3D打印技術又被稱為“增材制造技術”、“快速成形技術”和“實體自由制造技術”等，至今已有30多年的發展歷史。3D打印技術基于離散－堆積原理，以數字模型為基礎，通過計算機程序運行使材料逐層熔化和堆積，最終得到立體實物。相比于傳統的減材制造技術，其最大的優勢在于生產無需原坯，同時精度和自由度高、工藝簡單、節省時間及原材料，在航空航天、醫療、汽車、國防、電子等領域得到了廣泛的應用，尤其是在一些鏤空多、結構復雜的結構件上。當今，國內外常用的鈦合金 3D打印方法主要有激光選區燒結成形技術（SLS）、激光近凈成形（LENS）、激光選區熔化成形技術（SLM）和電子束選區熔化成形技術（EBSM），這些技術都有各自的特點，在不同的領域各有優勢。目前可用于3D打印的材料有金屬、高分子、陶瓷、石膏及復合材料。金屬材料3D打印技術起步較晚，但發展迅速，有研究者認為金屬材料3D打印技術可能在快速成形制造領域逐漸占據主導地位。

金屬3D打印材料主要集中在鈦合金、鋁合金、鐵基合金領域，其中鈦合金的發展最快。鈦合金具有密度小、比強度高、耐高溫、耐腐蝕、生物相容性好等特性，在航空航天、船舶與海洋工程、醫療、石油化工等領域應用廣泛。從工業價值、資源壽命和發展前景看，鈦合金僅次于鐵和鋁，被稱為“正在崛起的第三金屬”［1～4］，但其材料昂貴、加工難度大，采用普通鍛造、機加方法獲得零件，材料利用率低，制造成本居高不下，限制了其進一步推廣應用［5］。鈦合金鑄件工藝靈活性好，可以直接近凈成形各種形狀的構件，減少機加工量，提高金屬利用率，并縮短生產周期，有效降低鈦合金零件制造成本。近年來，隨著鑄造技術提高以及熱等靜壓（HIP）等工藝的應用，鈦合金鑄件品質及性能已經接近鍛件的水平，且裂紋擴展和抗蠕變性能優于相應的鍛件［6，7］，加速了鈦合金鑄件在航空發動機、導彈、衛星及人體植入物等領域的應用［8～10］。同時，隨著3D打印技術的發展及推廣，其快速制造、復雜結構零件成形方面的顯著優勢，為鈦合金鑄件生產工藝革新，提供了新的發展機遇［11，12］。

國際上3D打印技術在鈦合金加工成形上的應用主要有：①直接3D打印鈦合金構件，采用SLS并選擇合適的鈦合金粉末，根據設計好的三維零件圖形通過激光源提供的能量使得鈦合金粉末燒結成形，逐層打印出鈦合金構件；②3D打印蠟模，該應用有兩種3D打印方案，一種是熔融沉積成形技術，根據三維零件圖逐層打印出高分子材質零件，最后經過去支撐處理來改善打印件表面品質得到打印蠟模；另一種是采用光固化成形技術，根據三維零件圖逐層打印出光敏樹脂、聚苯乙烯等材質的零件，經過去支撐處理來改善打印件表面品質得到打印蠟模；③修補缺陷，采用激光立體成形技術對鈦合金鑄件中一些重要零件進行缺陷修復成形，如在一些大面積薄壁件上進行大體積增材修復、恢復復雜形狀結構損傷部位的形狀和性能［13］，具有變形小、提高修復件力學性能等優勢。

