金屬3D 打印（yìn）技術（shù）使得金屬零件“直接製（zhì）造”成為（wéi）了可能，而（ér）不再局限（xiàn）於製（zhì）造（zào）非功能性（xìng）的模（mó）具（jù），是（shì）3D打印技術重要的發展方向。目前主流的金屬3D 打印技術（shù）包括：黏結（jié）劑噴射（Binder Jetting，BJ）、選擇性（xìng）激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）、選擇性激（jī）光融（róng）化（SelectiveLaser Melting，SLM）、直接金屬激光燒結（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、電子束（shù）熔融（Electron BeamMelting，EBM）和（hé）電子束直接製（zhì）造（Electron Beam Direct Manufacturing，EBDM）

 

黏結（jié）劑噴射（BJ）是首先在打印平台上平鋪一薄層原料（liào）粉末（mò），然後打印機噴頭根據這一層的截麵形狀在粉（fěn）末上噴出一層（céng）特殊的膠水，噴到膠水的薄層粉末固化，在這一層上再鋪上（shàng）同樣厚度（dù）的粉末（mò），噴頭按下（xià）一截麵形狀噴射膠水，如此層層疊加，得到一個初步黏結而成的坯（pī）體；將坯體放置在熔（róng）爐中注入額外（wài）的熔融金屬，熔融金屬固化穩定住其外形結構。SLS 技術采用（yòng）金屬材料與低熔點黏結材料的混合粉末作（zuò）為原材料，將薄（báo）薄一層原料粉末平鋪在（zài）打（dǎ）印（yìn）平台上，將粉末預熱到接近粘結材料的（de）熔點，使用激光束選擇性加熱粉末顆粒，使低熔點黏結材料燒結或融化，將金屬材料（liào）黏結，不斷重複鋪粉、燒結過程，直（zhí）至完全成形整個模型。SLM 技術與SLS 技（jì）術原理相同，但直接用激光（guāng）束完全熔化金屬粉體，成形（xíng）性能得以顯著提高。

 

DMLS 技術是SLS 技術的進一步發展，將低熔點黏結材料改為低熔點金屬黏結材料，並且（qiě）與SLS技術先（xiān）鋪粉後激光掃描燒結不同，DMLS 技術（shù）是邊鋪粉（fěn）邊燒結。EBM技術原理與SLS、SLM 和DMLS 等技術原理相似，但是在高真空度的打印（yìn）腔中使用電子束完成對金屬粉末的熔融。 EBDM 技術則是將打印材料直接送入打印頭（tóu），用電子束直接在機（jī）頭熔融和打印材（cái）料，可以說是一滴一

滴地打印金屬材料（liào）。大多數金屬3D打印技（jì）術是逐層（céng）鋪設金屬粉末，然後將其中的一些金屬顆粒固定在一起，形成最終的物體；其餘未被固（gù）定的（de）金屬顆粒則起到了支撐作用（yòng），並能（néng）在下一次打印（yìn）中循環利（lì）用。

 

為了（le）能快速穩定地在打印平台上鋪設足夠（gòu）薄的一層原料粉末，這類金屬3D 打印技術需要粒度（dù）範圍窄、流動（dòng）性良好的（de）細小球形粉末。利用高能束（shù）使原料（liào）粉末燒結、熔融的金（jīn）屬3D 打印技術，除了本身的設備成本，還需要很多輔助保護工藝，整（zhěng）體的技術難度（dù）較大。故而金屬（shǔ）3D 打印技術應用（yòng）範圍主要集中在航（háng）空（kōng）航天、儀器製造（zào）、醫療保健、電子（zǐ）行業等高端（duān）製造領（lǐng）域。隨著金屬3D 打印技術的發展，製造的零件機械性能不斷提升，其致密性、強度已經與鍛件基（jī）本相當，將來甚至還會有所超越。

 

3D 冷（lěng）打印技術概述

 

 

新型金屬3D 打印技術（shù）—— 3D冷打印技術用低粘度、高固含量的金屬粉末料漿來代替3D 打（dǎ）印的原材料，把這種料漿當做（zuò）打印的“墨（mò）水”，在室溫或低溫條件下實現金屬零件（jiàn）坯體的逐層打印，因此稱為“冷打印”。圖1 是3D 冷打印技術工藝流程。

 

 

 

圖1 3D冷打印技術工藝流程示意圖為交聯劑，配製成有機單體HEMA

 

3D 冷打印技術的幾個關鍵步驟如下：

 

（1） 配製低粘度、高固（gù）相含（hán）量的金屬料漿。將有機單體和交聯劑按一（yī）定配比（bǐ）溶入適量的溶劑（jì）中，配製成預（yù）混液；在其中（zhōng）加入適量的金屬粉末和分散劑攪拌均勻，調製成一種高固（gù）相含量的懸浮液（料漿）。決定料漿質量的（de）關鍵因素有

