷射 电阻/感应加热 度≤10cm·minl,微 ≤50 西北工业大学 为 滴沉积颜率≤10Hz 一个或多个Yb-fber Fraunhofer ILT, 惰性气体保护，氧激光器，功率50。激光水平运动速度≤ ≤800×400× 激光选区熔化 ≤100 Concept Laser,SLM 体积分数≤0.01%1000W,光斑直径5015ms1 500 Solutions,铂力特 ~200μm Yb-fiber/Nd-YAG/ 激光器或基板做机械 激光工程化净惰性气体保护，氧C02激光器，功率0.53~6轴运动，水平机 ≤3000×3000× ≤300 成形 体积分数≤0.01% ~10kW,光斑直径械运动速度≤800cm· InssTek,Optomec 6000 0.3~7mm min-1 钨极氩弧/熔化极氩焊枪或基板水平机械 Cranfield Universi- 金属电弧增材 惰性气体保护 弧/等离子弧，电流90运动速度≤100cm· ≤900 y,哈尔滨工业大 制造 ~300A min-1 学 电子束，功率1~7 电子束选区熔 真空环境，真空度 电子束水平运动速度 ≤200×200× kW,束斑直径100~ ≤200 ≤10-2Pa Arcam AB 化 ≤8000ms-1 380 400μm 基板水平机械运动速 金属熔融沉积大气环境 电阻加热 UTEP 度≤60cm*minl 电子束熔丝沉真空环境，真空度电子束，功率<45kW, 基板运动，速度≤200 ≤5791×1219× ≤1000 Efesto 积 ≤10-2Pa 束斑直径3~5mm cm.min-1 1219 在熔体输送式原料供给系统中，喷嘴形状的设 2.3成形系统研究现状 计、金属熔体出料形态的控制对于工艺的制定以及 金属增材制造设备成形系统的研究主要集中在 产品的质量控制具有重要影响[s-).Zhog等a] 提升产品成形尺寸、开发基板预热系统、提升激光功 模拟了微滴喷射过程中具有代表性的点的轨迹，从 率、研发动态聚焦振镜、开发多激光器成形系统以及 而对金属熔体的出料过程进行控制，如图3所示 研究激光与粉材之间的交互作用等4-s)】.Schleifen- 第一次” 第二次 baum等s设计了一种高功率多光束可变焦的激光 震动 断裂1 断裂 20 选区熔化成形系统，该系统采用千瓦级激光器，并通 s点1△点2◆点3 过多激光束叠加的方式使光斑直径在193um和 2000 D点4D点5 15 1050μm之间变化，能够大大提升成形效率，如图4 4000 10 所示. 2.4控制系统研究现状 在金属增材制造技术中，控制系统与各子系统 实现良好的协调配合，才能保证金属增材制造设备 10000 的正常运转.在金属增材制造设备的控制系统中， 12000 10 20 30 40 反馈调节关系到金属增材制造设备智能化水平和控 时间/ms 制水平的高低，是控制系统研究的热点 图3 微滴形成过程中具有代表性的点的轨迹)] 控制系统的反馈调节主要通过机器视觉来实 Fig.3 Tracks of representation points during droplet formation[] 现[s2-s5].Heralic等[s]对激光工程化净成形控制系

工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 表 2 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[2鄄鄄3, 31鄄鄄37] Table 2 Typical parameters and manufacturing units of equipment for different metal additive manufacturing technologies [2鄄鄄3, 31鄄鄄37] 设备名称 气氛要求 热源参数 运动参数 成形尺寸 (长 伊 宽 伊 高) / (mm 伊 mm 伊 mm) 成形效率/ (cm 3·h - 1 ) 代表性制造单位 激光选区烧结 