3D打印技術正在快速改（gǎi）變傳統的生產方式和生活方式，作為戰略性新興（xìng）產業，美國、德國（guó）等發達國（guó）家高度重（chóng）視並積極推廣該（gāi）技術。當然我國的3D打印技術也在不斷的發展（zhǎn），在2017年的達沃斯（sī）論壇中國國家主席就在發表題為《共（gòng）擔時代責任 共促全球發（fā）展》的主旨演講中就提到3D打印、人工（gōng）智能等新技術不（bú）斷湧（yǒng）現，但（dàn）尚未形成新（xīn）的經濟增長點。不少專（zhuān）家認為，以數字化、網絡化、個性化、定製化（huà）為特點的3D打印技術為代表的新製造技術將推動第三次（cì）工業革命（mìng）。金屬零件3D打印技術（shù）作為整（zhěng）個3D打（dǎ）印體係中最為（wéi）前（qián）沿（yán）和最有（yǒu）潛力的技術，是先進製造技術的重要發（fā）展方向。隨（suí）著科技發展及推廣應用的（de）需求，利用快速成型直接製造金屬功能零件成為了快速成型主要（yào）的發展方向。目前可（kě）用於直接製造金屬功能（néng）零件的快速成型方法主要（yào）有：包括選（xuǎn）區激光（guāng）燒結（Selective Laser Sintering， SLS）技術、直接金屬粉末激光燒（shāo）結（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、選區激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術、激（jī）光近淨成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術（shù）和電子束選區熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術等。

 

國外（wài）對金屬零件3D打印技術的（de）理論與工藝研究相（xiàng）對較早。雖然我國在技術上落後於這些歐美大國（guó），但是（shì）經（jīng）過（guò）這（zhè）些年國內的技術的不斷積累，一些廠家也都推出了自己的商（shāng）品化的金屬3D打印機，接下來小編就直接製造金屬功能零件的快速成型的主要方法進（jìn）行了歸納總結。

選區激（jī）光燒結（SLS） 

選擇性激光燒結技術（SLS）最初是由美國德克薩斯大學（xué）奧斯汀分校的Carl Deckard於1989年在其碩士論文中提出的（de）， 選區（qū）激光燒結，顧名思義，所采用的冶金機（jī）製為液相（xiàng）燒結機製，成形過程中粉體材料發生部分熔化，粉體顆粒保（bǎo）留其固相核心，並通過後（hòu）續的固相顆粒重排、液相凝固粘接實現粉體致密化。美國DTM公（gōng）司於1992年推出了該工藝的商業化生（shēng）產設備（bèi）SinterSation。德國的EOS公司（sī）在這一領域也做（zuò）了很多研究工作，並開（kāi）發了相（xiàng）應的係列成型設備。國內有如華中科技大學、南京航空航天大學、西北工業大學、中（zhōng）北大學和北京隆源自動成（chéng）型有限公（gōng）司（sī）等，多家單位進行SLS的相關（guān）研究工作，也取得了重大成果（guǒ）。 

SLS 技術原理及其特點 

整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作粉末（mò）缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成（chéng）型缸活塞（sāi）（工（gōng）作（zuò）活塞）上（shàng）均勻鋪上一層，計算（suàn）機根據原型的切片（piàn）模型（xíng）控製激（jī）光束的二維（wéi）掃（sǎo）描軌跡，有選擇（zé）地燒結固體粉末材料以形（xíng）成零件的一（yī）個層麵。完成一層（céng）後，工作活塞下降一個（gè）層厚，鋪粉係統鋪上（shàng）新粉，控製激光（guāng）束再掃描（miáo）燒結（jié）新層。如此循環往複，層層疊加，直到三維零件成型。

 

SLS工藝采用半固態液相燒結機製，粉體未發生完全熔化，雖可在一定程度上降低成形（xíng）材料積聚的熱（rè）應力，但成形件中含有未熔固相顆粒，直接導致孔隙率（lǜ）高、致密度低、拉伸強度差、表麵（miàn）粗糙度高等工藝缺陷，在SLS 半固態成形體係中，固液混合體係粘度通常較高，導致熔融材料流動性差，將出現 SLS 快速成形（xíng）工藝特有的冶金（jīn）缺陷——“球化”效應。球化現象不僅會增加成形件表麵粗糙度，更會導致鋪粉裝置難以（yǐ）在已燒結層表麵均勻鋪粉後續粉層，從而阻礙SLS 過程順利（lì）開展。

由於（yú）燒結好的零件（jiàn）強度較低，需要經過後處理才能達到較高的（de）強度並（bìng）且製（zhì）造的三維零件普遍存在強度（dù）不高、精度較低及表麵質量較差等（děng）問（wèn）題。在SLS出現初期，相對於其他發展比較成熟的快速成型方法，選擇性激光燒結（jié）具有成型材料選擇範圍廣，成（chéng）型工藝比較（jiào）簡單（無需支撐）等優點。但（dàn）由於成（chéng）型過（guò）程中的能量來源為激（jī）光，激光器的應用使其成型設備的成本較高，隨著2000 年之後激光快速成形設備的（de）長足進（jìn）步（表現為先進（jìn）高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提高等），粉體完全（quán）熔化的冶金機製被用於金屬構（gòu）件的激光快速成形。選擇性激（jī）光燒結技術（SLS）已被類似（sì）更（gèng）為先進（jìn）的（de）技術代替。 