1、鈦合金構件生產工藝流程及特點

鈦的化學活性高，為避免澆注時與鑄型材料發生激烈反應，一般選擇石墨、氧化鋯、氧化釔等作為與鈦液接觸的面層鑄型材料，并逐漸發展形成機加工石墨型和熔模精密鑄造兩種傳統主流工藝［14］，見圖1。在熔模鑄造中，首先要根據鈦合金零件圖，考慮澆注收縮率和加工余量等因素，進行鑄件圖、射蠟模具圖等工藝設計，并加 工射蠟金屬模具，使用射蠟機和射蠟模具壓制的蠟模，經掛漿撒砂、干燥焙燒等工序后，完成陶瓷型殼制備，再進行真空澆注獲得鑄件。與熔模鑄造工藝不同，機加工 石墨型是使用優質高純石墨加工成石墨型，再澆注獲得鈦合金鑄件。兩種工藝均存在工序流程長、裝備工藝復雜、鑄型成本高的問題。

2、3D打印技術優勢

3D打印技術憑借無需模具、快速性、低成本、高柔性和高集成化等優勢而被廣泛應用［15］。根據鈦合金鑄件傳統生產工藝流程及優缺點，以縮短交期、降低成本、 成形復雜結構零件為目的，3D打印金屬及模樣技術在鈦合金鑄件生產過程中具有顯著技術優勢，具體如下［16，17］。

（1）快速成形，縮短交期　可直接快速成形鑄件、模樣，省去模具設計、加工及試模等工序，使鈦合金鑄件交付周期由傳統的2～3個月，縮短至15～30天，尤其適用于鈦合金鑄件新產品開發。

（2）簡化流程，降低成本　一方面，3D打印無需模具、石墨型、工裝設計及加工，節省了高昂的制作費用，特別適合于多品種、單件或小批量生產的鈦合金鑄件；

另一方面，利用3D 打印工藝設計及制造靈活性的特點，實現零件的一體成形制造，減少傳統工藝多零件分體設計、制造、焊接、熱處理、機加工等復雜工序及成本， 提高材料利用率，實現降本增效。

（3）設計自由，生產柔性　3D打印技術是采用逐層堆積成形方法打印金屬、模樣，無需開模具，不受鑄造分型、斜度等工藝設計限制，可對鑄件結構進行拓撲優化 及一體化成形設計，能夠制造出傳統工藝無法生產的復雜結構鈦合金鑄件。此外，3D打印呈現高度數字化、信息化、集成化特點，生產效率和成本受鑄件結構影響較 小，可實現柔性生產，且與傳統鑄造工藝相比，鈦合金鑄件品種越多、結構越復雜、數量越有限，柔性生產經濟性越顯著。

此外，3D打印鈦合金構件作為一種先進的一體化加工方案，可一次性完成傳統構件鑄、鍛、焊、機加工等多工序制造方案，在生產周期、減重、綜合降本等方面優 勢突出，應用趨于廣泛。

3、3D打印鈦合金構件技術及應用

與采用傳統鑄造方法生產鈦合金構件相比，使用金屬粉體或絲材等原料，直接3D打印制備鈦合金構件，無需模具設計、加工、制殼、澆注、清殼等工序，從三維模型到完成構件原型制作通常只需幾個小時到幾十個小時，是目前鈦合金構件成形流程最短、時間最快、可成形結構最復雜的制備方法。同時，3D打印鈦合金構件為結構設計、優化提供了最大自由度，為分體式零件輕量化、一次性整體設計和制造提供了有效解決方案，可成形復雜、個性化結構，制作的零件無需拼焊，一致性好，解決了傳統方式帶來的增重、密封性差和結構件整體強度剛度低等問題。

