非粉末床金屬增材制造綜述：技術(shù)與挑戰(zhàn)

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

美國德雷塞爾大學(xué)、南京工程學(xué)院和美國佐治亞理工學(xué)院的科研人員綜述報道了非粉末床金屬增材制造技術(shù)與挑戰(zhàn)。相關(guān)論文以“A Review of Non-Powder-Bed Metal Additive Manufacturing: Techniques and Challenges”為題發(fā)表在《Materials》上。

自20世紀(jì)90年代以來，金屬增材制造技術(shù)取得了顯著發(fā)展，2022年其市場估值達到了63.6億美元，預(yù)計2023年至2030年間的復(fù)合年增長率為24.2%。雖然基于粉末床的方法，如粉末床熔融和粘結(jié)劑噴射，因其高精度和高分辨率而在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們面臨著諸如成型時間長、成本過高以及安全隱患等挑戰(zhàn)。非粉末床技術(shù)，包括直接能量沉積、材料擠出和薄片層壓，具有成型尺寸更大、能耗更低等優(yōu)勢，但也存在殘余應(yīng)力和表面光潔度差等問題。現(xiàn)有的關(guān)于非粉末床金屬增材制造的綜述局限于某一技術(shù)分支或某一特定材料。本綜述從制造方法、材料、產(chǎn)品質(zhì)量等方面對每種非粉末床技術(shù)進行了研究和分析，并進行了總結(jié)，以便于理解和比較。還涵蓋了創(chuàng)新設(shè)計和研究現(xiàn)狀。

圖1.當(dāng)前主要的非粉末床金屬增材制造技術(shù)的類別。

直接能量沉積
圖2展示了三種類型的激光直接能量沉積（LDED）的機制。圖2a展示了使用金屬粉末的激光直接能量沉積的機制。金屬粉末和絲材原料都可用于激光直接能量沉積。金屬粉末通過噴嘴輸送到表面，激光束將其逐層熔化并形成三維物體。相比之下，使用絲材原料的激光直接能量沉積是將金屬絲送入基底并與激光接觸。在基底上形成熔池，金屬絲被送入并熔化，形成冶金結(jié)合。凝固后，通過控制激光與基底之間的相對運動形成焊道，然后通過連續(xù)的送絲、熔化和沉積過程創(chuàng)建三維物體。相比之下，金屬絲的儲存比金屬粉末更安全、更簡單。然而，熔化金屬絲通常需要更高的激光功率，這導(dǎo)致基于絲材的激光直接能量沉積系統(tǒng)的設(shè)備成本更高。圖2b展示了使用側(cè)向送絲機制的激光直接能量沉積示意圖，送絲器從側(cè)面輸送金屬絲。圖2c展示了同軸送絲機制，金屬絲在打印裝置內(nèi)送入。

圖2.（a）基于粉末的激光直接能量沉積（LDED）；（b）側(cè)向送絲的激光直接能量沉積；（c）同軸送絲的激光直接能量沉積。

圖3a展示了電子束直接能量沉積（EB-DED）的機制。一般來說，電子束直接能量沉積采用與激光直接能量沉積類似的機制來制造三維結(jié)構(gòu)。電子束槍用作熱源，并且需要真空環(huán)境。高真空環(huán)境有利于創(chuàng)造污染較少的氣氛，并處理鈦等活性金屬。然而，真空環(huán)境可能會給原位監(jiān)測帶來挑戰(zhàn)，從而限制了實現(xiàn)制造過程的閉環(huán)控制。圖3b展示了電子束裝置或槍的示意圖。

圖3.（a）電子束直接能量沉積示意圖；（b）電子束裝置示意圖。

圖4a-c展示了三種類型的電弧增材制造（WAAM）機制：熔化極惰性氣體保護焊（MIG）、等離子弧焊（PAW）和鎢極惰性氣體保護焊（TIG）。與常見的增材制造工藝相比，MIG因其與焊接設(shè)備相連的連續(xù)焊絲卷而成為一種更便于用戶操作和使用的方法，而TIG和PAW則需要額外的送絲設(shè)備。MIG使用消耗性的焊絲電極，沉積速率高，但犧牲了精度。另一方面，TIG使用非消耗性的鎢電極，并通過外部送絲。這導(dǎo)致過程更為復(fù)雜，但能夠?qū)崿F(xiàn)更好的控制和更高的精度。PAW也使用非消耗性的鎢電極，但其不同之處在于其更集中且強烈的等離子弧。這種強度使其能夠?qū)�熱輸入和熔池進行最精細(xì)的控制，在這三種方法中精度最高。

