摘 要： 立足于金属3D打印技术体系现状，对基于ASTM F2792《增材制造技术标准术语》标准的金属3D打印技术进行归类，并对其中的粉末床融化、直接能量沉积、粘结剂喷射、材料喷射、层压共五类常见技术的原理、特征、应用范围展开探讨。“禅月3D打印云智造平台”致力于将技术体系的标准化与实际应用接轨，架设起标准化组织与终端用户的桥梁，在参与标准应用的同时，也为标准在工艺特征、应用范围上的修订完善发挥推进作用。

关键词： 标准；技术体系；增材制造技术；金属3D打印技术；云制造平台

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2018） 04-018-08

工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.04.004

引言

金属3D打印是一种技术门槛高、应用潜力大、市场前景好的增材制造技术。在汽车、航空航天、高性能模具等高精尖领域，有些零部件形状复杂、價格昂贵，传统制造工艺难于生产或无法生产，而金属3D打印则能快速制造出满足要求、重量较轻的产品。因金属3D打印的迭代速度高、需求广泛、市场持续活跃，金属3D打印及其典型应用载体——工业领域的服务型制造平台和制造业产业链重构等新技术、新模式、新业态的发展向好[1-7]。

1 金属3D打印技术体系现状

市场调研机构CONTEXT发布的2016年全球3D打印市场数据显示，工业级3D打印机销售额同比增长9%，推动增长的主要原因是金属3D打印设备销量的增长。2016年，各种金属3D打印设备和材料的总加权平均价格为119 129美元，涨幅达21%。在金属3D打印逐渐成为热点的过程中，随着技术的进化迭代，加之商标注册和企业经营卖点的需要，工艺名称层出不穷。一部分缩写的英文全称不易找到出处，同样的用词常用不同的英汉互译，导致对终端应用客户甚至是行业专业人员，都存在大量的费解和混同的情况。

在3D打印技术创新发展进程中，技术可归为几类典型的原理范畴。本文基于作者所在公司运营的“禅月3D打印云智造平台（）”的产业应用实践，根据ASTM国际标准组织发布的《增材制造技术标准术语》（F2792 Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies），对现有金属3D打印工艺类型进行分类辨析，对比陈述其技术特征和应用范围。

2 基于ASTM F2792标准的金属3D打印技术体系

ASTM F2792标准把3D打印技术归为七类，这些分类术语的目的是阐明哪些设备类型共享相似的技术类别，从而使我们专注于讨论3D打印机的技术体系本身，而不用把大量的精力放在诸多的商业性的变种说法。涉及金属3D打印的有粉末床融化（Powder Bed Fusion）、直接能量沉积（Directed Energy Deposition）、粘结剂喷射（Binder Jetting）、材料喷射（Material Jetting）、层压（Sheet Lamination）五类，其中又以前两类为主流，涵盖了绝大部分的金属3D打印机。

2.1 粉末床融化（Powder Bed Fusion）

粉末床融化，从粉末输送方式上，通常称为铺粉式或粉末床3D打印；从对耗材的作用方式上，通常称为融化技术。

粉末床融化工艺通过选择性地融化粉末床每一层的粉末来制造工件。水平铺粉辊先把粉末平铺到打印机构建室的基板上，然后激光束（也可以是电子束）将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓。然后下降一个层厚的距离，进行下一层的加工。

以激光束为例的粉末床融化技术原理如图1所示。

技术优势：精度高，可加工高复杂度的工件。打印过程中，下层粉末可以为上层粉末起到支撑作用。

技术缺陷：激光器功率低（通常为400～500 W）；成型面下层的工件部分容易冷却，故热应力大；打印完成后必须做去应力退火，以热等静压（HIP，Hot Isostatic Pressing）更优。只能加工单一成分材料。成型尺寸受限，以EOS M280为例，最大成型尺寸为250 mm×250 mm×325 mm。

该工艺类型下常见的技术名称及特征介绍如下。

2.1.1 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）

SLS技术最初是由Carl Deckard于1989年提出的。DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。SLS技术的典型材料包括：尼龙、金属、陶瓷、砂。其中，SLS金属3D打印技术采用半固态液相烧结机制，用聚合物覆膜金属粉末，粉体未发生完全熔化，导致孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面精度低等工艺缺陷。2000 年之后，随着先进高能光纤激光器的使用，粉体完全熔化的冶金机制开始被采用，SLS广泛用于加工尼龙制品，不再用于加工金属。

2.1.2 直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）

DMLS 技术由EOS所开发，1995年开始商业化。DMLS与SLS原理基本相同。区别于SLS的聚合物覆膜金属粉末，DMLS使用由高熔点金属、低熔点金属及其他添加元素混合而成的多组分金属粉末体系。其中高熔点金属粉末作为骨架金属，能保留其固相核心；低熔点金属粉末作为粘结金属，熔化形成液相，用以包覆、润湿和粘结固相金属颗粒。由于大量孔隙存在于烧结件中，需要后处理再次高温烧结使其致密化。DMLS是SLS向SLM的过渡技术。

