3D打印技术最早兴起于欧美国家,是工业制造领域发展速度较快的技术之一。如今,他不仅与其他制造技术联合使用,还可以独立制作原型和成品。金属3D打印技术制备的零件精准、性能好,常应用于航空航天、军事、医疗等领域。 1. 启蒙阶段 定向能量沉积(DED)是最早出现的一类金属3D打印技术,起源于二十世纪二三十年代。1922年,Bbker在专利中描述了一种通过焊接沉积成形装饰性焊接制品的方法,其技术原理与后来发展起来的基于同步送丝的电弧/电子束/等离子定向能量沉积技术类似。在此后的三四十年内,全球范围内出现了多个源于焊接思想的DED工艺。1972年,Ciraud发明了一种将金属粉末直接送入局部热源熔化沉积成形金属零件的方法,。这项技术与目前广泛应用的基于同轴送粉的激光定向能量成绩(DED-L)技术已经十分接近。除上述技术外,1979年Houshoder提出了通过分层铺粉、选区成形三维零件的制造思想,这位后来发展起来的激光/电子束PBF工艺提供了技术雏形。但是,受到计算机技术的限制,复杂零件的三维建模及分层切片等数字化模型处理技术在当时还比较困难。只能制作一些简单的零件。
2. 快速成形阶段 20世纪80年代以来,随着计算机技术的进步,现代意义上的金属3D打印技术开始出现。1986年Deckard在其专利中提出了激光选区烧结(SLS)技术,成形的材料既可以是高分子材料也可以使金属材料。1989年,某国发明了一类选择性喷射沉积液态黏结剂粉末材料的3D打印工艺,即黏结剂喷射(MJ)技术,成形的材料同样也可以使高分子材料也可以是金属材料。但是,受到激光、电子束等能量密度低的限制,这一时期的金属3D打印技术还无法实现金属构件的直接制造,成形的零件需要进行脱脂、烧结固化等后续处理。
3. 快速制造阶段 20世纪90年代中期以来,激光、电子束等高能束技术的飞速的发展,能量密度不断提高,金属3D打印逐渐步入高性能复杂金属构件直接进行快速制造。1995年,某国激光研究所提出了激光选区熔化(SLM)成形技术的思想。同年,某国学院提出了利用电子束做能量源将金属丝熔化进行三维制造的假设。2000年,提出了薄材叠层(SL)制造思想基础上,发明了适用于金属薄材叠层制造三维零件的专利,即电子束选区熔化(SEBM)技术。2002年,国外分别推出了SLM和SEBM商业化装备,可成形接近全致密的精细金属零件和模具,其性能达到同质锻件水平,同时标志着金属3D打印有快速成形阶段进入快速制造阶段。 4. 产业化初级阶段 近十年,特别是2012年以来,随着工艺、材料和装备的日益成熟,金属3D打印技术在航空航天、生物医疗等领域的应用逐渐增多,基本进人了产业化的初级阶段。此外,国内外在3D打印的经典理论和方法基础上,又发展了一些新的金属3D打印工艺和方法,如喷墨液态金属3D打印、金属微滴3D打印、冷喷涂沉积、喷射沉积、激光重熔复合成形等,极大丰富和扩大了金属3D打印的材料种类和应用范围。
随着金属3D打印技术不断地发展,如今,3D打印的零部件已经广泛应用于各个领域,甚至将3D打印技术带入太空进行修补和打印太空零部件。未来的金属3D打印技术也会推动第三工业革命。
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