惰性气体保护,氧 体积分数臆0郾 01% CO2 激光器, 功 率 10 ~ 200 W 激光水平运动速度 臆8 m·s - 1 臆450 伊 450 伊 500 臆100 EOS 微滴喷射 真空/ 惰性气体保 护 电阻/ 感应加热 基板水平机械运动速 度臆10 cm·min - 1 ,微 滴沉积频率臆10 Hz — 臆50 西北工业大学 激光选区熔化 惰性气体保护,氧 体积分数臆0郾 01% 一个 或 多 个 Yb鄄fiber 激 光 器, 功 率 50 ~ 1000 W,光斑直径 50 ~ 200 滋m 激光水平运动速度臆 15 m·s - 1 臆800 伊 400 伊 500 臆100 Fraunhofer ILT, Concept Laser,SLM Solutions,铂力特 激光工程化净 成形 惰性气体保护,氧 体积分数臆0郾 01% Yb鄄fiber/ Nd鄄YAG/ CO2激光器,功率 0郾 5 ~ 10 kW, 光 斑 直 径 0郾 3 ~ 7 mm 激光器或基板做机械 3 ~ 6 轴运动,水平机 械运动速度臆800 cm· min - 1 臆3000 伊 3000 伊 6000 臆300 InssTek,Optomec 金属电弧增材 制造 惰性气体保护 钨极 氩 弧/ 熔 化 极 氩 弧/ 等离子弧,电流 90 ~ 300 A 焊枪或基板水平机械 运动速度 臆100 cm· min - 1 — 臆900 Cranfield Universi鄄 ty,哈尔 滨 工 业 大 学 电子束选区熔 化 真空环境,真空度 臆10 - 2 Pa 电 子 束, 功 率 1 ~ 7 kW,束斑直径 100 ~ 400 滋m 电子束水平运动速度 臆8000 m·s - 1 臆200 伊 200 伊 380 臆200 Arcam AB 金属熔融沉积 大气环境 电阻加热 基板水平机械运动速 度臆60 cm·min - 1 — — UTEP 电子束熔丝沉 积 真空环境,真空度 臆10 - 2 Pa 电子束,功率 < 45 kW, 束斑直径 3 ~ 5 mm 基板运动,速度臆200 cm·min - 1 臆5791 伊 1219 伊 1219 臆1000 Efesto 在熔体输送式原料供给系统中,喷嘴形状的设 计、金属熔体出料形态的控制对于工艺的制定以及 产品的质量控制具有重要影响[45鄄鄄47] . Zhong 等[47] 模拟了微滴喷射过程中具有代表性的点的轨迹,从 而对金属熔体的出料过程进行控制,如图 3 所示. 图 3 微滴形成过程中具有代表性的点的轨迹[47] Fig. 3 Tracks of representation points during droplet formation [47] 2郾 3 成形系统研究现状 金属增材制造设备成形系统的研究主要集中在 提升产品成形尺寸、开发基板预热系统、提升激光功 率、研发动态聚焦振镜、开发多激光器成形系统以及 研究激光与粉材之间的交互作用等[48鄄鄄51] . Schleifen鄄 baum 等[51]设计了一种高功率多光束可变焦的激光 选区熔化成形系统,该系统采用千瓦级激光器,并通 过多激光束叠加的方式使光斑直径在 193 滋m 和 1050 滋m 之间变化,能够大大提升成形效率,如图 4 所示. 2郾 4 控制系统研究现状 在金属增材制造技术中,控制系统与各子系统 实现良好的协调配合,才能保证金属增材制造设备 的正常运转. 在金属增材制造设备的控制系统中, 反馈调节关系到金属增材制造设备智能化水平和控 制水平的高低,是控制系统研究的热点. 控制系统的反馈调节主要通过机器视觉来实 现[52鄄鄄55] . Heralic' 等[55]对激光工程化净成形控制系 ·162·