2.1.3 选择性激光融化（Selective Laser Melting，SLM）

1995年，Fraunhofer激光器研究所创新性地提出了SLM技术，ReaLizer公司注册了SLM的商标。SLM技术凭借高功率激光器使金属粉末完全熔化，能直接成型出接近完全致密的金属零件，是目前技术成熟、应用广泛的金属3D打印技术。

SLM Solutions的SLM 500、高压反应器和齿科制成品如图2所示。

SLM技术的典型厂商有：国外的EOS所、SLM Solutions、Concept Laser （已被GE收购）、Trumpf（通快）、ReaLizer、Renishaw（雷尼绍）、Addictive Industries、LayerWise（已被3D Systems收购），以及我国的隆源成型、鑫精合、铂力特、华曙高科、永年激光、上海航天设备制造总厂、湖滨机电、易加三维、易博三维、安徽恒利等。

2.1.4 激光金属融合（Laser Metal Fusion，LMF）

激光金屬融合是Trumpf（通快）对自身融化技术的叫法。

2.1.5 电子束融化（Electron Beam Melting，EBM）

EBM技术由Arcam公司（已被GE收购）发明。EBM与SLM非常相似，最大的区别是能量源由激光换成了电子束。电子束的能量更高，更有利于制造高导热金属、高温合金、高熔点金属零件，如紫铜、Inconel 700℃、钼合金等。两者的工作成形热温度也不同，SLM最多可预热温度300℃，EBM技术可采用电子束扫描对每一层金属粉末扫描预热，使零件在600～1 200℃范围内加工成型，可大幅减小成形零件的残余应力，故不用做去应力退火，热等静压可选做。

西安赛隆是国内较早从事EBM技术研发的厂商。

2.1.6 选择性热烧结（Selective Heat Sintering，SHS）

Blueprinter的专利——SHS技术，最早出现在2011年的欧洲模具展，其类似于激光烧结，但在打印过程中不使用激光，而是一种热敏打印头。粉末床可加热，机械扫描头只需对对象区域施加少量热量。

2.2 直接能量沉积（Directed Energy Deposition）

直接能量沉积，从粉末输送方式上，通常称送粉式3D打印；从对耗材的作用方式上，通常称为融覆技术。

直接能量沉积工艺通过金属粉末或者金属丝在产品的表面上熔融固化来制造工件。激光或电子束能量源在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，熔化后逐层沉积。技术原理如图3所示。

技术优势：激光器功率高（通常为1 000～10 000 W），下层工件反复退火，热应力小，因而可通过机械臂实现大尺寸工件的加工。非常适合修复零件，在航空航天零件修复领域有着不可替代的作用。可以在同一个零件上使用多种材料。图4所示是Sciaky公司生产的大型钛合金螺杆，长约1.82 m。图5所示是用于航空航天的钛合金叶轮的后处理前后对比。

技术缺陷：只能成型出毛坯，再依靠数控加工达到其净尺寸。

该工艺类型下常见的技术名称及特征介绍如下。其中，（1）～（4）使用粉末耗材，（5）～（6）使用线材。图6所示为金属线材用于融覆技术的示意图。

（1）激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。Optomec公司对自身融覆技术的叫法。

（2）激光金属沉积（Laser Metal Deposition，LMD）。Trumpf（通快）对自身融覆技术的叫法。

（3）直接金属沉积（Direct Metal Deposition，DMD）。DM3D公司的技术专利名称，Norsk Titanium（NTi）公司也使用这个叫法。

（4）电子束焊接（Electron Beam Welding，EBW）。Sciaky公司的分销商Efesto公司对融覆技术的叫法之一。

（5）电子束增材制造（Electron Beam Additive Manufacturing，EBAM）。Sciaky公司的技术专利名称。

（6）快速等离子沉积（Rapid Plasma Deposition，RPD）。Norsk Titanium（NTi）公司的技术专利名称。该技术将钛丝通过等离子熔化加工成结构件和其他复杂部件，主要用于制造高性能的航空航天零件。

国内从事融覆技术的厂商及其技术名称有：隆源成型（称LMD）、铂力特（称激光立体成形，Laser Solid Forming，LSF）、中科煜宸（称激光直接制造，Laser Direct Manufacturing，LDM）、鑫精合（称LDM）、中航天地激光（无公开简称）、煜鼎增材（无公开简称）等。其中，大规模同轴送粉设备鑫精合TSC-S4510如图7所示。华中科技大学张海鸥教授领衔研发的微铸锻铣复合3D打印设备是基于融覆的新型技术，可制造达锻件性能的金属工件。

2.3 粘结剂喷射（Binder Jetting）

粘接剂喷射工艺通过粘结剂将粉末粘结成型来制造工件。该工艺需要烧结后处理，使其中的金属颗粒熔化并结合在一起，形成最终制品。粘接剂喷射工艺最早由麻省理工大学的Jim Bredt和Tim Anderson在1993年开发，Z Corporation公司1995年获得专属授权。该分类下现有的金属3D打印技术只有一种，即立体喷墨打印（3D Printing，3DP）。3DP技术的典型材料包括：塑料、金属、陶瓷、玻璃、砂，本文只论述金属。粘结剂喷射技术原理如图8所示。

