金属材料增材制造成型结构研究进展综述

韩国梁，石文天，韩玉凡，刘玉德

（北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048）

新兴的增材制造（3D打印）技术是先进信息技术、制造技术与新材料技术等多学科融合发展的一种新兴工业制造技术。被业界认为是“21世纪十大颠覆性技术之一”和“将要改变世界的技术”，并会引领“第三次工业革命”。典型的金属增材制造方法，和传统加工方式相比具有成型高致密度、力学性能优异、可制备复杂零件和节省材料等诸多优势，非常适合应用于注重轻量化、个性化的复杂模具、航空航天、汽车、医疗等领域。

在SLM技术运用于生产过程中会遇到各种复杂零件，这些零件中会包含许多复杂结构，其中典型的有：悬垂结构、薄壁结构、多孔结构等。这些结构在成形过程中经常会出现各种缺陷从而影响最终金属零件的成型质量，因此解决这些复杂结构成形质量对于保证复杂结构零件的质量具有重要的意义。本文将本文根据国内外研究报道，系统地综述了金属材料增材制造成型成型薄壁结构、悬垂结构、多孔结构的研究并提出了今后的研究展望。

1 薄壁结构

薄壁零件通常都要求质量轻、精度高、壁厚薄。因此在采用SLM技术制造薄壁零件时薄壁零件的尺寸精度和力学性能就是影响零件质量的关键因素。薄壁尺寸量级较小，铺粉效果好与坏直接影响成型的质量，不同特性的粉末对铺粉效果有着很大的影响，粉末团聚将。为了解决薄壁应力复杂成形较难的问题，刘超[1]等人通过有限元分析的方法对薄壁成形过程中的温度场和应力进行了模拟，研究了各参数对成形过程中温度梯度和应力的影响。发现了成形区域散热比较慢并得出了薄壁成形中最佳扫描线长为15mm；对应力进行分析时得到了应力主要分布在薄壁两侧和顶部，其中两侧应力主要以Z方向为主，顶部应力则以X方向应为主的结论。根据结论他们提出了多熔道薄壁成形时对薄壁两侧添加支撑和分区域扫描的策略，经过试验后得到了较好的成形效果。王飞俊[2]等人研究发现薄壁结构变形主要在薄壁件顶部，最大残余应力主要分布在试件与薄壁件中间。

2 多孔结构

多孔结构（Porous Structure）是一种由形成孔隙的棱边和壁面的固体杆或固体板所构成的相互联结的网络体[3]。传统制造技术经常使用粉末冶金、聚合物发泡法、热喷涂等加工技术来生产多孔结构。表征多孔结构几何特性的主要参数有孔径、孔隙率、比表面积、孔棱直径、形状各向异性率等。多孔结构作为一种特殊结构和功能材料在能量吸收[4]、过滤和分离[5]、电磁屏蔽[6]、热交换[7]、人工植入体[8]等方面有着独特的优势，已广泛应用于航空航天、汽车、化工、生物医疗等领域。SLM技术以激光束为能量源，通过聚焦可得到较小的光斑尺寸使加工精度更高，从而能加工出更为精细的结构，与传统制造技术相比有独特的优势[9，10]。

与其他两种结构相比较，多孔结构本身比较复杂，样件模型设计也是一项重要研究内容。概率球模型可以有效地控制点阵的不规则度，实现某个方向上具有梯度孔隙率的多孔结构建模；同时研究了可控多孔结构几何参数的变化规律，优化了多孔结构SLM制造工艺，并对多孔结构的力学性能进行检测，得到了符合设计目标的多孔结构。在不影响内部点阵排列结构的前提下，通过对三维模型的底面点阵进行适当裁减，增大底面与基材的接触面积，实现增加结构体与金属材料增材粘合力的目的并保证了结构体的成形效果。

3 悬垂结构

悬垂结构在复杂零件内是常见的结构类型，如内孔、水平外表面。悬垂结构又分为水平悬垂结构和非水平悬垂结构，其成形过程中具有较多缺陷：翘曲变形、挂渣、粘粉等，这些缺陷制约了成形高精度悬垂结构零件。针对这些问题常见的解决方法有添加支撑、通过调整参数或者改变成形方向等方法来减少悬垂结构的缺陷产生。

在悬垂结构中添加支撑结构作用主要包括[11-13]：承接下一层粉末层，防止出现塌陷；在抑制成型过程中由于受热和冷却产生的应力收缩，减少翘曲发生；连接上方新成形的部分防止发生变形。陈超[14]等人通过对SLM打印悬垂结构过程中出现的变形问题进行分析，总结了手动添加支撑的基本规律，并且通过ANSYS Additive软件分别对手动和自动添加的支撑结构及零件结构成型过程中的变形进行模拟仿真，验证支撑添加规律的正确性，大幅减少支撑面积。F.Calignano[15]等人对悬垂结构和支撑结构的类型进行了研究，确定了最优自支撑悬臂结构，同时也对零部件成形方向对结果的影响进行了研究分析，并通过试验验证了结果的可行性。HAO L[16-17]等研究了零部件成形方向对结构的影响，对支撑结构进行了设计，提出了新型多孔结构支撑构型。张小川[18]等人通过试验和仿真手段研究了悬垂结构成形中的应力分布规律，提出了非均匀支撑分布的设计思路，设计了一种基于正态分布的支撑布置形式，实现了支撑分布的优化设计。

在金属增材成型件与基板接触的边角位置有最大的残余应力，当激光功率与扫描速度比值不变时，悬垂结构位置变形随着激光功率增加而增大。石文天等[19]研究了在极限成形角度附近以不同激光功率和不同扫描策略下，镍铬合金钢和316L成形悬垂结构的精度和表面质量。并提出了“回”字形完全填充扫描策略，并进行了试验验证。试验表明：在极限成形角度附近成形的悬垂结构能够保证良好的成形精度和工艺效果，采用缩小点距和线间距的“回”字形完全填充扫描策略可获得最低的表面粗糙度值和较好的成形效果。

4 结语

国内外学者对这些复杂结构研究比较全面且深入，结合了不同学科内容来研究SLM成形复杂结构的基理，探寻缺陷产生的原因，并通过仿真与试验相结合的方法不断优化工艺过程。对于这些复杂结构仍然存在一些问题需要进一步深入研究：①薄壁结构的壁厚较薄，需要开发出可以生成更小光斑直径的激光器，研究出更加精密的铺粉设备和铺粉策略以及合理的粉末粒径和成分配比。②对于可控多孔结构需要开发出一种简单易用的的建模软件，可以更方便的与有限元软件进行交互；同时多孔结构上粘粉现象严重导致尺寸精度较差，仍需进一步研究改善。③需要设计出一种适合悬垂结构、结构简单易去除的支撑结构；极限成形角度附近的成形效果仍需进一步优化，减少悬垂结构支撑使用量。④探索包含多种复杂结构零件在实际生产中的应用，总结出一套具有普适性的SLM制造复杂结构的加工工艺。