增材快速成形與制造技術在高形狀復雜度、高功能復雜度零件的制造方面獨具特色，被認為是現代制造技術發展史上的一個里程碑，并正向高功能、高性能材料零件直接制造方向發展,對制造業產生著深遠的影響[1-2]。其中，金屬零件的直接快速制造(DirectRapidMetalManufacturing)需求范圍最廣，也是其主要發展方向之一。目前主要有采用激光束、電子束、等離子束的高能三束，以及非高能束的成形方法，該技術可直接由零件CAD模型，完成難加工復雜形狀金屬零件的快速成形，還可根據零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實現梯度功能材料零件的快速成形。因此，這是一種零件結構與材料設計、新材料制備、成形、加工一體化的創形創質并行的短流程、數字化制造技術，代表著先進制造技術的發展方向。由于該技術和裝備在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領域的重要應用前景,受到發達國家政府和企業的高度重視和大力支持,但目前尚處在工業規模實用化的前夜。

    高能束金屬零件直接快速制造技術現狀

    因篇幅所限，本課題主要分析廣泛使用的致密金屬零件的直接快速制造技術現狀，其中，采用高能束流的直接制造主要有選區激光熔化/燒結成形法（SLM/SLS）和激光近終成形法（LENS）、電子束成形法（EBM）、等離子束熔積成形法(PDM)，以及其它派生的技術。

    1、SLM技術

    SLM（SelectiveLaserMelting）技術是在SLS技術基礎上發展起來的，與SLS方法的相同之處是，因控制熱變形困難等限制而只適于成形復雜形狀小型件；不同之處是將粉末燒結改良成粉末熔化，省去了SLS法后續的低熔點金屬浸滲致密化環節，較SLS方法可直接成形密度顯著提高的金屬產品。然而，對于成形過程中出現的熔化金屬“聚球”現象，需嚴格控制材料參數、工藝參數和掃描方式才能減輕[3]。要得到高致密度零件需采用熱等靜壓技術，但這往往需要后續加工來保證精度，從而增加了制造難度、時間和成本。SLM/SLS技術皆因采用層層鋪粉的送料方式而難以制造梯度功能材料FGM零件。圖1為MTT公司采用SLM技術制造的金屬零件[4]。

    PHENIXSYSTEMS公司研究開發了與SLS方法相似的激光燒結方法，不同之處在于采用了激光固相燒結的專利技術，并使用了光纖激光器。公司宣稱：金屬粉末成形無后續熱處理工序[5]，但未見其對成形件密度數據影響的報道；其開發的PM250機型的圓柱成形室空間為直徑250mm，高300mm，成形材料采用高溫合金、不銹鋼、模具鋼等粉末。

    2、LENS技術

    由美國Sandia國家試驗室與AlliedSignalInc．，EastmanKodakCo．，HasbroInc．，LaserFareInc．等公司合作開發，已成功制造了316、304不銹鋼，Inconel625、690、718鎳基高溫合金，H13工具鋼，Ti-6Al-4V鈦合金以及鎳鋁金屬間化合物等材料零件，還制備了316-304不銹鋼、304不銹鋼-A690合金、Fe-Cu、Ti-V和Ti-Mo梯度材料零件，顯示出其在功能梯度材料制備方面的獨特優勢。目前，Optomec公司專門從事該技術的商業化工作，已開發出1kW的LENS850商業機，運動定位精度在X-Y方向為0.05mm，Z方向0.5mm，成形最小層厚0.0756mm，最大成形速度8.19cm3/h[6]。圖2為Optomec公司開發的LENS850成形機成形腔內狀況和成形零件。

    此外，還有一些基于LENS技術原理的激光成形技術。如LosAlamos國家試驗室與SyntheMet合作開發的DLF（DirectedLightFabrication）技術，與LENS技術的不同之處是它可直接由CAD模型分層獲得加工路徑格式文件，避免了STL文件格式的數據冗余和錯誤。可用的成形材料有AISI316和400不銹鋼、FeNi合金、AlCu、Ag、Cu合金，P20工具鋼、Ti、W、Re合金，以及鈦鋁、鎳鋁、鉬硅等金屬間化合物等[7]。Michigan大學J.Mazumder教授等提出的DMD技術（DirectMetalDeposition）與LENS技術的區別主要是增加了實時反饋系統[8]。

    美國JohnsHopkins大學、PennState大學和MTS公司合作開發的LasForm工藝，與LENS技術不同之處是采用了19kW大功率CO2激光器和穩定的快速供粉系統，單道堆積寬度和厚度分別達13mm和4mm，工作空間達3m×3m×1.2m，成形速度明顯高于LENS激光成形工藝[9]。但MTS公司成立的AeroMet子公司的教訓表明，即使經熱等靜壓（HIP）、模鍛后加工之后，成形件的疲勞等關鍵力學性能仍低于鈦合金鍛件，故未能有效解決激光成形大型鈦合金結構件內部質量和力學性能控制等關鍵技術難題，加之成本過高，最終導致該公司關閉。

