非粉末床金属增材制造综述：技术与挑战

来源：长三角G60激光联盟

美国德雷塞尔大学、南京工程学院和美国佐治亚理工学院的科研人员综述报道了非粉末床金属增材制造技术与挑战。相关论文以“A Review of Non-Powder-Bed Metal Additive Manufacturing: Techniques and Challenges”为题发表在《Materials》上。

自20世纪90年代以来，金属增材制造技术取得了显著发展，2022年其市场估值达到了63.6亿美元，预计2023年至2030年间的复合年增长率为24.2%。虽然基于粉末床的方法，如粉末床熔融和粘结剂喷射，因其高精度和高分辨率而在市场上占据主导地位，但它们面临着诸如成型时间长、成本过高以及安全隐患等挑战。非粉末床技术，包括直接能量沉积、材料挤出和薄片层压，具有成型尺寸更大、能耗更低等优势，但也存在残余应力和表面光洁度差等问题。现有的关于非粉末床金属增材制造的综述局限于某一技术分支或某一特定材料。本综述从制造方法、材料、产品质量等方面对每种非粉末床技术进行了研究和分析，并进行了总结，以便于理解和比较。还涵盖了创新设计和研究现状。

图1.当前主要的非粉末床金属增材制造技术的类别。

直接能量沉积
图2展示了三种类型的激光直接能量沉积（LDED）的机制。图2a展示了使用金属粉末的激光直接能量沉积的机制。金属粉末和丝材原料都可用于激光直接能量沉积。金属粉末通过喷嘴输送到表面，激光束将其逐层熔化并形成三维物体。相比之下，使用丝材原料的激光直接能量沉积是将金属丝送入基底并与激光接触。在基底上形成熔池，金属丝被送入并熔化，形成冶金结合。凝固后，通过控制激光与基底之间的相对运动形成焊道，然后通过连续的送丝、熔化和沉积过程创建三维物体。相比之下，金属丝的储存比金属粉末更安全、更简单。然而，熔化金属丝通常需要更高的激光功率，这导致基于丝材的激光直接能量沉积系统的设备成本更高。图2b展示了使用侧向送丝机制的激光直接能量沉积示意图，送丝器从侧面输送金属丝。图2c展示了同轴送丝机制，金属丝在打印装置内送入。

图2.（a）基于粉末的激光直接能量沉积（LDED）；（b）侧向送丝的激光直接能量沉积；（c）同轴送丝的激光直接能量沉积。

图3a展示了电子束直接能量沉积（EB-DED）的机制。一般来说，电子束直接能量沉积采用与激光直接能量沉积类似的机制来制造三维结构。电子束枪用作热源，并且需要真空环境。高真空环境有利于创造污染较少的气氛，并处理钛等活性金属。然而，真空环境可能会给原位监测带来挑战，从而限制了实现制造过程的闭环控制。图3b展示了电子束装置或枪的示意图。

图3.（a）电子束直接能量沉积示意图；（b）电子束装置示意图。

图4a-c展示了三种类型的电弧增材制造（WAAM）机制：熔化极惰性气体保护焊（MIG）、等离子弧焊（PAW）和钨极惰性气体保护焊（TIG）。与常见的增材制造工艺相比，MIG因其与焊接设备相连的连续焊丝卷而成为一种更便于用户操作和使用的方法，而TIG和PAW则需要额外的送丝设备。MIG使用消耗性的焊丝电极，沉积速率高，但牺牲了精度。另一方面，TIG使用非消耗性的钨电极，并通过外部送丝。这导致过程更为复杂，但能够实现更好的控制和更高的精度。PAW也使用非消耗性的钨电极，但其不同之处在于其更集中且强烈的等离子弧。这种强度使其能够对热输入和熔池进行最精细的控制，在这三种方法中精度最高。

图4.电弧增材制造的类型：（a）熔化极惰性气体保护焊；（b）钨极惰性气体保护焊；（c）等离子弧焊。

通常，焊枪安装在机械臂上实现三维金属打印过程，如图5a所示。由于工业机器人成本高昂，且电弧增材制造机制具有高度灵活性，研究人员甚至将焊枪与便携式XYZ移动平台集成在一起，如图5b所示。

图5.（a）安装在ABB机器人上的电弧增材制造（WAAM）焊枪；（b）与XYZ轴平台集成的电弧增材制造焊枪。

图6展示了冷喷涂增材制造（CSAM）的机制。根据推进气流的压力，冷喷涂过程可分为高压冷喷涂（>1兆帕）或低压冷喷涂（<1兆帕）。图6a展示了一个高压冷喷涂增材制造系统，其中压缩气流通过气体加热器，用作推进气体；同时，载气气流通过送粉器通道，将金属粉末输送至推进气流中。两种气流混合后，进入拉瓦尔喷嘴，形成超音速气体和粉末流。载气气流的压力应高于推进气流的压力，以确保粉末混合过程的成功。最后，加速后的气体和粉末流撞击基底，形成涂层或沉积物。

