相比於（yú）大數據、VR、人工智能，如今的3D打印其（qí）實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（me）金屬3D打印裏麵到底有幾多千秋？不同的金屬3D打印技術又在打印材料和冶金領域有著怎樣的差異（yì）？本期，3D科學穀與穀（gǔ）友一起來領略金屬D打印的冶金和加工科學（xué）。

金屬打印的

由來與下一（yī）步

與金屬增材製造相關的最早的一項（xiàng）3D打印技術是SLS-選擇（zé）性激光燒結（jié）技術，當（dāng）時是用來燒結塑料（liào）粉末。而在1990年，Manriquez-Frayre和Bourell實（shí）現了通過SLS技術打印金屬製品（pǐn）的應用。

發（fā）展到今天，當我們一提起（qǐ）金屬3D打印（yìn）的時候，通常指的是SLM-選擇性激（jī）光融化技術，而SLS技術更多的用來燒結金屬之外（wài）的其他材料。

SLM技術是如此（cǐ）的讓（ràng）人著迷，以至於我們忽略了另外一（yī）項金屬3D打印技術DED-直接能量沉積技術，通過電子（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（fāng）式製造出來。

選擇性激光燒結（SLS）技術是德克薩斯（sī）大（dà）學奧斯汀分校的Carl Deckard博（bó）士和學院顧問Joe Beanman博士在（zài）1984年申請的。3D Systems通過收（shōu）購的方（fāng）式從DTM手中獲得了此項技術，但在2014年專利過期後，新湧（yǒng）現的3D打印機製造商旨在使SLS這一昂貴的（de）工業打印工藝走下了神壇。

SLM選擇性激光熔化（huà）的創始（shǐ）專利來源於德（dé）國（guó）Fraunhofer Institute所有的激光技術研究院，而該專利的到期日是2016年12月。EOS在（zài）1995年推出了第一台商（shāng）業SLM設備，並且通過取得3D Systems專利授權的方（fāng）式獲得了SLS技術專（zhuān）利的使用權利。另外一（yī）家公司，Arcam在2000年通過（guò）Adersson&Larsson的專利獲得了EBM技（jì）術的使用權利，並與（yǔ）2002年推出（chū）了第（dì）一台商業化EBM打印（yìn）設備。

隨著（zhe）最初的3D打印設備專利全麵到期（qī），以及金（jīn）屬加工的過程中（zhōng）控製，粉末技術的發展，並且隨著GE收購（gòu）Arcam和Concept laser,金屬3D打印也迎來了走向成熟的時期。根據GE增（zēng）材（cái）製造負（fù）責（zé）人Greg Morris，GE將在2到3年內提高3D打印（yìn）的速度，他們（men）未來（lái）希（xī）望達到現在速度的100倍。而隨著（zhe）設備加工技（jì）術的提升，加之材料的配（pèi）合以及價格的合理化，金屬3D打印勢必在產業化領域的道路越（yuè）來越寬。而對於加工應用方來說，要迎接（jiē）這樣（yàng）的技術浪潮（cháo），了解金屬3D打印的冶金（jīn）加工學就成為必修（xiū）課（kè）。

的確，在金屬加工過程中，發生著許多微妙的（de）事情（qíng）。就拿SLM選擇性激光融化技術來說，在（zài）激光對粉（fěn）末的融化加工過程中，每個激光（guāng）點創建了一個微型熔池，從粉末融化到冷（lěng）卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零（líng）件的微晶結構。並且（qiě），為了融化粉末，必（bì）須（xū）有充足（zú）的激光能量（liàng）被轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光（guāng）光斑周長，影響到周圍的（de）粉末，出現（xiàn）半融化的粉末，從（cóng）而產生孔隙的現象（xiàng）。

從設備（bèi）領域，為了達到激光定位與聚焦（jiāo），根據（jù）3D科學穀的市（shì）場研究大多（duō）數激光熔化係統使用電流計（jì）掃描振鏡，最新出現的技術是動態聚焦係統係（xì）統，通過在galva振鏡的上遊激光光束（shù）線中放置更小的（de）鏡頭，來調整光學係統焦距的變（biàn）化。

對於應用端來說，除了設備的配置這樣（yàng）的剛性條件，冶金（jīn）性能方（fāng）麵還與金屬3D打印過程（chéng）的諸多條件相關。加工參數的設置、粉末（mò）的（de）質（zhì）量（liàng）與顆粒情況、加工中惰性氛圍（wéi）的控製、激光掃描策略、激光光（guāng）斑大小（xiǎo）以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控製情況等等都帶來了不同的冶金結果。

通常來說加工越快，表麵粗糙度（dù）越高，這是（shì）兩個此起彼長的相關變量。另外，殘餘應力是DED以及SLM加工技（jì）術（shù）所麵臨的共同話（huà）題，殘餘應力將影響後處理和機械性（xìng）能參（cān）數。不過，根據3D科學穀的市場研究，根據對冶金方麵的駕馭能力，殘（cán）餘應力也可以用來幫助促進再結晶和細小的等軸晶組織（zhī）的形成。

在過去的五年裏,對於金屬打印過程中微觀結構的理解和新合金的加工性能已經獲得了不少的（de）進步。同時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（ér）不僅（jǐn）提高金屬3D打印的工藝控製能力，還為材料製備以及後處理提出了新的要求。