相比於大數據、VR、人工智能（néng），如今的3D打（dǎ）印（yìn）其實（shí）算不上很新的技術了，這項技術已經走過了30多年的曆史。

 

         那麽金屬3D打印裏（lǐ）麵到（dào）底有幾多千秋？不（bú）同的金屬3D打印技術又在打（dǎ）印材料和冶金領域有著怎樣的差異？本期，3D科學穀與穀友一起來領略金屬D打（dǎ）印的冶金和加工科學。

 

         與（yǔ）金屬增材製造相關的（de）最（zuì）早的一項（xiàng）3D打印技術是SLS-選擇性激光燒結技術，當（dāng）時是用來燒（shāo）結塑料粉（fěn）末。而在（zài）1990年，Manriquez-Frayre和Bourell實現了通過SLS技（jì）術（shù）打印金（jīn）屬製品的應用。

 

         發展到今天，當我們一提起金屬3D打（dǎ）印的時候，通常指的是SLM-選擇（zé）性激光融化技術，而SLS技（jì）術更多的用來燒結（jié）金屬之外（wài）的其他材料。

 

         SLM技術是如此的讓人著迷，以（yǐ）至於我們忽略了另外一項金屬3D打印技術DED-直接能量沉積（jī）技術（shù），通（tōng）過電（diàn）子（zǐ）束、等離子或者是激光將金屬絲/粉末融化通過焊接的方式將金屬產品以近淨形的方式製（zhì）造出來。

 

         選擇性激光燒結（SLS）技術（shù）是德克薩斯大學（xué）奧斯汀分校的Carl Deckard博士和學院顧（gù）問Joe Beanman博士在1984年申請的。3D Systems通過收（shōu）購的方式從DTM手中獲得了（le）此項技（jì）術，但在2014年專利過期後，新湧現的3D打印機製造商旨在使SLS這一昂貴（guì）的工業打印工藝（yì）走下了神壇。

 

         SLM選擇性激光熔化的創始專利來源於德國Fraunhofer Institute所有（yǒu）的激光技術研究（jiū）院，而該專利的到期日是2016年12月。EOS在1995年推出了第一台商業SLM設備，並且（qiě）通過取得3D Systems專利授權的方式獲得了SLS技（jì）術專利的使用權利。另外一家公司，Arcam在2000年通過Adersson&Larsson的專利獲得了EBM技術的使用權利，並與2002年推出了第一台商業化EBM打印設備。

 

          隨著最初（chū）的3D打印設（shè）備專利全麵到期，以及金（jīn）屬加工的過程中控製，粉末技術的發展，並且隨著GE收購Arcam和Concept laser,金屬3D打印（yìn）也迎來了走向成熟的時期。根據GE增材製造（zào）負責（zé）人Greg Morris，GE將在2到（dào）3年內提高3D打印的（de）速度，他們未來希望達到現在（zài）速度的100倍。而隨（suí）著設備加（jiā）工技術的提升，加之材料的配合以及價格（gé）的合理化，金屬3D打印勢必在產業化領域的道路越來越寬（kuān）。而對（duì）於加工應用方來說，要（yào）迎接這樣的技術浪潮，了解金屬3D打印的冶金加工學就成為必修課。

 

           的確，在金屬加工過程中，發生著許多微妙的事情。就拿SLM選擇性激光融化技術（shù）來說，在激（jī）光（guāng）對粉末的融化加工過程中，每個激光（guāng）點（diǎn）創建了一個（gè）微（wēi）型熔池，從粉末融化到冷卻成（chéng）為固體結構，光斑的大小以（yǐ）及功率帶來的（de）熱量的（de）大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著（zhe）零件的微晶結構。並且，為（wéi）了融（róng）化粉末，必須有充足的激光能量被轉（zhuǎn）移到材料（liào）中，以熔化中（zhōng）心區的粉末，從而創建完全致密的部分，但同時熱（rè）量（liàng）的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍（wéi）的粉末，出（chū）現半融（róng）化的粉末，從而產生孔隙的現象。

 

          從設備領域，為了達（dá）到激光定位與聚焦，根據3D科學穀的市場研究大多數激光熔化（huà）係統使（shǐ）用電流計（jì）掃描振鏡，最新出現的技術是動態聚焦係統係統，通過（guò）在galva振鏡的上遊激光光束線中放置更小的鏡頭，來調整光學係統焦距（jù）的變化。

 

        對於應用端來說，除了設備的配置這樣的（de）剛性條（tiáo）件，冶金性能方麵還與金（jīn）屬3D打印過程的諸多條件相關。加工（gōng）參數的設置、粉末的質量與顆（kē）粒情況、加工中惰性氛圍的（de）控（kòng）製、激光掃描策略（luè）、激光光斑大小以及（jí）與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控製情況等等都帶來（lái）了不同的冶金結果。

 

        通（tōng）常來（lái）說加工越快，表麵粗糙度越高，這是兩個此起彼長的相關（guān）變量（liàng）。另外，殘（cán）餘應力是DED以及SLM加工技術所麵臨（lín）的共同話題，殘餘應力將影響後（hòu）處理和機械性能參數。不過（guò），根據3D科（kē）學穀的市場研究，根據對冶金方麵的駕馭能力，殘餘應力（lì）也可以用（yòng）來幫助促進再結晶和細小的等軸晶組織的形成。

 

        在過去的五年裏,對於金屬打印過（guò）程中微觀結構的理解（jiě）和（hé）新合金的加工性能已經獲得了（le）不少的進步。同時（shí）還觀察到微觀結構的非均質性，在這方麵通過表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學的進一步理解，從而不僅提高金屬3D打印的工（gōng）藝控製能力，還為材料（liào）製備以及後處理提出了新的要求。