3D打印鈦合金構件具有的上述優勢，使其在航空航天領域獲得了快速發展，同時在醫療、汽車、快速制造等領域也具有廣闊的應用前景。在工程化應用方面，發達國家對3D 打印鈦合金構件技術展開了大量研究。AｅｒｏＭｅｔ公司采用3D打印技術為波音公司制造了F／A－18E／F艦載聯合殲擊機／攻擊機鈦合金次承力結構 件，主要包括航空翼根吊環和大型鈦合金翼梁，鑄件尺寸分別達到900ｍｍ×300ｍｍ×150ｍｍ、2400ｍｍ×225ｍｍ×100ｍｍ，并實現了裝機應用，見圖2［11］。美國空客公司在其A380客機上安裝了首個由3D打印制造的一體化設計、復雜結構鈦合金主飛行控制液壓元件，并順利完成飛行測試，見圖3［11］。近年來，國內3D打印鈦合金構件應用發展迅速，先后研制并掌握了TA15、TC4、TC11等鈦合金大型、復雜、整體、主承力飛機關鍵構件3D打印技術，并實現了C919大型客機在內的多型號飛機裝機應用，圖4為某型號飛機“眼鏡式”鈦合金加強框。2012年，研制的大飛機C919中央翼緣條鈦合金3D 打印金屬通過了性能測試，其尺寸為3000ｍｍ×350ｍｍ×450ｍｍ，質量為196kg；同時，采用3D打印技術還研制了軸承座后機匣、超音速飛行器方向舵、復雜內部結構零件等構件［5］。鈦合金3D打印技術在零件快速修復及制造方面優勢顯著，可有效延長零件使用壽命、減少備品備件，提升軍事裝備作戰能力。

此外，3D打印技術在個性化、復雜三維結構及難加工醫療器械制造中具有優勢，非常適合鈦合金骨科植入物醫療器械制造，使植入物外形和力學性能與人體自身骨骼 實現理想雙重適配，目前已經實現商業化應用［8，18］。

4、3D打印模樣技術及應用

通過3D打印高分子材料模樣，并使用熔模鑄造鈦合金鑄件，已經實現了工業化應用。與3D打印鈦合金構件相比，雖然生產流程有所增加，但由于模樣制備成本低，可獲得傳統鈦合金精鑄件組織性能，在鈦粉成本未實現大幅降低條件下，該方法用于單件、小批量，或不易開金屬模具鈦合金鑄件生產，能夠快速、精確地制造出任意復雜的零部件模型，在縮短生產周期、降低成本方面具有綜合優勢。3D打印模樣需具備足夠強度和較少灰分含量，以滿足制殼抑制變形、減少澆注掉渣夾雜等品質風險。目前，3D打印模樣材質主要有光敏樹脂模（SLA模）、聚苯乙烯模（PS粉模）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA粉模）等3種。SLA 模是基于光固化快速成形技術（SLA），以液態樹脂為原料制作而成，其生產的鈦合金鑄件具有尺寸精度高、表面粗糙度低等優點，但制模成本高于另外兩種工藝。圖5為SLA模樣、型殼及鈦合金鑄件。PS粉模（見圖6）和PMMA粉模（見圖7）相似，分別采用顆粒燒結和粘結方法制模，雖然成本較低，但尺寸精度和表面粗糙度不及SLA 模。3種打印模樣技術特點、成本對比情況見表1，需要在實際生產中，根據品質要求和成本因素綜合考慮［19，20］。

5、存在的問題及發展趨勢

與鋼鐵、鋁合金鑄件不同，鈦合金鑄件昂貴、產量低、結構復雜，因此非常適宜采用3D打印技術，以降低鑄件綜合成本，縮短生產周期。近年來，3D打印技術在鈦合金鑄件生產中雖然實現了快速應用，但仍然存在產業發展瓶頸，需要整個產業鏈企業共同努力解決［16，21］。存在的問題及發展趨勢主要包括4個方面。

（1）提高3D 打印鈦合金構件品質及穩定性　粉體、絲棒材等鈦合金打印原料加工性能不佳，以及打印設備、參數不當，均會導致鈦合金零件出現球化、裂紋、空隙及翹曲變形等問題，實現細粒徑、低氧含量、高球形度合金粉末的制備，并持續從打印原料、打印設備和工藝等方面進行系統整體發展和提升，以保證鑄件的品質和穩定性。

（2）降低生產成本　盡管3D打印技術能夠簡化鈦合金鑄件生產工藝流程，提高原料利用率，但由于鈦合金粉體價格昂貴，使得3D打印鈦合金構件成本居高不下。因此，創新制粉工藝技術，大幅降低鈦合金粉體成本，同時推進SLA模、PS粉模、PMMA粉模降低成本，是實現3D打印技術在鈦合金鑄件生產中廣泛應用的基礎。