圖4.電弧增材制造的類型：（a）熔化極惰性氣體保護焊；（b）鎢極惰性氣體保護焊；（c）等離子弧焊。

通常，焊槍安裝在機械臂上實現(xiàn)三維金屬打印過程，如圖5a所示。由于工業(yè)機器人成本高昂，且電弧增材制造機制具有高度靈活性，研究人員甚至將焊槍與便攜式XYZ移動平臺集成在一起，如圖5b所示。

圖5.（a）安裝在ABB機器人上的電弧增材制造（WAAM）焊槍；（b）與XYZ軸平臺集成的電弧增材制造焊槍。

圖6展示了冷噴涂增材制造（CSAM）的機制。根據(jù)推進氣流的壓力，冷噴涂過程可分為高壓冷噴涂（>1兆帕）或低壓冷噴涂（<1兆帕）。圖6a展示了一個高壓冷噴涂增材制造系統(tǒng)，其中壓縮氣流通過氣體加熱器，用作推進氣體；同時，載氣氣流通過送粉器通道，將金屬粉末輸送至推進氣流中。兩種氣流混合后，進入拉瓦爾噴嘴，形成超音速氣體和粉末流。載氣氣流的壓力應(yīng)高于推進氣流的壓力，以確保粉末混合過程的成功。最后，加速后的氣體和粉末流撞擊基底，形成涂層或沉積物。

圖6.（a）高壓冷噴涂增材制造的機制；（b）低壓冷噴涂增材制造的機制。

圖6b展示了一個低壓冷噴涂增材制造系統(tǒng)。通常使用便攜式氣體壓縮機，而非壓縮氣體。金屬粉末的注入位置靠近噴嘴的擴張段，由于局部氣體壓力較低，金屬粉末可以釋放到氣流中。相比之下，低壓冷噴涂增材制造系統(tǒng)成本更低且更具實用性。

六光束直接二極管激光直接能量沉積

制造方法：班巴赫（Bambach）等人提出了一種六光束直接二極管激光直接能量沉積裝置，如圖7所示。六光束直接二極管激光定向能量沉積打印頭安裝在工業(yè)機器人上，最大激光功率為1千瓦。六束激光在打印頭內(nèi)部產(chǎn)生，并通過準(zhǔn)直器和聚焦透鏡直接傳輸?shù)交�底和材料上，無需光纖。采用軸向送料機制輸送送料材料，通過耐熱裝置對熱絲打印測試進行預(yù)熱。這種設(shè)計的一個亮點是，由于單個激光束可調(diào)節(jié)且采用同軸送料方式，能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單的制造過程。與傳統(tǒng)的激光定向能量沉積系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可確保保護氣體的保護效果，而傳統(tǒng)系統(tǒng)中氣流的紊流會導(dǎo)致氧化積累。

圖7.（a）具有同軸送料和透鏡排列的激光直接能量沉積打印頭設(shè)計；（b）激光束排列演示、工作平面說明以及0.91毫米激光光斑測量。

材料與產(chǎn)品質(zhì)量：打印材料為高溫合金INCONEL IN718。這種材料在高溫下具有較高的蠕變強度和疲勞強度。此外，IN718具有較高的屈服強度和抗拉強度、良好的延展性以及耐腐蝕性。高溫合金IN718有多種應(yīng)用，例如用于燃?xì)廨啓C部件、航空航天部件和核反應(yīng)堆。

圖8展示了長方體樣品。由于實驗中使用了粉末，粉末打印的樣品出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象。相比之下，冷絲和熱絲打印的樣品表面有光澤。如圖9所示，三種樣品的橫截面圖像顯示出打印質(zhì)量堅固且優(yōu)良，單道軌跡之間以及與基底材料之間的結(jié)合沒有缺陷。

圖8.使用粉末、冷絲和熱絲打印樣品的沉積策略。

圖9.使用（a）粉末、（b）冷絲和（c）熱絲制造的樣品的宏觀（上方）和微觀（中間、下方）視圖。黑色箭頭表示成型方向。紅色箭頭突出顯示了熱絲樣品中的再結(jié)晶區(qū)域。

