金屬材料的3D打印制造技術(shù)之所以難度大，是因?yàn)榻饘俚娜埸c(diǎn)比較高，涉及到了金屬的固液相變、表面擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)等多種物理過程。需要考慮的問題還包括，生成的晶體組織是否良好、整個(gè)試件是否均勻、內(nèi)部雜質(zhì)和孔隙的大小等等。另外，快速的加熱和冷卻還將引起試件內(nèi)較大的殘余應(yīng)力。為了解決這些問題，一般需要在多種制造參數(shù)配合，例如激光的功率和能量分布、激光聚焦點(diǎn)的移動(dòng)速度和路徑、加料速度、保護(hù)氣壓、外部溫度等等。

在所有金屬合金中，鈦合金尤其受到重視。因?yàn)殁伜辖鹈芏鹊?、?qiáng)度高、耐腐蝕、熔點(diǎn)高，所以是理想的航天航空材料。但是由于鈦合金硬而且脆，所以不宜用切割和鑄造的方式來成型。反而是由于它導(dǎo)熱率低，在加熱時(shí)熱量不會(huì)發(fā)散引起局部變形，比較適合利用激光快速成型技術(shù)。最后，鈦合金材料價(jià)格高，利用3D打印技術(shù)能夠在減輕飛行器重量的同時(shí)節(jié)省原材料的成本。

圖表1：激光快速成型技術(shù)制作金屬零件

圖表2：快速加熱和冷卻導(dǎo)致了試件內(nèi)的殘余應(yīng)力

圖表3：鈦合金、不銹鋼和鋁合金的性能對(duì)比

針對(duì)金屬材料的3D打印，歷史上在不同的研究所里演化出了很多種不同的技術(shù)種類，但是基本的原理可以說大同小異。這些技術(shù)大多開始于90年代中期，晚于以樹脂和塑料為原料的FDM、SLA和SLS等技術(shù)。我國差不多也在同期開始了此方向的研究。

激光成型的零件在靜態(tài)力學(xué)性能上不比鍛壓的差，但由于加工時(shí)間很長，外界擾動(dòng)會(huì)造成宏觀結(jié)構(gòu)上不均一，疲勞性能上還存在差距。

圖表4：激光快速成型技術(shù)制作金屬零件的技術(shù)

圖表5：世界各地的金屬3D打印公司

3DSystems作為世界上市值最大的3D打印公司，有sPro?125/250DirectMetal兩款金屬材料打印機(jī)產(chǎn)品，使用的是用激光燒結(jié)金屬粉末層的技術(shù)，最大的加工尺寸為250×250×320mm，可用的材料包括不銹鋼、鈦、鈷鉻合金及工具鋼等。在40余種的產(chǎn)品型號(hào)中，直接金屬制造的打印機(jī)產(chǎn)品仍屬少數(shù)。

圖表6：PhenixSystems設(shè)備的技術(shù)流程

ArcamAB公司的2款打印機(jī)產(chǎn)品主要針對(duì)的是航天工業(yè)和外科整形市場(chǎng)，能制作的最大零件尺寸為200×200×180mm，同時(shí)提供多種型號(hào)的鈦合金粉末和鈷鉻合金粉末。在外科整形市場(chǎng)上，ArcamAB公司自2007年以來，在全球已提供了3萬件以上的植入物。

今年上半年公司實(shí)現(xiàn)收入9210萬瑞典克朗（約合1414萬美元），同比增長80%。凈利潤760萬瑞典克朗（約合117萬美元）。

圖表7：電子束快速成型技術(shù)示意圖

總部位于美國的ExOne公司成立于2005年，從母公司ExtrudeHone獨(dú)立，今年2月份在納斯達(dá)克IPO（NASDAQ:XONE）。

Exone公司提供兩種增材制造系統(tǒng)，分別用來打印砂型和金屬零件，技術(shù)分別起源于德國一家叫做Generis和MIT。砂型的尺寸最大能夠做到1800×1000×700mm，而金屬的尺寸能夠做到780×400×400mm。其所采用的是最早被稱作“3D打印”的技術(shù)，即用噴頭在砂型或者金屬粉末中打印粘接劑，掃描成型。對(duì)于金屬材料，將打印出的模型去掉多余部分，然后在爐中加熱去除粘接劑，同時(shí)融化金屬粉末使之粘結(jié)，必要時(shí)進(jìn)行二次加熱去除材料中的空隙。除了沙子和金屬外，還可以制作玻璃制品。

在制造設(shè)備的同時(shí)，ExOne還提供打印服務(wù)和解決方案。2012年ExOne總共賣出了13套系統(tǒng)，在全世界共設(shè)立有6家服務(wù)點(diǎn)。今年上半年，實(shí)現(xiàn)收入1720萬美元，同比增長132%，虧損700萬美元。另外，還有一家在歷史上有名的金屬3D打印公司叫做AeroMet。它于1997作為MTS的子公司成立，合作方包括JohnsHopkins大學(xué)和PennState大學(xué)等，開發(fā)的鈦合金激光快速成型技術(shù)被稱為Lasform，與多家航空設(shè)備公司進(jìn)行過合作開發(fā)，持續(xù)收到政府部門資助和企業(yè)訂單。所采用的技術(shù)能夠制成的零件尺寸達(dá)到2400×900×225mm。但是由于零件的疲勞性能仍然差于鍛件，同時(shí)成本過高，無法批量裝備，隨著不少型號(hào)的飛機(jī)陸續(xù)結(jié)束試制階段，最終AeroMet在2005年被關(guān)閉。

圖表8：AeroMet的惰性氣體保護(hù)箱能夠支持較大的零件成型