    國內西北工業大學、北京航空航天大學、有色金屬研究院、清華大學、南京航空航天大學、上海交通大學等單位都開展了基于LENS技術的激光直接成形技術研究。北京航空航天大學王華明教授研究小組開發了激光快速成形雙相鈦合金“特種熱處理”新工藝，提出“熱應力離散控制”新方法，制造出的大型整體鈦合金飛機結構試驗件[10]。

   3、EBM電子束成形技術

    瑞典Chalmers工業大學與Arcam公司合作開發了電子束熔化（ElectronBeamMelting，EBM）技術，并以CAD-to-Metal申請了專利[11]。EBM技術采用粉末成形，成形零件尺寸250mm×250mm×200mm，成形速度1cm3/min，最小孔隙率可控制在0.5％以內，適于復雜小型近終件成形，為提高成形效率，最近還開發了多束電子束成形機。因其對硬件和環境的要求高，整個成形過程須在真空室內進行，設備和運行成本高；也存在表面熔化金屬“聚球”現象，且與層層鋪粉的SLS/SLM法相似，難以成形梯度功能材料零件，且成形精度尚不足。圖3為美國宇航局蘭利研究中心(NASALangleyResearchCenter)采用EBM成形或經后加工的樣品及特點。最大尺寸為15.24cm×15.24cm×15.24cm，層厚為0.5mm～1.27mm，沉積率為80cm3/h，零件精度:±1.27mm~2.54mm。

    圖3美國宇航局蘭利研究中心(NASALangleyResearchCenter)采用EBM成形與后加工的樣品

    麻省理工學院的MatzJ.在美國海軍研究局（ONR）的資助下研究了電子束實體自由成形（Electron-beamSolidFreeformFabrication，EBSFF）技術，其與EBM技術的不同之處是采用電子束熔化同步輸送的金屬絲材，其成形的組織較鑄造方法細小。國內清華大學開發的電子束選區同步燒結工藝，可在整體成形區域內，材料同步升溫、燒結、沉積和降溫，減小了熱應力，提高了零件成形的精度和質量[12]。

    4、PDM等離子束成形法

    等離子熔積（PDM）成形方法是利用經電磁、幾何和熱壓縮的轉移電弧產生高溫高速的等離子束流，使金屬達到熔融態，并按設定的三維空間軌跡逐層熔積成形。本課題作者開發了PDM成形工藝與設備[13]，研究結果表明：該方法冶金過程充分，組織性能明顯優于真空鑄件，密度與鍛件相當；成形效率、材料和能量利用率高，設備投資和運行成本遠低于激光束和電子束成形方法，但因弧柱較這兩種方法粗，成形精度不及這兩者。所以，上述三種高能束直接成形方法在成形精度、成形效率、成本和功能等方面各有優缺點，難以全面兼顧。

    最近，作者對空間圓管、彈簧等平面輪廓環沿空間引導線掃掠形成的空間掃掠式復雜結構實體直接成形進行研究，采用成形方向沿引導軸線切向且不斷變化的楔形切片方式進行路徑規劃，開發了變向變厚楔形切片的算法，直接快速成形了圖4所示的變向漸縮式不銹鋼空間螺旋管，表明了該技術具有成形復雜形狀零件成形性的能力。

  非高能束直接快速制造技術

    1、超聲波固結成形技術

    超聲波固結成形技術，由Solidica公司（AnnArbor，Michigan）開發。與采用熱能束的金屬零件快速成形過程的區別在于：第一，不采用金屬粉末作為原材料，采用多種金屬薄帶，如鋁帶等；第二，無成形熱源，而是采用超聲波技術，將各層鋁帶固結在一起，制作金屬零件。此外，可將成形與銑削結合，保證零件精度和表面質量。該技術能制作深槽、空洞、網格、內部蜂巢狀結構體，以及形狀復雜而傳統去除型工藝無法制造的金屬零件[14]。

    ２、其他技術

    由MIT開發3DP（3Dinkjetprinting）技術，授權給ExOne公司及其Prometal子公司開發應用，類似的還有fcubic公司的技術[15]，都是通過噴頭，用粘結劑將粉末以及各層粘接起來積層成形。因制品密度和強度較低，故需后續去粘結劑和浸滲低熔點金屬致密化的熱處理，致使工序和成本增加；且與SLS技術相似，因控制熱變形困難，因此僅適于小型件的制造，零件尺寸小于30mm，表面粗糙度約為4μm。該技術主要使用了鐵、銅、鎢、鎳合金等材料。圖5為fcubic公司制造的氣缸蓋模型。