揭秘金属增材制造技术：探寻制造领域的未来之星

近年来，增材制造技术（常被人们称作3D打印技术）在制造领域引起了广泛的关注并得到了迅速的发展。其中，金属增材制造技术更是脱颖而出，成为3D打印领域最具潜力的先进制造技术之一。目前，借助金属增材制造技术所生产的金属材料零部件正日益受到航空航天、医疗器械以及汽车制造等行业的青睐。

那么，什么是金属增材制造呢？

金属增材制造，作为增材制造技术的重要分支，是以金属粉末或丝材为原材料，借助高能束（如激光、电子束、电弧或等离子束等）进行熔化堆积，以计算机三维CAD数据模型为蓝本，通过离散－堆积的原理，在软件与数控系统的精准控制下，逐层堆积材料以制造高性能金属构件的新型制造工艺。

金属增材制造技术成型过程

金属增材制造技术分类

一、金属增材制造的工作原理

激光选区熔化技术（SLM）

激光选区熔化技术（SLM）是金属增材制造中的一种关键技术。它以金属粉末为原料，通过高能激光束的扫描和熔化，逐层堆积材料以形成三维实体。这一过程不仅需要高精度的激光设备，还需要计算机三维CAD数据模型的精准指导，以确保制造出高性能的金属构件。

激光选区熔化技术（SLM）源于粉床选区激光烧结技术（SLS），以金属粉末为原材料，通过高能激光束逐层熔化铺洒在金属基板上的粉末，进而层层堆积，最终形成精密的金属零件。

电子束选区熔化技术（EBSM）

电子束选区熔化技术（Electron Beam Selective Melting，EBSM）的原理与激光选区熔化技术（SLM）颇为相似。然而，EBSM技术的独特之处在于其工作在真空环境中，并采用电子束作为热源。相较于激光，电子束的获取更为简便，从而有助于降低加工成本。同时，这一技术在真空环境下进行，能有效防止包括钛合金和铝合金在内的活泼金属在高温处理时发生氧化。

激光立体成形技术（LSF）

激光立体成形技术（Laser Solid Forming，LSF）通过融合快速成型与激光熔覆的精湛工艺，借助高能激光束，将金属粉末在光束同轴或侧向喷射下直接熔化为液态。通过精密的运动控制，这些熔化的液态金属按照预设路径堆积并凝固，从而创造出与最终零件尺寸和形状高度相似的“近形”制件。

电子束熔丝沉积技术（EBFF）

电子束熔丝沉积技术（Electron Beam Freeform Fabrication，EBFF）是将电子束焊接技术（EBM）与快速成形理念相融合的创新技术。在真空环境下，高密度的电子束持续轰击金属表面，引发前一沉积层或基材上的熔化，形成熔池。金属丝材在电子束的加热作用下逐渐融化，形成熔滴。通过工作台的精准移动，这些熔滴能够沿着预定路径逐滴融入熔池中，层层累积，最终打造出金属零件或毛坯。

电弧增材制造技术（WAAM）

电弧增材制造技术（Wire ArcAdditive Manufacture，WAAM）以熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及等离子体焊接电源（PA）等焊机产生的电弧为热源。在程序精确控制下，通过金属丝材的逐层添加，按照预设的成形路径在基板上堆积层片，直至金属零件接近最终成形。

不同增材制造技术对

二、金属增材制造材料

钛合金

钛合金作为一种重要的金属增材制造材料，具有优异的力学性能和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、医疗等领域。在电弧增材制造过程中，钛合金丝材通过电弧的加热和熔化，按照预设路径逐层堆积，最终形成所需的金属零件。

金属增材制造技术中，钛合金以其密度低、比强度高、耐腐蚀性、高温力学性能优良以及生物相容性等特点，成为了最早被研究和广泛应用的合金材料。其中，TC4钛合金尤为突出，非常适合激光束或电子束的快速成形工艺，常用于航空领域的框架、梁、接头以及叶片等关键部件的制造。此外，镍合金也是一种重要的金属增材制造材料。作为一种高温合金，镍合金以镍为基体并加入适量其他元素，能在600℃以上的高温环境中长期稳定工作，同时展现出耐高温性、出色的抗热腐蚀和抗氧化能力，是高性能发动机制造的重要材料。

钢

在金属增材制造领域，合金材料占据着举足轻重的地位。其中，钢作为一种不可或缺的重要材料，其应用广泛，且可进一步细分为不锈钢、高强钢以及模具钢等类别。不锈钢凭借其卓越的耐化学腐蚀性、耐高温性以及良好的力学性能，成为了增材制造中的常客。此外，其粉末成型性优良、制备工艺简便且成本经济实惠，更是赢得了广泛的青睐。