根據(jù)圖10，在制造過程中使用熱絲會使熔池尺寸更小。隨著能量輸入的增加，熔池尺寸會增大。預(yù)熱后的絲材比冷絲或粉末所需的打印能量更少，因此能夠更精確且更節(jié)能地完成增材制造過程。因此，預(yù)熱絲材可減小熔池尺寸并提高打印分辨率。

圖10.熱絲、粉末送料、冷絲的熔池尺寸與能量輸入（焦耳/毫米）之間的關(guān)系，以及之前的研究結(jié)果。

總結(jié)：總體而言，使用可調(diào)節(jié)單個激光束并配備氣體保護的六光束直接二極管激光直接能量沉積技術(shù)，對于打印高質(zhì)量材料是可行的。對送絲進行預(yù)熱能夠成功減小熔池尺寸并提高打印分辨率。然而，這種方法是通過熔化和熔合基底來實現(xiàn)與基底的粘附，而這種機制可能會導(dǎo)致需要額外的后處理步驟，以便將打印物體從基底上移除。

液態(tài)金屬輔助直接能量沉積

制造方法：如圖11所示，液態(tài)金屬輔助直接能量沉積巧妙地將液態(tài)錫作為直接能量沉積的熱管理材料。與先前的參數(shù)優(yōu)化研究、沉積元素成分調(diào)整、光束形狀控制以及集成輔助方法相比，這種新穎的方法有效地克服了傳統(tǒng)熱管理技術(shù)所面臨的局限性，例如熱管理區(qū)域有限、熱分布響應(yīng)速率低以及設(shè)備成本高。

圖11.液態(tài)金屬輔助直接能量沉積機制。

液態(tài)金屬輔助直接能量沉積工藝的一個關(guān)鍵亮點是在金屬沉積過程中增強了實時溫度和應(yīng)力控制。這種能力對于確保最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。液態(tài)錫的加入帶來了顯著的改善。這種機制有效地在樣品和液態(tài)錫之間傳遞熱量，降低了樣品的峰值溫度。

通過控制液態(tài)錫的液位，可以相應(yīng)地調(diào)整熔池尺寸和峰值溫度。此外，液態(tài)錫有助于打印過程中的熱擴散，使樣品具有均勻的溫度分布、協(xié)調(diào)變形，最終實現(xiàn)適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力管理，如圖12所示。

圖12.（a）無液態(tài)錫輔助時的殘余應(yīng)力和缺陷；（b）有液態(tài)錫輔助時的殘余應(yīng)力。

材料與產(chǎn)品質(zhì)量：液態(tài)金屬輔助直接能量沉積工藝使用一根1.2毫米長的Ti6Al4V絲材作為原料。Ti6Al4V被認(rèn)為是最受歡迎的鈦合金，在不同行業(yè)有多種應(yīng)用，例如航空航天工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)工業(yè)。選擇錫作為輔助熱管理材料，是因為它在液態(tài)時具有出色的導(dǎo)熱性和流動性。在Ti6Al4V上涂覆了一層惰性涂層，避免原料與錫之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。使用Ti6Al4V板材作為打印基底。

圖13展示了液態(tài)錫的效果，有錫輔助的樣品的打印質(zhì)量略高于無錫的樣品，并且翹曲程度小于無錫的樣品。由于液態(tài)錫與沉積材料之間的熱傳遞，冷卻速率提高了約20%，峰值溫度降低了約400℃。通過調(diào)整液態(tài)錫的液位，由熱量積累導(dǎo)致的不均勻熱分布得到了限制，從而使殘余應(yīng)力和幾何變形降低了30%。

圖13.有錫輔助和無錫輔助的打印樣品。

如圖14所示，錫的使用使沉積物中的晶粒尺寸更細(xì)（約150微米，而無液態(tài)錫輔助時為200微米），其特征是交錯的籃狀和層狀結(jié)構(gòu)，且沒有可見的裂紋。這是因為在引入錫后冷卻速率提高了，因為更高的冷卻速率為晶粒細(xì)化提供了更多的畸變能。微觀結(jié)構(gòu)中更細(xì)的晶粒也使顯微硬度提高了約30%，這與霍爾-佩奇理論相符。

