1.1.2 金属3D打印工艺分类
目前适于金属材料3D打印成形的工艺已经发展到十余种，如图1-1所示。根据国际标准化组织对3D打印工艺和材料的分类，目前可用于金属材料的3D打印工艺可分为五大类［5］：定向能量沉积（direct energy deposition，DED）、粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）、黏结剂喷射（binder jetting，BJ）、薄材叠层（sheet lamination，SL）和冷喷涂沉积（cold spray deposition，CS ），其中DED和PBF是目前最为主流的金属3D打印工艺。DED是利用聚焦热能（激光、电子束、电弧、等离子）将材料（粉末或丝材）同步熔化沉积的3D打印工艺，可直接制造出大尺寸的金属零件毛坯。PBF工艺是一类通过热能（激光或电子束）选择性地熔化/烧结粉末床区域的3D打印工艺，主要用于复杂精密金属零件的直接制造。
图1-1 金属3D打印技术的分类
（1）定向能量沉积技术
定向能量沉积技术是利用聚焦热能将材料同步熔化沉积的3D打印工艺，20世纪80年代末90年代初，随着计算机、激光、电子束等技术的进步，基于同步送粉的激光熔融沉积［图1-2（a）］和电子束/电弧/等离子熔丝沉积［图1-2（b）］等现代意义上的定向能量沉积工艺不断涌现，使高性能大型复杂金属零件的制造成为可能。同时，定向能量沉积同步送粉/丝的材料送进特点，还可成形制造具有结构梯度和功能梯度的梯度复合材料，并可用于高性能零部件低成本快速修复及再制造。
图1-2 基于同步送粉的激光熔融沉积（a）和电子束熔丝沉积（b）示意图
我国定向能量沉积工艺的研究自20世纪90年代中期开始发展。西北工业大学［6，7］、北京航空航天大学、北京航空制造工程研究所等在成形装备、工艺研究和产业化方面开展了大量的研究工作，并取得了重大进展。2013年，北京航空航天大学和沈阳飞机设计研究所完成的“飞机钛合金大型复杂整体关键构件激光成形技术”获国家技术发明奖一等奖。目前，我国在基于同步送粉的激光熔融沉积技术方面处于世界领先水平，研制的大型钛合金、高强钢复杂构件已在我国武器装备和民用领域获得应用。需要指出的是，由于国际上多家研究机构几乎在同一时间开展了基于同步送粉的激光熔融沉积技术研究，因此，这项技术在国际上也具有多种不同的名称，如激光近净成形（LENS）、直接光制造、激光立体成形、激光快速成形、激光熔覆沉积等。
（2）粉末床熔融技术
粉末床熔融技术是一类通过热能选择性地熔化/烧结粉末床区域的3D打印工艺，其热源主要包括激光和电子束。图1-3是激光选区烧结/熔化成形技术原理图，电子束选区熔化成形技术与其类似：首先将零件三维CAD模型文件沿高度方向按设定的层厚进行分层切片，获得每层二维截面信息；然后，在工作台上铺一薄层粉末材料，激光/电子束在计算机控制下，根据各层截面数据，有选择地对粉末层进行扫描，在被扫描的区域，粉末颗粒发生烧结或熔化而成形，未被扫描的粉末仍呈松散状，可作为支撑；一层加工完成后，工作台下降一层（设定的层厚）的高度，再进行下一层铺粉和扫描，同时新加工层与前一层熔合为一体；重复上述过程直到整个三维实体加工完为止；最后，将初始成形件取出，并进行适当后处理（如清粉、打磨、浸渗等），获得最终三维零件。
图1-3 激光选区烧结/熔化成形技术原理示意图
粉末床熔融技术的历史可追溯到1979年Housholder［8］提出的通过分层铺粉、选区成形三维零件的制造思想，如图1-4所示。1986年，Deckard［9］在其专利中提出了通过激光选区烧结的概念。1992年，美国DTM公司（现属于3D Systems公司）激光选区烧结（selective laser sintering，SLS）装备研发成功。1995年，德国Fraunhofer激光研究所提出了激光选区熔化成形的技术思想。瑞典Arcam AB公司于2001年申请了利用电子束在粉末床上逐层制造三维零件的专利。2002年，德国EOS公司和瑞典Arcam公司分别成功研制了激光选区熔化（selective laser melting，SLM）和电子束选区熔化（selective electron beam melting，SEBM）商业化装备，可成形接近全致密的精细金属零件。