铝合金

铝合金，作为一种轻质高强的金属材料，在增材制造领域展现出了巨大的潜力。

熔点相对较低的铝合金，在快速熔凝过程中，由于温度梯度较小，使得其加工成型变得容易，同时成形件也不易出现变形或开裂的情况。然而，铝合金也存在一些不足之处，如容易氧化、具有较高的反射性以及良好的导热性等。目前，针对铝合金的研究与应用主要集中在选择性激光熔化（SLM）技术上。

镁合金

镁合金，被誉为最轻的结构合金，凭借其独特的高强度和出色的阻尼特性，在众多应用领域中展现出替代钢和铝合金的潜力。此外，镁合金还具备原位降解能力和卓越的生物相容性，使得它在生物医疗领域的应用前景远超传统合金。

三、增材制造技术的优势

金属增材制造技术，正逐渐改变传统制造领域的格局。对于那些形状复杂、制备周期长的零部件，传统铸造锻造工艺往往难以应对，或者成本高昂、损耗严重。然而，金属增材制造技术却能轻松应对这些挑战，快速制造出满足要求的零部件，且加工周期短、制造成本低，无需复杂的工装和模具，为制造业带来了革命性的变革。

通过金属3D打印技术，异型水路模具的设计时间减少了高达75%，制造端的人力成本节省了50%，射出模具的生产周期缩短了14%，同时制造费用降低了16%。这一技术革新在制造业中带来了显著的成本节省和效率提升。

在制备高成本材料零件方面，金属材料如钛合金、高温合金和超高强度钢等，在传统加工过程中面临诸多挑战，如加工难度大、成本高、材料利用率低以及加工周期长等。然而，增材制造技术的出现为这些问题提供了解决方案。例如，美国普惠公司，作为全球最大的航空发动机制造公司之一，就成功应用了这一技术来研制发动机的镍基合金和钛合金部件。结果不仅显著缩短了制造周期，提高了复杂几何结构的制造精度，更实现了原材料消耗的大幅降低，将发动机的BTF比从传统工艺的20:1降低至2:1以下，从而有效提升了部件的质量并降低了制造成本。

此外，金属3D打印技术还广泛应用于快速成形小批量非标件的生产。这一技术能够轻松应对传统制造方法难以处理的复杂形状和结构，实现快速、高效的生产。

3D打印技术特别适合于个性化定制生产和小批量生产的需求。在医疗器械领域，金属增材制造的个性化制造能力得到了充分展现。通过这项技术，可以根据个人需求打印出具有独特性的植入物或假体，同时还能制造出模仿仿生原理的复杂结构，从而极大地提升了医疗器的性能和适用性。

通过3D打印技术的精细操控，这些植入物不仅实现了外在轮廓与内部结构的同步重构，更确保了与患者局部解剖结构的完美契合。其中，生物相容性优越的钛合金材料扮演着关键角色，其打印出的多孔结构植入物能够更有效地与人体组织相结合。此外，金属增材制造技术还为患者量身定制手术所需的精密部件，例如，华南理工大学采用激光选区熔化技术（SLM）成功研制了外科手术个性化的辅助导板。

同时，该技术还显著提升了受损零件的成形修复效率。传统上，受损零部件往往只能进行表面涂层修复，且过程繁琐，涉及多个工序如加工、抛光、测试等，并受限于维修时限，耗时较长；而对于损伤较为严重的零部件，通常只能选择更换。然而，金属增材制造技术打破了这一局限，能够迅速对任意缺失或损坏的部分进行成形修复。

例如，航空航天领域的零件通常结构复杂且成本高昂。一旦这些零件出现瑕疵或缺损，往往只能整体替换，这可能导致数十万甚至上百万元的损失。然而，借助金属3D打印技术，我们可以使用与原始材料相同的材料来修补缺损部分，使其恢复完整形状，且不影响修复后的性能。这不仅显著延长了零件的使用寿命，还降低了成本，减少了停机时间。

此外，增材制造技术还具备将不同材料组合成单一产品的能力。传统制造方式（如铸造、锻造）在这方面面临挑战，但增材制造技术却能轻松应对。通过这一技术，我们可以根据工业零件的需求，灵活地采用不同类别的金属材料进行组合制造。这不仅显著提升了结构件的性能，还降低了成本，特别是昂贵材料的成本。同时，我们也结合了增材制造技术成型复杂精细结构的能力与传统制造技术的高精度本性，从而形成了最优的制造策略。

另外，增材制造技术的快速自由成型特点为产品设计带来了极大的创新空间。金属增材制造技术则能进一步优化这些创新模型的设计，使其无需考虑制造约束即可快速实现制造。

例如，空客A320飞机所采用的大尺寸“仿生”机舱隔离结构，便是通过拓扑优化设计与金属3D打印技术精妙结合而诞生的杰作。这种结构选用了高性能轻质合金材料Scalmalloy，既保证了强度又减轻了重量。相较于传统的机舱隔离设计，新型的仿生隔离结构由多个精心设计的部件巧妙组合而成，不仅显著提升了强度，更实现了高达45%的重量减轻。这一创新设计在航空领域展现了金属增材制造技术的巨大潜力。