2 個 ：一是（shì）金屬（shǔ）或陶瓷粉末的固相含量 ；二是漿體（tǐ）流動性（xìng）（粘度）。固相含量直（zhí）接決定（dìng）成形坯體的密度（dù），高固相含量（liàng）還可以減少坯體在幹燥過程中（zhōng）的（de）收縮和翹曲，提高燒成（chéng）密（mì）度，因此要盡可能提高料漿的固相（xiàng）含量。流動性良好的料漿在冷打印過程中容易噴射而出，成形的坯體表麵（miàn）性能也較（jiào）好。但固相含量過高會影（yǐng）響料漿（jiāng）的流動性，因此需采用合適的分散劑及分散技術調節料漿的流動

性。用於（yú）3D 冷打印工藝的金屬料漿，一般要求其粘度低於（yú）1Pa·s、固相體積分數高於55%，這是（shì）打印高密度、均勻坯體（tǐ）的關鍵。

 

（2） 3D 冷打印成形。3D 冷打印過程中，金屬料漿通過噴頭噴射到打印平台上，同時通過熱引發、化學引發（fā）等方式引發料漿中（zhōng）有機單體（tǐ）的聚合反應，形成網狀結構將金屬粉體原位包覆固定，使噴（pēn）射到打印平台上的金屬料漿（jiāng）迅速固化，由此實現金屬坯體的逐層（céng）打印。其中，熱引發通過熱（rè）源使“金屬料漿”固化（huà），化學引發則是借鑒多噴頭（tóu）彩色打印的原理，利用兩個噴頭交替作用將料漿和化學引發劑混合，引發料漿原位（wèi）固化。圖2 為金屬料漿原位固（gù）化原理示意圖。

 

 

圖2 金屬（shǔ）料漿原位（wèi）固化原理示意圖

 

（3） 脫脂（zhī）、燒（shāo）結。3D 冷打（dǎ）印成形的坯體中有（yǒu）機物含量很少，因（yīn）此無需專門而嚴格的脫脂工序。脫（tuō）脂可以獨立進行也（yě）可以和燒（shāo）結過（guò）程同時進行（háng）。以低粘度、高固相含量金屬料漿為原料冷打印成形的坯體密度較高，脫脂後（hòu）的坯體

極易燒結致密化。

 

3D 冷（lěng）打印技術應用（yòng）探究

 

 

1封閉式葉輪    

 

封閉式葉輪型腔空間小、葉片數量（liàng）多、葉（yè）片壁薄、葉輪前盤厚度薄且成中空環狀（zhuàng），給整體鑄造帶來（lái）很多技術困難。因（yīn）此，目前國內外通常采用葉輪前後盤及葉片和軸盤單獨製作，再焊接或鉚接組合的方式（shì）。通過該方式製造封閉葉輪不但製造工序複雜，而且在長時間使用後，容易產生斷裂、鉚釘鬆動、葉輪變形等故障。

 

 

 

圖3 封閉式葉輪（lún）三維模型

 

為驗證3D 冷（lěng）打印技術成形複雜空（kōng）間結構的能力，選擇通過3D 冷（lěng）打印技術一體（tǐ）化成形封閉式葉輪。

 

通過AutoCAD 軟件建立如圖3所示封閉式（shì）葉輪三維（wéi）模型，將封閉（bì）式葉輪模型三維線性尺寸按（àn）117%（燒結收縮比17%）放大，葉輪模型經分層切片處理後，將數據傳輸到3D 冷打印設備中。采用甲苯作（zuò）為溶劑，甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）作為有機單體，N，N’- 亞甲基（jī）雙丙烯酰胺濃度為20％的預混液，在（zài）其中（zhōng）加入316L 不鏽鋼粉末和適量分散劑油酸，攪拌均勻（yún）後製得固相體積分數為60% 的316L 不鏽鋼（gāng）料漿。料漿粘度為0.92Pa·s，滿足使用要求（qiú）。脫氣後（hòu）的料漿（jiāng）通過3D 冷打印設（shè）備打印（yìn）成形。打印過程中，以過氧化苯甲酰（BPO）作為（wéi）引發劑（jì），引發料漿的（de）固（gù）化反應。以相同的316L 不鏽（xiù）鋼料漿和同樣的打印條件，3D 冷（lěng）打印成形封閉式葉輪坯體和力學性能試樣（yàng）坯（pī）體。對葉輪坯體和力學性能試樣坯體進行脫脂和燒結處理。圖（tú）4 為316L 不（bú）鏽鋼封閉（bì）式葉輪。

 

 

圖 4 316L不鏽鋼封閉式葉（yè）輪

 

由此可以得出結論，通過3D 冷打印技術能夠成形任意複雜空間結構金（jīn）屬零件。3D 冷打印成形316L不鏽鋼的燒結體性（xìng）能和美國MPIF標準見表1。比較後可以發現，通（tōng）過3D 冷打印技術製備的燒（shāo）結316L 不鏽鋼的力學性能遠高於（yú）美（měi）國MPIF標準。

 

 

表1 燒結態316L不鏽鋼封閉葉（yè）輪性能

 

2 異質材料複（fù）合葉輪葉片    

 