图6.（a）高压冷喷涂增材制造的机制；（b）低压冷喷涂增材制造的机制。

图6b展示了一个低压冷喷涂增材制造系统。通常使用便携式气体压缩机，而非压缩气体。金属粉末的注入位置靠近喷嘴的扩张段，由于局部气体压力较低，金属粉末可以释放到气流中。相比之下，低压冷喷涂增材制造系统成本更低且更具实用性。

六光束直接二极管激光直接能量沉积

制造方法：班巴赫（Bambach）等人提出了一种六光束直接二极管激光直接能量沉积装置，如图7所示。六光束直接二极管激光定向能量沉积打印头安装在工业机器人上，最大激光功率为1千瓦。六束激光在打印头内部产生，并通过准直器和聚焦透镜直接传输到基底和材料上，无需光纤。采用轴向送料机制输送送料材料，通过耐热装置对热丝打印测试进行预热。这种设计的一个亮点是，由于单个激光束可调节且采用同轴送料方式，能够实现更简单的制造过程。与传统的激光定向能量沉积系统相比，该系统可确保保护气体的保护效果，而传统系统中气流的紊流会导致氧化积累。

图7.（a）具有同轴送料和透镜排列的激光直接能量沉积打印头设计；（b）激光束排列演示、工作平面说明以及0.91毫米激光光斑测量。

材料与产品质量：打印材料为高温合金INCONEL IN718。这种材料在高温下具有较高的蠕变强度和疲劳强度。此外，IN718具有较高的屈服强度和抗拉强度、良好的延展性以及耐腐蚀性。高温合金IN718有多种应用，例如用于燃气轮机部件、航空航天部件和核反应堆。

图8展示了长方体样品。由于实验中使用了粉末，粉末打印的样品出现了氧化现象。相比之下，冷丝和热丝打印的样品表面有光泽。如图9所示，三种样品的横截面图像显示出打印质量坚固且优良，单道轨迹之间以及与基底材料之间的结合没有缺陷。

图8.使用粉末、冷丝和热丝打印样品的沉积策略。

图9.使用（a）粉末、（b）冷丝和（c）热丝制造的样品的宏观（上方）和微观（中间、下方）视图。黑色箭头表示成型方向。红色箭头突出显示了热丝样品中的再结晶区域。

根据图10，在制造过程中使用热丝会使熔池尺寸更小。随着能量输入的增加，熔池尺寸会增大。预热后的丝材比冷丝或粉末所需的打印能量更少，因此能够更精确且更节能地完成增材制造过程。因此，预热丝材可减小熔池尺寸并提高打印分辨率。

图10.热丝、粉末送料、冷丝的熔池尺寸与能量输入（焦耳/毫米）之间的关系，以及之前的研究结果。

总结：总体而言，使用可调节单个激光束并配备气体保护的六光束直接二极管激光直接能量沉积技术，对于打印高质量材料是可行的。对送丝进行预热能够成功减小熔池尺寸并提高打印分辨率。然而，这种方法是通过熔化和熔合基底来实现与基底的粘附，而这种机制可能会导致需要额外的后处理步骤，以便将打印物体从基底上移除。

液态金属辅助直接能量沉积

制造方法：如图11所示，液态金属辅助直接能量沉积巧妙地将液态锡作为直接能量沉积的热管理材料。与先前的参数优化研究、沉积元素成分调整、光束形状控制以及集成辅助方法相比，这种新颖的方法有效地克服了传统热管理技术所面临的局限性，例如热管理区域有限、热分布响应速率低以及设备成本高。

图11.液态金属辅助直接能量沉积机制。

液态金属辅助直接能量沉积工艺的一个关键亮点是在金属沉积过程中增强了实时温度和应力控制。这种能力对于确保最终产品的结构完整性至关重要。液态锡的加入带来了显著的改善。这种机制有效地在样品和液态锡之间传递热量，降低了样品的峰值温度。

通过控制液态锡的液位，可以相应地调整熔池尺寸和峰值温度。此外，液态锡有助于打印过程中的热扩散，使样品具有均匀的温度分布、协调变形，最终实现适当的残余应力管理，如图12所示。