（3）提高技術成熟度，建立完善的標準體系　搜集整理數據，加大3D打印鈦合金構件應用評價；同時，需要行業整合資源，發展并建立鈦合金粉體、3D打印裝備 和工藝、3D打印鈦合金構件及其無損檢測方法和標準體系，為應用領域設計人員提供可靠標準體系支撐，是影響3D打印技術進一步發展的決定因素。

（4）3D打印型殼新技術發展　陶瓷3D打印是近年來剛興起的一種快速成形技術，將其應用于傳統鈦合金熔模精密鑄造工藝中，使陶瓷膏體直接打印型殼來取代傳統的模樣制備，與3D打印模樣相比，不僅可以進一步縮短流程，同時可避免模樣灰分殘留、脹殼導致的鈦合金鑄件掉渣夾雜等品質問題。

6、結語

綜述了3D打印技術在鈦合金構件和模樣領域的研究現狀和發展問題，3D打印金屬及模樣作為一項前沿技術，均已在鈦合金鑄件生產中獲得應用，為單件小批量鑄件快速、低成本制造，實現特殊復雜結構零件成形提供了解決方案。但新技術仍然存在不足，需要持續進行技術創新和改善提升，以實現進一步廣泛應用。

參考文獻

[1]王新英，謝成木．國內外鈦合金精密鑄造型殼材料的發展概況［Ｊ］．特種鑄造及有色合金，2001（3）：40－42．

[2]YEONG　W　Y，CＨUA　C　K，LEONG　K　F，et　al．Rapid　proto　typing in tissueｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Cｈaｌｌｅｎｇｅｓ　aｎｄ　ｐｏｔｅｎｔｉaｌ［Ｊ］．Tｒｅｎｄｓ　ｉｎ　Bｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2004，22（12）：643－652．

[3]SALLＩCA　L　E，ＪAＲDＩNＩ　A　L，FOGAGNOLO　Ｊ　B．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅaｎｄ　ｍｅｃｈaｎｉｃaｌ　ｂｅｈaｖｉｏｒ　ｏｆ　ｐｏｒｏｕｓ　Tｉ－6Aｌ－4Ｖｐaｒｔｓ　ｏｂｔaｉｎｅｄ　ｂｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌaｓｅｒ　ｍｅｌｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎaｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｅｃｈaｎｉｃaｌ　Bｅｈaｖｉｏｒ　ｏｆ　Bｉｏｍｅｄｉｃaｌ Ｍaｔｅｒｉaｌｓ，2013，26：98－108．

[4]WOＨLEＲS　T，CAFFＲEY　T．Aｄｄｉｔｉｖｅ　ｍaｎｕｆaｃｔｕｒｉｎｇ：Tｈｅ　ｓｔaｔｅｏｆｔｈｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｊ］．Ｍaｎｕｆaｃｔｕｒｉｎｇ　Eｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2016，156（5）：45－52．

[5]范李鵬，王寶兵，余國康．鈦合金復雜薄壁結構件精密鑄造工藝研究［Ｊ］．特種鑄造及有色合金，2016，36（10）：1　079－1　081．

[6]高婷，趙亮，馬保飛，等．鈦合金鑄造技術現狀及發展趨勢［Ｊ］．熱加工工藝，2014，43（21）：5－11．

[7]王紅紅，劉振軍，王紅．鈦合金鑄件的應用及發展［Ｊ］．新材料產業，2009（11）：25－30．

[8]DUTTA　B，FＲOES　F　Ｈ．Aｄｄｉｔｉｖｅ　ｍaｎｕｆaｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｉｔaｎｉｕｍ　aｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Aｄｖaｎｃｅｄ　Ｍaｔｅｒｉaｌｓ　aｎｄ　Pｒｏｃｅｓｓｅｓ，2014，172（2）：18－23．

