金剛石具有較高硬度和良好的耐磨性，是制備切削等加工工具的理想材料。傳統金剛石工具制備方法主要有熱壓燒結法、電鍍法、釬焊法與無壓浸漬法等。熱壓燒結法制備金剛石工具時，由于配方設計和制造工藝等原因，金剛石工具在使用過程中常發生金剛石脫落等非正常磨損現象，同時熱壓燒結也很難滿足異型、超薄或微型金剛石工具的制備要求，并存在成本高和工藝周期長等問題。相比傳統制造技術，增材制造技術能從根本上解決復雜結構件創新設計和高效成型的問題，是高性能金剛石工具制造的有效方法。

目前，全球*制造業由原先的減材、等材制造逐漸轉變為增材制造，將整體制造業水平推向了一個新的高度。增材制造技術以數字模型為基礎，將粉末或絲材狀金屬、塑料等可黏合材料通過逐層堆積方式來構造實體外形，具有精度高、周期短、浪費小等特點。基于此國內外學者通過多種增材制造技術成型了金剛石砂輪、鋸片、鉆頭等工具，如立體光固化（SLA）、選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結（SLS）等，為高效制造復雜、高精度金剛石工具提供了新思路。增材制造金剛石工具已應用于航空航天、新材料、軌道交通、醫療器械等關鍵領域，并呈現出較好的應用前景。

增材制造技術

根據成型方法的不同，增材制造金剛石工具制備目前主要分為直接式與間接式。直接式通過高能束將胎體粉末（金剛石與金屬或金屬間化合物的混合料）燒結/熔化成型，如選擇性激光燒結與選擇性激光熔化，或是通過紫外光/直寫將胎體漿料（金剛石與光敏樹脂等高分子的混合液）固化成型，如立體光固化與漿料直寫成型（DIW）。間接式通過擠出將胎體喂料（金剛石、金屬或陶瓷及高分子的混合料）按模型形狀成型，經脫脂處理后進行真空熱壓燒結，冷卻出爐得到成品，如熔融沉積成型燒結（FDM）。

●選擇性激光燒結技術

選擇性激光燒結技術由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Dechard于1989年*提出，通過CO2激光束將低熔點金屬與有機粘結劑混合粉末材料燒結，并利用計算機控制層層堆積成型。工業設備主要包括主機、控制系統和冷卻器三部分，具體成型流程如下：首先通過下面兩種方法完成信息-離散處理過程并導入成型機，然后在計算機的控制下進行逐層掃描燒結。

*種通過CAD建模所需的立體零件，再導入simplify3D切片軟件進行切片；

第二種將逆向工程中得到的三維圖形文件格式轉換為STL文件格式，再用simplify3D切片軟件切片出所需厚度的有序片層。

成型開始前利用基板預熱將粉末原料加熱到稍低于燒結點的某一溫度，成型開始時供粉倉上移，鋪粉滾筒將粉料均勻地鋪在成型缸加工表面上，激光束根據預先設置的速度和能量密度信息在*層進行掃描，然后將成型缸下移，供粉倉上移，鋪粉滾筒再次進行鋪粉，激光束按第二層信息進行掃描燒結，通過層層疊加得到三維實體零件。選擇性激光燒結技術的優點是材料選擇范圍廣，原則上無需支撐結構，材料利用率高，成型速度快；主要缺點是成型件的強度和精度較差，能量消耗高，后處理工藝復雜，成型件變形較大。該技術主要被應用在快速制備鑄造件方面。

●選擇性激光熔化技術

選擇性激光熔化技術來源于選擇性激光燒結成型思想，兩者的主要區別在于前者利用Nd-YAG或光纖激光將金屬粉末完全熔化成型，顯著提高了成型件的相對密度，同時還突破了大型復雜結構零部件高效、穩定成型的難題。選擇性激光熔化技術設備主要由打印腔體、激光振鏡系統、氣流循環系統、過濾系統等組成。選擇性激光熔化技術的優點是成型過程中粉末完全熔化，得到的打印件相對密度高、精度和性能優異。其主要缺點是成本高、設備操作復雜。此技術主要應用于包括鋁合金、鈦合金、鎂合金和鐵基合金等金屬基材料的成型。

●立體光固化技術

立體光固化技術以液態光敏樹脂和石蠟為材料，兩者在打印過程中相輔相成、共同作用，通過激光束選擇性地層層固化成型。具體成型流程如下：打印開始前將成型平臺固定于距液體表面一層的樹脂槽內，打印開始時激光通過選擇性的固化光進行打印，當一層打印完成后，對模型的整個橫截面進行掃描使打印部分固化，成型平臺上移，刮刀給表面覆上新的一層，重復以上過程直到模型打印完成。打印完成后，模型處于柔軟、未完全固化的狀態，如果需要較高的力學性能和熱性能，就需要在紫外光下進行進一步的后處理。立體光固化技術的優點是成型速度快，自動化程度高，尺寸精度高，表面品質好，可以達到磨削加工的表面效果；其主要缺點是需要支撐結構，成型過程發生物理和化學變化，容易翹曲變形，原材料有污染，需要固化處理，機加工性能差，成型件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力較差。主要應用于復雜、高精度的精細零件。