圖14.（a）無錫和（b）有錫時的晶粒尺寸分布。

總結(jié)：一方面，這項研究成功驗證了液態(tài)錫作為熱管理介質(zhì)的有效性。有液態(tài)錫輔助的樣品具有更好的幾何形狀，并且邊角處的翹曲得到了限制。此外，液態(tài)錫有助于形成更細(xì)的晶粒和更高的顯微硬度。另一方面，所制造樣品的質(zhì)量沒有達到預(yù)期的高度，并且樣品的表面光潔度較差。因此，需要一個詳細(xì)的加工工藝。

熱鍛電弧增材制造
制造方法：熱鍛電弧增材制造創(chuàng)新性地將電弧增材制造與熱鍛相結(jié)合，材料在沉積后立即在高溫下發(fā)生原位粘彈性變形。與之前旨在最小化孔隙率和細(xì)化晶粒尺寸的研究（如冷軋和熱軋）相比，無需進行重大額外設(shè)備更新，并且在確保力學(xué)性能提升和微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化的同時，還能提高電弧增材制造的效率。

圖15顯示，一個由振動驅(qū)動器驅(qū)動的錘子安裝在氣體保護罩內(nèi)，并且可以在不同頻率下工作。錘子隨著焊槍移動時，會撞擊高溫下沉積的層。錘子通過高電阻連接與電源相連，這在它接觸已制造的樣品時限制了電流的流動。這個定制的電弧增材制造焊槍安裝在一個帶有預(yù)設(shè)工作區(qū)域的移動頭上。使用PRO MIG 3200 W電源在低碳鋼基底上用直徑1毫米的AISI316L不銹鋼打印物體。此過程中的鍛造溫度約為900℃，超過了AISI316L不銹鋼的再結(jié)晶溫度。

圖15.（a）熱鍛電弧增材制造的機制；（b）熱鍛電弧增材制造打印設(shè)備。

材料與產(chǎn)品質(zhì)量：AISI316L不銹鋼被用作打印材料，其再結(jié)晶溫度約為450℃。AISI316L不銹鋼是金屬增材制造中常用的材料。達尼洛（Danilo）等人回顧了AISI316L不銹鋼在使用各種金屬增材制造技術(shù)的增材制造中的應(yīng)用。馬宗達爾（Majumdar）等人研究了AISI316L不銹鋼在生物植入物中的應(yīng)用。普拉迪普（Pradeep）等人探索了AISI316L不銹鋼在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖16展示了使用不同的錘子鍛造力、錘子形狀和保護氣體流量打印的樣品。沒有氣體保護的樣品顯示出更多的孔隙，并且當(dāng)不施加錘擊力時，在基底和第一條軌跡之間觀察到了翹曲。相比之下，有氣體保護的樣品表面光潔度更好。

圖16.不同工藝參數(shù)打印的樣品展示。

圖17展示了熱鍛的效果。當(dāng)鍛造力增加時，層變得更大且更薄，并且當(dāng)使用接觸面積較小的矩形錘子時，這種現(xiàn)象更加明顯。此外，熱鍛過程使沉積層更平整，這有利于打印新的層。如圖18所示，在熱鍛過程中，隨著鍛造力的增加，孔隙數(shù)量減少。同時，接觸面積減小的長方體錘子對孔隙塌陷的影響更為顯著。在微觀結(jié)構(gòu)演變方面，由于熱鍛過程產(chǎn)生了更多的成核位點，從而減小了層中的晶粒尺寸。熱鍛樣品的抗拉強度比成型態(tài)樣品大約高8.6%，并且觀察到延展性下降，從成型態(tài)樣品的32.5%下降到經(jīng)過熱鍛處理的同一樣品的27.5%。

圖17.有保護氣體且不同錘擊力下制造的樣品的橫截面視圖。

圖18.（a）17牛鍛造力、（b）使用圓柱形錘子的55牛鍛造力和（c）使用長方體形錘子的55牛鍛造力下的孔隙率評估。

總結(jié)：這項研究專注于減少打印樣品中的孔隙率，而熱鍛過程可以減少孔隙。此外，由于熱鍛過程，機械強度有所提高。另一方面，盡管該概念已得到驗證，但在未來的研究中，打印樣品的質(zhì)量仍有提升的空間。