[9]劉時兵，柴皓，倪嘉，等．航空航天用鈦合金3D打印技術的研究概述［Ｊ］．鑄造，2019，68（9）：965－970．

[10]CAＲＲＩCO　Ｊ　D，LEANG　K　K．Fｕｓｅｄ　ｆｉｌaｍｅｎｔ　3Dｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｏｆ　ｉｏｎｉｃｐｏｌｙｍｅｒ－ｍｅｔaｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｆｏｒ　ｓｏｆｔ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ［A］．EｌｅｃｔｒｏaｃｔｉｖｅPｏｌｙｍｅｒ　Aｃｔｕaｔｏｒｓ　aｎｄ　Dｅｖｉｃｅｓ［C］．Pｏｒｔｌaｎｄ，2017．

[11]WALKEＲ　Ｊ，ＨAＲＲＩS　E，LYNAGＨ　C，ｅｔ　aｌ．3Dｐｒｉｎｔｅｄ　ｓｍaｒｔｍｏｌｄｓ　ｆｏｒ　ｓaｎｄ　ｃaｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎaｔｉｏｎaｌ　Ｊｏｕｒｎaｌ　ｏｆ　Ｍｅｔaｌｃaｓｔｉｎｇ， 2018（3）：1－12．

[12]沈選金，賀同正，羅國軍，等．鈦及其合金的熔模精密鑄造［Ｊ］．鑄造技術，2015，36（7）：1　876－1　878．

[13]杜宇雷，孫菲菲，原光，等．3D打印材料的發展現狀［Ｊ］．徐州工程學院學報（自然科學版），2014，29（1）：20－24．

[14]KANG　Ｊ，ＭA　Ｑ．The　ｒｏｌｅ　aｎｄ　ｉｍｐaｃｔ　of　3Dｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎ　ｃaｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Cｈｉｎa　Fｏｕｎｄｒｙ，2017，14（3）：157－168．

[15]ALＭAGＨAＲＩＺ　E　S，CONNEＲ　B　P，LENNEＲ　L，ｅｔ　aｌ．Ｑｕaｎｔｉｆｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｐaｒｔ　ｄｅｓｉｇｎｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　ｉｎ　ｕｓｉｎｇ　3Dｓaｎｄ　ｐｒｉｎｔｉｎｇｆｏｒ　ｍｏｌｄｓ　aｎｄ　ｃｏｒｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎaｔｉｏｎaｌ　Ｊｏｕｒｎaｌ　ｏｆ　Ｍｅｔaｌｃaｓｔｉｎｇ，2016，10（3）：240－252．

[16]張馳，趙航，孫曉紅，等．航天耐高溫鈦合金零件3D打印質量優化研究［Ｊ］．計算機仿真，2017，34（3）：88－91．

[17]唐超蘭，溫竟青，張偉祥，等．鈦合金3D打印成形技術及缺陷［Ｊ］．航空材料學報，2019，39（1）：38－47．

[18]馬晨璐．鈦合金及3D打印在汽車行業的應用［Ｊ］．中國鈦業，2018（1）：16－19．

[19]BＲOWN　A．3Dｐｒｉｎｔｉｎｇ　in　insrｕｃｔｉｏｎaｌ　settings：Ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ　aｃｕｒｒｉｃｕｌaｒ　ｈｉｅｒaｒｃｈｙ　ｏｆ　aｃｔｉｖｉｔｉｅｓ［Ｊ］．Tｅｃｈ．Tｒｅｎｄｓ，2015，59（5）：16－24．

[20]吳復堯，劉黎明，許沂，等．3D打印技術在國外航空航天領域的發展動態［Ｊ］．飛航導彈，2013（12）：10－15．

[21]喬海濱，袁兵兵，孫宏喆，等．3D打印熔模精密鑄造模樣燃燒特性對比研究［Ｊ］．鑄造技術，2020，41（6）：544－547．

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