金属3D打印开创产品制造新模式

　　根据计算机设计的数据直接制造三维复杂形状制品的3D打印技术，可进行传统加工难于成形制品的制造。3D打印技术由于不使用模具，所以可缩短制品的交货期，并可进行少量、多品种制品的制造。过去，3D打印用材主要是树脂，近年来使用金属材料的3D打印技术有了很大发展。

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　　金属3D打印技术应用范围扩大

　　最早实现金属3D打印机实用化的是飞机制造业，波音737MAX和空客A320meo发动机的燃油喷嘴就是金属3D打印的批量产品。飞机发动机燃油喷嘴的传统制造方法是将20个零件焊接而成。采用金属3D打印技术，可实现燃油喷嘴的一体化制造，减重25%，并且耐久性提高到原来的5倍，制造成本下降30%。此外，金属3D打印技术的应用已经向医疗器械、汽车制造业等领域稳步推进。

　　金属3D打印机市场主要被德国、美国、英国产品占有，日本的3D打印研发较为落后，国内不能制造欧美水平的金属3D打印机。为此，日本于2014年设立了新一代3D积层造型技术综合开发机构（TRAFAM），推进国内金属3D打印机制造、金属3D打印用材以及工艺控制等的全面研究开发。

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　　金属3D打印机的主要类型

　　当前进行了各种各样的金属3D打印机的开发。其中进行大力开发的是基于粉末床熔融的金属3D打印机和基于定向能量沉积技术的金属3D打印机（图1、图2）。用于金属粉末烧结-熔融的热源有电子束和激光束两种。

　　粉末床熔融金属3D打印法，将电子束或激光束照射在致密铺敷的金属粉末层上，对金属粉末层进行选择性熔融、造型。该方法适用于小型和中型制品的制造、可制造传统方法难于制造的三维复杂形状制品，并且制品表面光洁度高、尺寸精度好。许多金属3D打印机制造厂进行粉末床熔融法金属3D打印机的开发和销售。其中激光束加热的粉末床熔融金属3D打印机已用于医疗器械部件、宇航器部件以及能源装备部件和汽车部件的制造。

　　定向能量沉积金属3D打印法，在供给金属粉末或金属丝的同时，进行电子束或激光束照射，使金属粉末或金属丝熔融、堆积造型。由于该方法造型速度快，所以适用于高效近终形造型。由于该方法是连续喷射材料进行造型，所以对利用该方法进行异种材料积层的复层造型技术进行了研究。在宇航器、能源产业的高附加值大型设备制造时，该方法用于附加造型和补修作业。

　　不同类型的金属3D打印机的适用材料、生产效率、加工质量不同。TRAFAM对上述两种类型的金属3D打印机进行研究开发，目标值设定为世界先进水平。如，造型速度是500cc/h，约为传统造型方法的10倍，制品尺寸精度是±20μm，比传统方法约提高五倍。经过五年的研究，日本开发的激光定向能量沉积金属3D打印机的造型速度已经达到500cc/h。

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　　金属3D打印用最佳金属粉末的开发

　　金属3D打印造型用材有纯金属粉末和合金粉末。金属粉末特性影响着造型工艺的稳定性和产品质量，掌握不同粉末的特性，对于制造出3D打印所需特性的粉末至关重要。

　　金属粉末主要的要求特性有，流动性、扩展性、粉末形状（球形度）、粒度分布、含氧量、循环利用性等。其中粉末流动性是重要特性，另外，为消除未熔融缺陷的发生，要求粉末具有高的球形度。此外，随着金属3D打印机高速化和高精度化的发展，要求粉末更加微细化。目前，热源为大功率电子束的金属3D打印金属粉末粒径约为100μm，热源为小功率激光束的金属3D打印金属粉末粒径约为几十微米。

　　金属3D打印用金属粉末常规制造方法是雾化法。雾化法利用高频感应加热炉将原料金属熔化，金属熔液从中间包底的注流孔流出，同时将氮气、氩气等惰性气体喷出，冲击金属液流，制造成金属粉末。雾化法可制造镍基超合金、马氏体时效钢、不锈钢等钢种的金属粉末。

　　钛合金是容易发生反应的材料。如用传统的雾化法使钛合金粉末化，钛合金与坩埚耐火材料发生反应产生的不纯物会溶入钛合金熔液，所以用传统的雾化法难以制造出高洁净度钛合金粉末。为此，采用了可防止不纯物溶入钛合金熔液的“重熔-雾化法”（图3）。高温的金属熔液接触到水冷坩埚，立即形成凝固薄层，凝固薄层的内侧仍是金属熔液，不与坩埚耐火材料发生反应。TRAEAM利用该方法开发出高洁净度钛合金等高熔点活性金属粉末。

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　　提高金属3D打印技术的国际竞争力

　　日本为提高金属3D打印技术的国际竞争力，还进行了3D打印控制软件开发以及建立材料数据库（包括模拟数据在内的3D造型数据），这些都是重要的技术措施。为确定3D打印的造型条件，需要进行大量尝试试验，而利用3D打印模拟技术可减少试验次数，缩短确定3D打印造型条件的时间。TRAEAM进行了熔融凝固微观解析、熔融凝固宏观解析、微细结构（组织）解析、热应力解析、热变形模拟解析，阐明了金属3D打印的机制，构建了3D打印造型条件（造型参数）的评价系统。

　　在金属3D打印控制软件开发方面，日本的金属3D打印机制造厂、金属3D打印材料生产厂、大学等研究机构、软件开发公司、金属3D打印机用户协同进行提高金属3D打印造型尺寸精度控制软件和对金属3D打印给予最佳支撑软件的研究开发。由于有金属3D打印机用户的参加，可对软件的操作性和生产性进行评价，形成了基于用户应用性的研发系统。