图1-4 美国Housholder提出的粉末床熔融技术思想示意图
1—当前熔化层；2—激光束；3—激光器；4，5—振镜；6，7—电机；8—扫描线；9—熔化区；10—成形仓；11—成形平台；12—刮粉器；13—输送带
我国粉末床熔融技术的研究始于20世纪90年代中期。1993年，北京隆源率先在国内开发出SLS实验型装备。华中科技大学从20世纪90年代末开始研发SLS装备与工艺，并通过武汉滨湖机电产业有限公司实现商品化生产和销售。2004年，华中科技大学和华南理工大学几乎同时开始SLM技术与装备的研发工作。到2009年左右，两家单位均已自主研制成功了专业化的SLM装备。2007年，西北有色金属研究院和清华大学合作，在国内率先实现了钛合金SEBM成形。2015年，西北有色金属研究院控股的西安赛隆金属材料有限公司推出了我国首台具有自主知识产权的工业级SEBM装备。目前，我国在粉末床熔融技术方面的研究十分活跃，研制的钛合金等精密零件已在武器装备和民用领域获得应用。
（3）黏结剂喷射技术
黏结剂喷射是1989年美国麻省理工学院提出的一类选择性喷射沉积液态黏结剂黏结粉末材料的3D打印工艺［10］，其成形原理如图1-5所示。喷头在控制系统的控制下，按照所给的一层截面的信息，在事先铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射黏结剂，使部分粉末黏结，形成一层截面薄层；在每个薄层成形后，工作台下降一个层厚，进行铺粉操作，继而再喷射黏结剂进行薄层成形；不断循环，直至所用薄层成形完毕，层与层在高度方向上相互黏结并堆叠得到所需三维实体制件。一般情况下，黏结剂喷射所得到的金属制件还需要进行后处理。对于无特殊强度要求的模型制件，后处理通常包括加温固化以及渗透定型胶水。而对于强度有特殊要求的结构功能部件以及各类模具，在对黏结剂进行加热固化后，通常还要进行烧结，以及液相材料渗透的步骤以提高制件的致密度，从而达到各类应用对于强度的要求。
图1-5 黏结剂喷射工艺原理示意图
（4）薄材叠层技术
薄材叠层是将薄层材料逐层黏结以形成实物的增材制造工艺。1988年，Feygin［11］提出了薄材叠层制造的思想，成形的材料主要为纸张，如图1-5所示。2000年，White［12］发明了适用于金属薄材叠层制造的超声波固结成形技术（图1-6），其以金属箔材为原料，采用大功率超声波能量，利用金属层与层振动摩擦产生的热量，使材料局部发生剧烈的塑性变形，从而达到原子间的物理冶金结合，实现同种或异种金属材料间固态连接。在超声波金属快速固结成形的基础上，结合数控铣削等工艺，可实现超声波增材成形与智能制造一体化。超声波固结3D打印工艺具有温度低、变形小、速度快、绿色环保等优点，适合于复杂叠层零部件成形、加工一体化智能制造。目前，该技术已成功地应用于同种和异种金属层状复合材料、纤维增强复合材料、梯度功能复合材料与结构、智能材料与结构的制造。此外，超声波固结成形技术还被应用于电子封装结构、航空零部件、热交换器、金属蜂窝板结构等复杂内腔结构零部件的制造。
图1-6 超声波固结成形工艺原理示意图
目前，美国和英国在超声固结成形技术方面处于世界前列。美国Fabrisonic已研发了三种系列的超声波固结设备，设备功率从最初的2kW逐步发展到9kW左右，材料也从铝、银、铜等低强度金属逐步扩展到了钛、不锈钢等高强度金属材料。我国在超声波固结制造方面的研究工作刚刚起步［13］。哈尔滨工程大学开发了国内第一台具有超声波增材制造能力的装备，并开展了一系列超声波增材制造技术领域的研究，但该装备的技术水平仅相当于美国的第一代产品。
（5）其他技术
近年来，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。