半岛彩票:金属增材制造行业研究：方兴未艾星辰大海

　　增材制造（Additive Manufacturing, AM, 俗称“3D 打印”）是具有颠覆性的先进制造技术。增材制造以三 维数字模型为基础，将材料通过分层制造、逐层叠加的方式制造出实体零件。增材制造从原理上突破了复杂异 型构件的技术瓶颈，实现材料微观组织与宏观结构的可控成形，从根本上改变了传统“制造引导设计、制造性 优先设计、经验设计”的设计理念，真正意义上实现了“设计引导制造、功能性优先设计、拓扑优化设计”转变。 目前，增材制造已经广泛应用于医疗、航空航天、传统制造业、汽车、牙科等领域。

　　金属增材制造（Metal Additive Manufacturing）是增材制造的重要分支，拥有传统精密加工技术无法比 拟的巨大优势。根据铂力特定增说明书，相较于传统精密加工，金属增材制造具有以下优点： （1）产品研发及实现周期短。增材制造技术无需模具支撑，一般仅需要简单装配即可投入使用，相较于 传统工艺开发产品的流程大大缩短。 （2）可高效成形更为复杂的结构。3D 打印的原理是将复杂的三维几何体剖分为二维的截面形状来叠层制 造，故可以实现传统精密加工较难实现的复杂构件成形，提高零件成品率，同时提高产品质量。对于增材制造 来讲，结构复杂程度的增加基本很少增加成本，而传统制造方式的成本会随着结构复杂度的提高而增加。 （3）实现一体化、轻量化设计。金属增材制造可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复 杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果，增材制造也可实现构件一体化成形，从而提升 产品的可靠性。根据《Metal Additive Manufacturing》，在这个由增材制造的支架中，相比于传统制造的支 架重量减少了 60%，而机械强度和刚度保持不变。 （4）材料利用率高。金属增材制造可节约大量材料，特别是对于较昂贵的金属材料，可较大节约成本。 （5）实现优良的力学性能。基于 3D 打印快速凝固的工艺特点，成形后的制件内部冶金质量均匀致密， 无其他冶金缺陷；同时快速凝固的特点，使得材料内部组织为细小亚结构，成形零件可在不损失塑性的情况下 使强度得到较大提高。

　　金属增材制造与传统精密加工技术互为补充，增材制造更适合款多量少的定制化产品。当前，金属增材制 造在可加工材料种类、加工精度、表面粗糙度、加工效率方面逊于传统精密加工，在大规模生产上成本处于劣 势，因此增材制造的主要应用场景为：小批量、复杂化、轻量化、定制化、功能一体化零部件制造。此外，增减材复合制造技术是当前金属增材制造工艺的研究方向。通过与机器人、数控机床、铸锻焊等多工艺技术相集 成，可提升金属增材制造的成型效率和精度，解决金属增材制造复杂结构件难于进行后续机械加工的难题。

　　根据铂力特定增说明书，七种基本的增材制造工艺中，金属 3D 打印工艺原理主要为粉末床熔融（PBF， 俗称铺粉工艺）和定向能量沉积（DED，俗称送粉工艺）两大类别，采用这两类工艺原理的金属 3D 打印技术 都可以制造达到锻件标准的金属零件。根据 AMPOWER，以营收计算，2021 年 PBF、DED 各占据 83.8%和 9.1%的市场份额。且预计到 2026 年，PBF、DED 将各占据 74%和 8.6%的市场份额。

　　根据 GB/T 35021-2018，粉末床熔融（Powder Bed Fusion, PBF，铺粉工艺）是指通过热能选择性融化/烧 结粉末床区域的增材制造工艺。激活源主要是激光、电子或红外灯产生的热能。原材料主要是各种粉末（如热 塑性聚合物、纯金属或合金、陶瓷等）。常见用于金属制造的 PBF 技术包括激光选区熔融（Selective laser melting, SLM）、电子束熔融（Electron Beam Melting, EBM）等。