2.4 材料喷射（Material Jetting）

材料喷射工艺最广泛的应用材料是树脂，本文只论述金属。该分类下现有的金属3D打印技术只有一种，即金属纳米颗粒喷墨（NanoParticle Jetting，NPJ），是XJet公司拥有的专利。墨盒里装着由液体泡沫包围的金属颗粒，使得材料可以通过传统的喷墨打印头来沉积。打印机构建室里的热量会使液体蒸发，只留下金属部分。

技术优势：高精度、尺寸灵活性和高材料利用率；产品无需打磨就能直接使用；打印无需惰性气体或者真空环境；颗粒度可调节；支撑容易去除。

代表企业是XJet和Desktop Metal。前者的金属纳米颗粒喷墨打印机及原理如图10所示，后者的主要产品是桌面级金属3D打印机。

2.5 层压（Sheet Lamination）

层压工艺的典型材料包括：纸张、塑料、金属箔。该分类下现有的金属3D打印技术只有一种，即超声波增材制造（Ultrasonic Addictive Manufacturing， UAM）。

UAM工艺使用频率高达20 000 Hz的超声波施加在金属箔片上，用超声波的振荡能量使两个需焊接的表面发生摩擦，构成分子层间的熔合，以逐层连续焊接金属片。金属箔片多余的部分被切除，在打印完成时被移除。

技术优势：可以同时打印如铝、铜、不锈钢、钛等多种金属材料，而且不会产生不必要的冶金变化。可以在电子元器件中嵌入。

目前，Fabrisonic是使用该技术的代表性公司，该技术在该公司主要应用于圆柱体零件（轴、管等）的制造。图11所示为Fabrisonic公司的SonicLayer 4000及其制成品。

3 3云制造平台在增材制造技术标准推广应用中的作用

作者所在公司禅月工业智能科技（上海）有限公司是国际标准组织ASTM F42（增材制造技术）及E57（3D成像系统）技术委员会成员。ASTM F42增材制造技术委员会推动了国际3D打印技术标准化的发展，具有目前高度成熟的3D打印标准体系。“禅月3D打印云智造平台（）”是具有先进的工业云服务体系的3D打印分布式制造工业云平台，平台的核心业务是面向工业领域提供全流程端到端的标准化3D打印服务，是技术标准推广应用的验证示范平台。

3D打印的标准体系在建立健全的过程中，以目标为导向，以系统分析、整体优化为原则固然重要，而强化标准化与实际应用接轨，在3D打印的终端生产服务中规范制造技术的类别及相应的工艺特征、适用范围，更是最直接的规范市场、标准化服务与用户体验的重要途径。

云制造系统的供给端集成了不同打印工艺下的装备制造商和打印服务商，根据用户的制造需求，在云端匹配相应的服务提供商。技术体系的分类就是云制造系统至关重要的底层设置，要确保其是根据技术类别为不同的服务商添加标签，而非根据名称专利和商标名称。工业大数据这一云平台的核心资源中，包含服务商信息、设备参数信息、订单制造信息等。云平台通过人工智能算法系统，对数据进行挖掘分析，动态收集、鉴别、归纳构成技术区分的要素，从而将形成结论的市场应用舆情反馈给标准化组织，起到参与标准制定的重要作用。综上，云平台紧密连接了标准化组织与终端用户，作为中立的第三方，起到双向通信的作用。云平台既是标准的应用方，也为标准的修订完善发挥作用。

自2016年4月全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC 562）成立，我国已提出适应我国当前技术发展的7项国家标准，但尚未建立起的完整的增材制造标准体系。禅月3D打印云智造平台亦致力于促进国家标准与国际标准的联系、融合、互通。

4 结束语

根据基于ASTM F2792标准的金属3D打印技術体系，可以将现有的金属3D打印工艺归到粉末床融化、直接能量沉积、粘结剂喷射、材料喷射、层压五大类别之中。前两者构成了应用服务市场的绝大部分，后三者虽然没有受到广泛的市场应用，但是作为自成一体的技术，在产业发展的初级阶段，尤其需要受到关注和重视。

在上述类别中，可以提炼如下四种代表性的主流技术：选择性激光融化（SLM）、电子束融化（EBM）、激光金属沉积（LMD）、电子束焊接（EBW）。前两者都是基于粉末床融化，主要区别是热源，都适合做小型超复杂整体构件。后两者都是基于送料，其中LMD是激光作为热源，同轴送粉；EBW是电子束做热源，一轴送丝，另一轴做热源。后两者适合做大型高性能整体构件。这四种技术能基本涵盖目前国内常见的全部设备。

云制造平台面向广泛的应用市场，今后将通过更深入的研究和运营实践，实现增材制造技术成果的广泛累积、固化和标准化体系的应用推广，架起技术和产业衔接的桥梁，促进既适应我国当前技术发展现状，又与国际标准接轨的中国增材制造标准体系的健全完善。

参考文献

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