李昂等：金属增材制造技术的关键因素及发展方向 ·163· 顶部相机 200m光纤 反射可见光 高功率 激光 宽度 分色镜 振镜 平行光束 聚焦透镜 平行光束 前部相机 顶部相机 色 低功率 激光二极管 高度 50um光纤 F-Theta 场镜 反射镜 焦点直径：193至1050um 前部相机 图4激光变焦示意图51] 图5传感机构以及熔覆高度与宽度尺寸示意图[5] Fig.5 Schematic representation of sensor setup,bead height and Fig.4 Schematic representation of automated fiber change[si] width[55] 统进行了研究，设计了一套基于电荷耦合器件 (CCD)视觉成像的传感系统，通过顶部摄像机和前 3金属增材制造材料研究现状 部摄像机直接检测成形过程中的沉积物形貌，并通 3.1金属增材制造材料 过前馈控制模型，根据所获取的信息对熔覆高度与 根据形状的不同，金属增材制造的材料可以分为 宽度进行实时控制，如图5所示.另外，对熔池温度 粉材、线材和块材.当材料为粉材时，粒径、球形度、流 进行实时调控也是目前控制系统的一个重要研究内 动性、氧含量和种类等对金属增材制造技术的设备要 容[s6-s8】.Song和Mazumderts]首先通过系统辨识获 求、成形稳定性、产品的组织和性能有较大影响9]：当 得描述激光功率与熔池温度动态关系的状态空间模 材料为线材或块材时，对于材料的形状则要求较低.不 型，基于状态空间模型设计了用于熔池温度控制的 同金属增材制造技术的主要材料种类，材料形状与质 广义模型预测控制算法 量要求以及材料典型制备方法如表3所示. 表3不同金属增材制造技术的主要材料种类，材料形状与质量要求以及材料典型制备方法 Table 3 Material type,material shape,material quality requirements,and typical material preparation methods for different metal additive manufacturing technologies 技术名称 主要材料种类 材料形状与质量要求 材料典型制备方法 参考文献 球形粉材，球形度>0.8，氧体积分数< Cu-SCuP,Ni-Sn、fe-Sn、碳 0.08%,流动性（流过50g粉末所需时间）> 气雾化法制粉，等离子旋转电极 激光选区烧结 [60-62] 钢-尼龙 雾化法制粉 10s,平均粒径15~150μm 微滴喷射 锡合金，铝合金 原料形状无特殊要求 [14.63] Ti-6A-4V、A1Si10Mg.316L球形粉材，球形度>0.7，氧体积分数<气雾化法制粉，等离子旋转电极 激光选区熔化 [2.7.64] 不锈钢，Inconel718,CoCrMo0.08%,流动性>10s,平均粒径15~53μm 雾化法制粉，水雾化制粉 激光工程化净Ti-6A-4V、Inconel718、球形粉材/线材，粉材平均粒径50~200um, 一 [65-68] 成形 316L不锈钢 线材平均直径0.4~2mm 金属电弧增材Ti-6A-4V、铝合金316L不 线材，平均直径1~4mm 制造 [69-71] 锈钢 电子束选区熔Ti-A1,Ti-6A1-4V,316L不球形粉材，氧体积分数<0.08%，平均粒径气雾化法制粉，等离子旋转电极 [72-74] 化 锈钢，Cu 30~106μm 雾化法制粉，氢化-脱氢法制粉 金属熔融沉积锡合金 线材，直径1.75mm±0.02mm [75] 电子束熔丝沉 钛合金，316L不锈钢 线材，平均直径0.8~1.2mm [76] 积 在金属增材制造材料中，材料的种类对于金属 3.2钛合金研究现状 增材制造技术的组织和性能具有重要影响，从表3 钛合金是在金属增材制造技术中应用最为成功 中可以看出，目前金属增材制造技术的典型材料包 的材料，金属增材制造技术制备的钛合金具有无枝 括钛合金、镍合金、铝合金和钢铁材料等. 晶以及晶内结构细小等组织特征，从而使其产品的