　　SLM 是目前应用最广泛的金属增材制造技术，广泛用于制造航空航天、汽车模具等领域的精密零部件。 SLM 打印制件可以同时具有宏观的复杂结构与独特的微观组织。相较于 SLS 技术，SLM 技术能够完全熔化金 属，成型精度和力学性能更高。SLM 成形技术通常采用粒径在 30µm 左右的细粉末作为原材料，通过涂布机刀 片将这种金属粉末以非常薄的层分布在整个基材或积层板上，利用高能量激光束逐层选择性地完全熔化金属粉 末，通过逐层的铺粉--熔化--凝固堆积的方式，制造三维实体零件。

　　根据铂力特定增书，SLM 技术实现过程为：计算机将物体的三维数据转化为一层层截面的 2D 数据并传输 给打印机，打印过程中，在基板上用刮刀铺上设定层厚的金属粉末，聚焦的激光在扫描振镜的控制下按照事先 规划好的路径与工艺参数进行扫描，金属粉末在高能量激光的照射下其发生熔化，快速凝固，形成冶金结合层。 当一层打印任务结束后，基板下降一个切片层厚高度，刮刀继续进行粉末铺平，激光扫描加工，重复这样的过 程直至整个零件打印结束。

　　SpaceX 使用 SLM 技术制造二代龙飞船引擎室，解决了复杂结构制造、缩短火箭发动机交货期、降低制 造成本。据 VoxelMatters,SpaceX 公司开发的新一代 Dragon V2 载人飞船的 SuperDraco 引擎的制造中应用了 EOS 提供的 SLM 打印设备。SuperDraco 引擎的冷却道、喷射头、节流阀等结构复杂程度非常高。SLM 在制造 过程中表现了以下优点：1）解决了复杂结构制造问题；2）实现了材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变 性等优良属性，能够满足极端高温高压的严苛要求；3）显著缩短火箭发动机交货期，并降低制造成本。

　　电子束熔融技术(Electron Beam Melting）是新兴的先进金属增材制造技术，已广泛应用于快速原型制作、 快速制造、工装和生物医学工程等领域。根据华融普瑞（北京）科技有限公司官网，其工艺过程为：将零件的 三维实体模型数据导入 EBM 设备，然后在 EBM 设备的工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层，利用高能电子 束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒 熔融，电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层。

　　EBM 技术应用助力航空航天零部件生产发展，减轻发动机零部件重量，提高燃油效率，并且有效提高增 材制造技术在航空航天领域的渗透率。EBM 技术利用高功率电子束在受控环境中快速生产没有残余应力的零 件，EBM 技术制造的 TiAl 叶片的重量只有传统镍合金涡轮叶片的一半。根据凤凰新闻，由 GE 航空公司为波 音新型 777X 宽体喷气机开发的 GE9X 发动机预计将受益于 TiAl 叶片的重量减轻，因为与前代产品 GE90 相比， 它可以降低 10％的燃油消耗。P&W 公司（Pratt & Whitney Group）作为美国最大的两家航空发动机制造公司之 一，利用 EBM 技术完成了核心同步环支架，过去利用金属增材技术制造的大多是静止件，2018 年他们用了整 体叶盘（发动机上非常重要的转子件），开启了金属增材制造技术在转动件上的应用。