隨著大容量汽輪機組的發展隨著大容量汽輪機組的發展，末級葉片的長度和通流麵積不斷增加（jiā），葉片自（zì）重隨之增加，導致（zhì）葉輪輪（lún）緣（yuán）離心力大幅度提高，甚（shèn）至超過合金結構鋼葉輪的許可應力。而鈦合金的密度小、強度高，比（bǐ）強度大大超過不鏽鋼，使用鈦合金葉片比不鏽鋼葉片減（jiǎn）重10%~35%, 能顯（xiǎn）著降低（dī）葉輪的離心力。提出采用3D 冷打印（yìn）技術實現同步打印複合葉輪（lún）葉片的設想（xiǎng），即通過3D 冷（lěng）打印技術製造TC4 鈦（tài）合金葉輪葉片，在葉輪基體外表麵設（shè）計成分（fèn）為（wéi）TC4-10%（質量分數）TiC的保護層，以（yǐ）增加葉片表麵耐磨性和耐腐（fǔ）蝕（shí）性。使用proe wildfire 5.0 建立如圖5 所示TC4+TC4-10%TiC 異質材料複合葉（yè）輪葉片模（mó）型，將複合葉輪葉片三（sān）維線性尺寸按118.2%（收縮比18.2%）放大，並且將葉輪模型TC4 芯部和TC4-10%TiC 保護層設定為（wéi）通過不同的（de）兩個噴頭同時打印，模型經分層切（qiē）片處理後，將（jiāng）數據傳輸到3D 冷打印設備中（zhōng）。

 

 

 

圖5 TC4+TC4-10%TiC複（fù）合葉輪葉（yè）片（piàn）三維模型

 

將有機單體丙烯酰胺（AM）、交聯劑N，N’- 亞甲基雙（shuāng）丙烯酰胺（MBAM）以適當濃度溶解於去離（lí）子（zǐ）水，製成有機單體AM 濃度20%、均一透明的預混液（yè）；向預混液中加入分（fèn）散劑氨水和消泡（pào）劑異辛醇後與TC4 鈦合金（jīn）粉末混合攪拌，在N2 氣氛下（xià）球磨20h，獲得固相體積分數為（wéi）57% 的（de）TC4 鈦（tài）合金（jīn）粉末懸浮漿料。以同（tóng）樣的方（fāng）式製備出固相體積分數為57.4% 的TC4-10%TiC 粉末料漿。TC4 鈦（tài）合金粉末料漿和TC4-10%TiC粉末料漿分別由兩套送料係統輸（shū）送至兩個（gè）噴頭中，在3D 冷打印設備中同步組合打印。

 

3D 冷打印技術特點

 

 

3D 冷打印技術以低粘度、高固相含量的金屬料漿為打印原料，在室溫或低溫條件下，逐層打印成形（xíng）金屬零件坯體，坯體（tǐ）經幹燥、脫脂和燒結後，製得致密的金屬零件，其主要工藝特點如下。

 

（1） 原料粉末不受限製。3D 冷打印技術對（duì）原料粉末要求低，大部分金屬、陶瓷粉末都已開發出了較為成熟的料漿體係，配製的料漿性能滿足3D 冷打印（yìn）技術的要求。

 

（2） 卓越的成（chéng）形能力。3D 冷打印（yìn）技術能（néng）一體化成形具有任意（yì）複雜空間結構的金（jīn）屬零件坯體，坯體經幹燥、脫脂（zhī）和（hé）燒結製得致密的金屬零件。

 

（3） 設備造（zào）價低。不需要金屬（shǔ）製品高能束（shù）成形時所需（xū）的高純惰性氣氛或高真空度保護裝置和高能束。

 

（4） 生產效率高。通過對引發作（zuò）用的調節，可以實現即時固化，生產周期短（duǎn）。技（jì）術的主（zhǔ）要部分僅為成形和燒結，工序簡單，無需繁雜的後續處理，易集成化，技術成熟後投入工業化（huà）生產可能性高。3D 冷打印技術為複雜形狀（zhuàng）結構

金屬製品的生（shēng）產製造提供（gòng）新方（fāng）法和新思路，將傳統減材製造轉換為增材製造，可以節約大量原材料，該技（jì）術不受形狀限製，使更多異形金屬製品的製造成為現實。3D 冷打印技術（shù）無需使用激光，直接在常溫或低溫下成形，成形後（hòu）坯體再經幹燥、脫（tuō）脂和燒結得到致（zhì）密金屬件，是一種（zhǒng）新型的（de）易形製造多孔材料、陶瓷、人體骨骼等產品，應用前（qián）景十分寬廣。

 

實現（xiàn）、高效率、低成本的金屬3D 打印技術（shù），並且3D 冷打印技術對原料粉末幾乎無限（xiàn）製，從金屬及其合（hé）金粉末、金屬基複合材料粉末延伸擴展到陶瓷粉末（mò）、生物材料等，除金屬基（jī）結構件、應力（lì）件和功能件以外，亦可成形製造多孔材料、陶瓷、人體骨骼等產品，應用前景十（shí）分寬廣。