李 昂等: 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 图 4 激光变焦示意图[51] Fig. 4 Schematic representation of automated fiber change [51] 统进行了研究,设计了一套基于电荷耦合器件 (CCD)视觉成像的传感系统,通过顶部摄像机和前 部摄像机直接检测成形过程中的沉积物形貌,并通 过前馈控制模型,根据所获取的信息对熔覆高度与 宽度进行实时控制,如图 5 所示. 另外,对熔池温度 进行实时调控也是目前控制系统的一个重要研究内 容[56鄄鄄58] . Song 和 Mazumder [58]首先通过系统辨识获 得描述激光功率与熔池温度动态关系的状态空间模 型,基于状态空间模型设计了用于熔池温度控制的 广义模型预测控制算法. 图 5 传感机构以及熔覆高度与宽度尺寸示意图[55] Fig. 5 Schematic representation of sensor setup, bead height and width [55] 3 金属增材制造材料研究现状 3郾 1 金属增材制造材料 根据形状的不同,金属增材制造的材料可以分为 粉材、线材和块材. 当材料为粉材时,粒径、球形度、流 动性、氧含量和种类等对金属增材制造技术的设备要 求、成形稳定性、产品的组织和性能有较大影响[59] ;当 材料为线材或块材时,对于材料的形状则要求较低. 不 同金属增材制造技术的主要材料种类、材料形状与质 量要求以及材料典型制备方法如表3 所示. 表 3 不同金属增材制造技术的主要材料种类、材料形状与质量要求以及材料典型制备方法 Table 3 Material type, material shape, material quality requirements, and typical material preparation methods for different metal additive manufacturing technologies 技术名称 主要材料种类 材料形状与质量要求 材料典型制备方法 参考文献 激光选区烧结 Cu鄄鄄 SCuP、Ni鄄鄄 Sn、Fe鄄鄄 Sn、碳 钢鄄鄄尼龙 球形 粉 材, 球 形 度 > 0郾 8, 氧 体 积 分 数 < 0郾 08% ,流动性(流过 50 g 粉末所需时间) > 10 s,平均粒径 15 ~ 150 滋m 气雾化法制粉,等离子旋转电极 雾化法制粉 [60鄄鄄62] 微滴喷射 锡合金、铝合金 原料形状无特殊要求 — [14,63] 激光选区熔化 Ti鄄鄄 6Al鄄鄄 4V、AlSi10Mg、316L 不锈钢、Inconel 718、CoCrMo 球形 粉 材, 球 形 度 > 0郾 7, 氧 体 积 分 数 < 0郾 08% ,流动性 > 10 s,平均粒径 15 ~ 53 滋m 气雾化法制粉,等离子旋转电极 雾化法制粉,水雾化制粉 [2,7,64] 激光工程化净 成形 Ti鄄鄄 6Al鄄鄄 4V、 Inconel 718、 316L 不锈钢 球形粉材/ 线材,粉材平均粒径 50 ~ 200 滋m, 线材平均直径 0郾 4 ~ 2 mm — [65鄄鄄68] 金属电弧增材 制造 Ti鄄鄄6Al鄄鄄4V、铝合金、316L 不 锈钢 线材,平均直径 1 ~ 4 mm — [69鄄鄄71] 电子束选区熔 化 Ti鄄鄄 Al、Ti鄄鄄 6Al鄄鄄 4V、316L 不 锈钢、Cu 球形粉材,氧体积分数 < 0郾 08% ,平均粒径 30 ~ 106 滋m 气雾化法制粉,等离子旋转电极 雾化法制粉,氢化鄄鄄脱氢法制粉 [72鄄鄄74] 金属熔融沉积 锡合金 线材,直径 1郾 75 mm 依 0郾 02 mm — [75] 电子束熔丝沉 积 钛合金、316L 不锈钢 线材,平均直径 0郾 8 ~ 1郾 2 mm — [76] 在金属增材制造材料中,材料的种类对于金属 增材制造技术的组织和性能具有重要影响,从表 3 中可以看出,目前金属增材制造技术的典型材料包 括钛合金、镍合金、铝合金和钢铁材料等. 3郾 2 钛合金研究现状 钛合金是在金属增材制造技术中应用最为成功 的材料,金属增材制造技术制备的钛合金具有无枝 晶以及晶内结构细小等组织特征,从而使其产品的 ·163·