一种低成本实用新型金属熔融沉积3D打印技术

张远明

中国科学院宁波材料技术与工程研究所

增材制造技术是制造技术原理的一次革命性突破，它形成了最能代表信息化时代特征的制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性化分布式的产品制造方式最大限度地满足个性化需求。增材制造技术的基本原理是先将零件三维图形离散划分成一系列薄片（切片过程），再利用2D制造工艺依次制作这些薄片,并逐层叠加（生长）获得最终的3D 零件,增材制造技术又被形象地称为“ 3D打印”。增材制造技术在发展初期主要应用于概念验证、模具制造、以及用于组装和功能测试的样件快速成型等方面。

近十年来，由于该项技术不断取得突破，增材制造技术逐渐被应用于实际产品的加工。金属零部件最终产品的增材制造技术发展尤其迅速，在结构复杂、材料昂贵的产品生产，以及小批量定制生产方面，成本、效率和质量优势更加突出。美欧等发达国家非常重视增材制造技术的发展，投入巨资加以研究，而金属零部件增材制造技术一直是研究和应用的热点。

通常，根据填充材料方式的不同，金属增材制造可以分为预铺粉和同步送粉或送丝两种，结合激光、电子束两种高能束能量源，预铺粉的增材制造技术具体可分为激光选区熔化增材制造（SLM）技术以及选区电子束熔化增材制造（EBM）技术，同步送粉或送丝增材制造技术主要可分为激光熔化沉积（LMD）技术以及电子束熔丝沉积（EBFF）技术两种。

目前基于FDM原理打印的材料只局限于热塑性（尼龙、PLA和ABS等）材料，打印温度一般控制在200-300℃左右，对于不锈钢、钛合金等高温合金材料，一般用激光烧结合金粉末的方式或者以电子束、微弧焊、焊接三维成型等方式实现，而激光烧结技术制造的金属件存在组织疏松，强度达不到实际使用要求，且设备复杂昂贵等缺点。而电子束、微弧焊、焊接三维成型等方式没有喷头约束金属液滴，成型精度很难保证。

中科院宁波材料所增材制造技术与装备团队专注于提供一种低成本、结构简单、精度高、打印效率高、适合任何一种高温金属的熔融沉积成型的3D打印装备。

主要集中解决3个主要问题，一是采用超高频电磁感应的加热方式，（非接触式，具有可靠性高、无污染、效率高以及加热温度容易控制等优点），通过自动调节感应线圈功率，可以熔化不同种类的合金，熔化温度最高可达3000℃以上，即使是航空航天领域的钨合金和钼合金也能被瞬间熔化。

其次采用主动冷却技术，可以有效的缓解熔液回流、送丝不畅、喷头堵料等现象。最后通过设计加工特殊的喷头材质，使打印金属精度大幅提升。

与现有技术相比，中科院宁波材料所增材制造技术与装备团队的优势在于：

1、用熔融沉积成型原理实现低温和高温合金的打印，从铝合金到高温合金，几乎适用于所有金属材料打印，可以大幅降低打印成本，真正实现民用化。

2、采用特殊材质的喷嘴可以大幅提高打印精度，打印精度可以根据喷嘴直径调节，打印精度明显优于弧焊和电子束。

3、感应线圈可以对打印物体局部预热和保温，有利用层与层之间的结合强度。

中科院宁波材料所增材制造技术与装备团队的研究工作初步已经证明低成本金属熔融沉积成型的可行性，未来，中科院宁波材料所增材制造技术与装备团队继续在低温合金及高温合金方面进行深入研究，力争在如何增强层与层的结合力、改善组织结构、提高打印精度等方面取得突破，实现铝、铜、钛、钨合金零部件的打印，广泛应用于医疗、模具、汽车、航空航天等行业。

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