图12.（a）无液态锡辅助时的残余应力和缺陷；（b）有液态锡辅助时的残余应力。

材料与产品质量：液态金属辅助直接能量沉积工艺使用一根1.2毫米长的Ti6Al4V丝材作为原料。Ti6Al4V被认为是最受欢迎的钛合金，在不同行业有多种应用，例如航空航天工业和生物医学工业。选择锡作为辅助热管理材料，是因为它在液态时具有出色的导热性和流动性。在Ti6Al4V上涂覆了一层惰性涂层，避免原料与锡之间发生化学反应。使用Ti6Al4V板材作为打印基底。

图13展示了液态锡的效果，有锡辅助的样品的打印质量略高于无锡的样品，并且翘曲程度小于无锡的样品。由于液态锡与沉积材料之间的热传递，冷却速率提高了约20%，峰值温度降低了约400℃。通过调整液态锡的液位，由热量积累导致的不均匀热分布得到了限制，从而使残余应力和几何变形降低了30%。

图13.有锡辅助和无锡辅助的打印样品。

如图14所示，锡的使用使沉积物中的晶粒尺寸更细（约150微米，而无液态锡辅助时为200微米），其特征是交错的篮状和层状结构，且没有可见的裂纹。这是因为在引入锡后冷却速率提高了，因为更高的冷却速率为晶粒细化提供了更多的畸变能。微观结构中更细的晶粒也使显微硬度提高了约30%，这与霍尔-佩奇理论相符。

图14.（a）无锡和（b）有锡时的晶粒尺寸分布。

总结：一方面，这项研究成功验证了液态锡作为热管理介质的有效性。有液态锡辅助的样品具有更好的几何形状，并且边角处的翘曲得到了限制。此外，液态锡有助于形成更细的晶粒和更高的显微硬度。另一方面，所制造样品的质量没有达到预期的高度，并且样品的表面光洁度较差。因此，需要一个详细的加工工艺。

热锻电弧增材制造
制造方法：热锻电弧增材制造创新性地将电弧增材制造与热锻相结合，材料在沉积后立即在高温下发生原位粘弹性变形。与之前旨在最小化孔隙率和细化晶粒尺寸的研究（如冷轧和热轧）相比，无需进行重大额外设备更新，并且在确保力学性能提升和微观结构细化的同时，还能提高电弧增材制造的效率。

图15显示，一个由振动驱动器驱动的锤子安装在气体保护罩内，并且可以在不同频率下工作。锤子随着焊枪移动时，会撞击高温下沉积的层。锤子通过高电阻连接与电源相连，这在它接触已制造的样品时限制了电流的流动。这个定制的电弧增材制造焊枪安装在一个带有预设工作区域的移动头上。使用PRO MIG 3200 W电源在低碳钢基底上用直径1毫米的AISI316L不锈钢打印物体。此过程中的锻造温度约为900℃，超过了AISI316L不锈钢的再结晶温度。

图15.（a）热锻电弧增材制造的机制；（b）热锻电弧增材制造打印设备。

材料与产品质量：AISI316L不锈钢被用作打印材料，其再结晶温度约为450℃。AISI316L不锈钢是金属增材制造中常用的材料。达尼洛（Danilo）等人回顾了AISI316L不锈钢在使用各种金属增材制造技术的增材制造中的应用。马宗达尔（Majumdar）等人研究了AISI316L不锈钢在生物植入物中的应用。普拉迪普（Pradeep）等人探索了AISI316L不锈钢在航空航天领域的应用。

图16展示了使用不同的锤子锻造力、锤子形状和保护气体流量打印的样品。没有气体保护的样品显示出更多的孔隙，并且当不施加锤击力时，在基底和第一条轨迹之间观察到了翘曲。相比之下，有气体保护的样品表面光洁度更好。

图16.不同工艺参数打印的样品展示。

图17展示了热锻的效果。当锻造力增加时，层变得更大且更薄，并且当使用接触面积较小的矩形锤子时，这种现象更加明显。此外，热锻过程使沉积层更平整，这有利于打印新的层。如图18所示，在热锻过程中，随着锻造力的增加，孔隙数量减少。同时，接触面积减小的长方体锤子对孔隙塌陷的影响更为显著。在微观结构演变方面，由于热锻过程产生了更多的成核位点，从而减小了层中的晶粒尺寸。热锻样品的抗拉强度比成型态样品大约高8.6%，并且观察到延展性下降，从成型态样品的32.5%下降到经过热锻处理的同一样品的27.5%。

图17.有保护气体且不同锤击力下制造的样品的横截面视图。

图18.（a）17牛锻造力、（b）使用圆柱形锤子的55牛锻造力和（c）使用长方体形锤子的55牛锻造力下的孔隙率评估。

总结：这项研究专注于减少打印样品中的孔隙率，而热锻过程可以减少孔隙。此外，由于热锻过程，机械强度有所提高。另一方面，尽管该概念已得到验证，但在未来的研究中，打印样品的质量仍有提升的空间。