　　SLM 精度高但速度慢，EBM 精度略低但速度高成本低，两种不同的技术路线就是在精度和效率之间的权 衡，根据不同的应用场景进行选择不同的技术路线。《Metal additive manufacturing in the commercial aviation industry: A review》指出，SLM 更高的沉积精度是以较低的沉积速率为代价的，SLM 沉积速率通常在 0.1kg/h， 而 EBM 速度可达数倍；此外相比于 SLM，EBM 无需后加工处理残余应力。 根据 GE Additive 公司官网，以生产同款 Ti64 托架为例，整个打印过程分为七个步骤，相比于 SLM，EBM 在几乎所有步骤里都存在很明显的成本优势，特别是在设备运行、热处理与支撑拆除方面。（1）设备运 行：设备运行期间的成本明显被粉末的价格所影响。而在这个例子中，这 EBM 所使用的粉末成本比 SLM 所采 用的粉末成本低 49%（EBM 粉末成本 79 欧元，SLM 粉末成本 155 欧元），而且紧密叠加的概率与 EBM 更高 的熔融率也有助于成本的降低；（2）热处理：由于 EBM 本身就是一种热处理方式，因此对于这个托架来讲不 需要热处理来清除应力；（3）支撑拆除：EBM 的支撑能够很轻易的移除，因此其拆除成本很低。

　　根据 GB/T 35021-2018，定向能量层积（Directed Energy Deposition, DED）是指利用聚焦热将材料同步熔 化沉 积的增材制造 工艺。激活源主要有激光、电子束、电弧等，常见技术包括激光同步送粉技术 （LENS/LMD/LSF）、电子束熔丝沉积成形（EBDM/EBAM/EBF）、电弧熔丝增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM）等。

　　相较于 PBF 技术，DED 打印效率更高但精度略逊色。根据《Metal Additive Manufacturing》，PBF 的打印 沉积速率为 5-20cm3 /h，而 DED 打印沉积速率为 500-4000 cm3 /h。但打印精度方面 DED 远逊于 PBF，且 DED 需要真空环境或使用惰性气体保护。即需要在打印速度和精度之间寻求平衡。因此 DED 主要应用在：1）需要 进一步后加工的零件成型（近净成型）；2）在已有结构件上自由打印特定结构；3）高价值零部件维修。

　　激光近净成形技术是无需后处理的金属直接成形方法，也是 DED 中研究和应用最广泛的技术。该技术名 称繁多：激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、激光金属熔覆沉积（Laser Metal Deposition, LMD）、激光立体成形（Laser Solid Forming, LSF）。该技术不仅能直接打印出三维金属零件，还能在已有零 件上进行打印。因此在制造或修复高附加值的产品，比如航空发动机或机床部件中得到广泛应用。根据铂力特 定增说明书，该技术的原理为：聚焦激光束在控制下，按照预先设定的路径，进行移动，移动的同时，粉末喷 嘴将金属粉末直接输送到激光光斑在固态基板上形成的熔池，使之由点到线、由线到面的顺序凝固，从而完成 一个层截面的打印工作。这样层层叠加，制造出接近实体模型的零部件实体。

　　LENS(激光近净成型)技术能够实现梯度材料、复杂曲面修复，在大型器件的修复上正不断地发挥作用， 是链接传统制造与 3D 打印的桥梁。LENS 技术主要应用于航空航天、汽车、船舶等领域，可以实现金属零件 的无模制造，节约成本，缩短生产周期。根据 OPTOMEC 公司和《Metal Additive Manufacturing》，美国新墨西哥州的一家工厂曾使用 LENS 技术修复生产线 小时修复了以往需要 12 周以上进行替换的 齿轮零件。

　　电子束熔丝沉积成形技术（Electron Beam Wire Deposition, EBWD）是以电子束作为激活源的前沿 DED 技术，具有速度快、成本低、打印尺寸大等优点。电子束熔丝沉积成形由 Dave、Matz 等人于 1995 年提出 （EBSFF），2002 年 NASA 兰利研究中心提出了 EBF 技术，2009 年 Sciaky 推出相关产品（EBAM/EBDM）。 中航工业北京航空制造工程研究所于 2006 年开始相关研究（EBWD），开发的最大的电子束成形设备线m，采用电子束熔丝成形制造的钛合金零件在国内飞机结构上率先实现了装 机应用。基于中国商飞对电子束熔丝增材制造技术在飞机制造领域应用的前瞻性判。