●直寫成型技術

直寫成型技術通過主動或靜態混料裝置使不同組分的漿料混合均勻，并通過漿料擠出裝置將漿料層層沉積在平臺形成零件實體，該方法的核心是漿料以絲狀形式擠出進而快速凝固保持長絲的形狀。直寫成型技術技術按墨水輸出結構類型分為線形直寫成型和液滴直寫成型。

對于線形直寫成型，首先由CAD設計三維結構圖形，通過控制Z軸上的漿料輸送位置，漿料由針嘴擠出的線形流體在X?Y平臺成型出*層結構。*層結構完成后，Z軸漿料輸送裝置上移至第二層漿料的成型高度，通過這樣的逐層疊加過程可獲得傳統成型工藝無法制備的復雜精密三維周期結構。與線形直寫成型不同的是，液滴直寫成型過程中懸浮液是單個離散的液滴，而不是連續的線形流體。液滴直寫成型可分為連續滴定和按需滴定兩類。在連續滴定成型過程中，連續的流體懸浮液從噴嘴處噴出單個離散的液滴，經偏轉沉積，成型的液滴會在基底預先設計的位置以溶劑蒸發、化學反應和冷卻等方式固化。直寫成型技術的主要優點是成型過程無需模具，生產周期短、效率高、成本低，可根據需求便捷地改變樣品的形狀和尺寸，生產靈活，控制*，原材料種類多樣化，有無機非金屬、金屬和有機聚合物等。直寫成型技術是制備毫米級多孔陶瓷的常用方法，主要應用于制備刀具、生物、光學、電子等領域的功能材料。

●熔融沉積成型燒結

熔融沉積成型燒結技術是將絲狀熱塑性材料經噴頭加熱熔化后，在計算機控制下使噴嘴移動位置至前一層已固化的表面并擠出熔絲，*后逐層堆積形成三維實體。打印機包括噴頭、送料機構、絲材、導向臺、加熱工作室、工作臺6個部分，具體成型過程包括送料、熔融擠出和沉積三個階段。*階段，絲材在一對驅動齒輪的機械擠壓作用下進入液化器流道；第二階段，絲材經高溫液化器流道中加熱熔融，在噴嘴擠出；第三階段，絲材經高溫噴嘴擠出沿計算機設定的掃描路徑沉積在打印平臺上并迅速凝固，形成打印制件的截面輪廓層，每完成一層成型，工作臺便下降一層高度，如此反復逐層沉積，直至完成整個制件的成型。熔融沉積成型燒結技術的主要優點是成型速度快，簡單易行，無公害，低成本。其主要缺點是噴頭易磨損，膠液穩定性差，需要支撐，沿成型軸垂直方向的強度比較弱。對于金剛石工具，熔融沉積成型燒結技術在成型過程中經歷的*高溫度通常低于金剛石的碳化溫度，有利于保留金剛石原有特性，但沿成型方向強度不足，因此其更適用于制備諸如超薄金剛石鋸片的金剛石工具。

增材制造金剛石工具

●金剛石砂輪

金剛石砂輪具有磨削性能優異和抗磨損能力強的特點，在工程陶瓷、玻璃鋼、硬質合金等難加工材料的磨削加工中獲得了廣泛應用。

●金剛石鉆頭

金剛石鉆頭主要應用在石油鉆井、地質礦產鉆探和科學鉆孔鉆探等領域。增材制造技術主要通過改變金剛石鉆頭工作面的結構，優化傳統方法制造金剛石鉆頭的性能，提高金剛石鉆頭的工作效率和壽命。

●金剛石鋸片

金剛石鋸片廣泛應用于混凝土、陶瓷、石材、耐火材料等硬脆材料的加工。金剛石鋸片主要由基體和刀頭兩部分組成，基體是粘結刀頭的主要支撐部分，刀頭含有金剛石磨粒，主要起切割作用。

未來展望

高性能金剛石工具設計與制造是深部鉆探、精密切/磨削加工等重要工業領域的關鍵技術，目前國內外增材制造金剛石工具仍處于基礎研究階段，在增材制造用金剛石和胎體材料預制、金剛石熱損傷及石墨化、金剛石和胎體材料高強結合等方面存在諸多挑戰，需要繼續深入研究。未來的研究需要集中在開發新型的材料制備技術，以實現增材制造用金剛石和胎體材料的*預制；深入探究增材制造過程中的熱行為，建立有效的熱控制模型，減少金剛石的熱損傷和石墨化；同時，不斷創新界面結合技術，通過優化界面微觀結構和化學成分，提高金剛石與胎體材料的結合強度，從而推動增材制造金剛石工具向實用化和高性能化方向發展。