直接金屬激光成（chéng）形（DMLS）

SLS製造金屬零部件，通常有兩種方法，其一為間接法（fǎ），即聚合物覆膜（mó）金屬粉末的SLS；其二為直（zhí）接法，即直接金屬粉末激光燒結（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自從1991年金屬（shǔ）粉末（mò）直接激光燒結研究在（zài）Leuvne的Chatofci大學開展以來，利用SLS工藝直（zhí）接燒結金屬粉末成形三（sān）維零部件是快速原型製（zhì）造的（de）最終目（mù）標（biāo）之一。與間接SLS技術相比，DMLS工（gōng）藝最主要的優點是取消了昂貴且費時的預處理和後處理工藝步驟。  

 

直接（jiē）金屬粉末激光燒結（DMLS）的特點  

DMLS技術作（zuò）為SLS技術的一個分支，原理基本（běn）相同（tóng）。但DMLS技（jì）術精確成形形狀複雜的金屬零部件（jiàn）有較（jiào）大難度，歸根結底，主（zhǔ）要是由於金屬粉末在DMLS中的“球化”效應和燒結變形，球化現象（xiàng），是為使熔化的金屬液表麵（miàn）與周邊介質表麵構成的體係具有最小自由能（néng），在液態金屬與周邊介質的界麵（miàn）張力作用下（xià），金屬液表麵形狀向球形表麵轉（zhuǎn）變的一種現象．球化會使金屬粉末熔（róng）化後無法凝固形成連續平滑的熔（róng）池，因（yīn）而形成的零件疏鬆多孔，致使成型失敗，由於單組元金屬粉末在液相燒（shāo）結（jié）階段的粘度相對較高，故（gù）“球化”效應尤為嚴重，且球形直徑往往大於粉末（mò）顆粒直徑，這會導（dǎo）致大量孔隙存在於燒結件中，因此，單組元金屬粉末的DMLS具有明顯的工藝缺陷，往往需要後續處理，不是真（zhēn）正意義上的“直（zhí）接（jiē）燒結”。

為克服單組元金屬粉末DMLS中的“球化”現（xiàn）象，以及由此（cǐ）造成的燒結變形、密度疏鬆等工藝缺陷，目前一般可以通過使（shǐ）用（yòng）熔點（diǎn）不同的多組元金屬粉末或使用預合（hé）金粉末來實現。多組分金屬粉末（mò）體（tǐ）係（xì）一般由高（gāo）熔點金屬、低熔點金屬及某些添加（jiā）元素（sù）混合而成，其中高熔點金屬粉末作為骨架（jià）金屬，能在 DMLS 中保留其固相核心；低熔點金屬粉末作為粘結金屬，在 DMLS 中熔化形成液相，生（shēng）成的液相包覆、潤濕和粘結固相金屬顆粒，以此實（shí）現燒結致密（mì）化。  

直接金屬粉末（mò）激光燒結（DMLS）的問題  

作為（wéi）SLS技術的（de）一個重要（yào）分支的DMLS技術尚處在不（bú）斷發（fā）展（zhǎn）和完善的過程之中，其燒結的物理過程及（jí）燒結（jié）致密化機理仍不明了，不同金屬粉末體（tǐ）係的激光燒結工藝參數仍（réng）需摸索，專用粉末的研製與開發還有待突破。因此，建立（lì）金屬粉末直接（jiē）激光燒結過程的數學、物理（lǐ）模型，定量研究DMLS燒結致密化過程中的燒結行為和組織（zhī）結構（gòu）變化（huà），成為粉末冶金科學與工程研究中的（de）重要內（nèi）容之一。DMLS中，金屬粉末的物性（xìng）對於燒結質量有著及其重要的影響，相同的工（gōng）藝參數條（tiáo）件（jiàn）下，不同的粉末體係的燒結效果往往有很大的區別。把握粉末（mò）體（tǐ）係的物性，為其選（xuǎn）擇最優化的工藝參數，是DMLS的最基本、最重（chóng）要的要求。大量研究表明，影響DMLS質（zhì）量的三個關鍵物性參（cān）數主要為：燒結特性、攤鋪特性和穩定性（xìng）。

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選區激光熔化（SLM） 

SLM 的思想最初由德國Fraunhofer研究所於1995年（nián）提出，2002年該研究所對SLM 技術的研究取得（dé）巨大的成功。世界上第一台SLM設備由英國MCP集團公司下轄的德國 MCP－HEK 分公司已於 2003 年底推出。為獲取全致密的激（jī）光成形件，同（tóng）時也受益於2000年之後激光快速成形設備的長足進（jìn）步（表現為先進高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提高等），粉體完全熔化的冶金機製被（bèi）用於金屬構件的激光快速成形。例如，德國著名的快速成形（xíng）公司EOS公司，是世界上較早開展金屬粉末激光（guāng）燒結的專業化公司，主要（yào）從事SLS金屬粉末、工藝及設備研發。而該（gāi）公司新近研發的EOSINTM270／280型設備，雖繼續沿用“燒結”這一表述，但已裝配200W光纖激光器，並采用完（wán）全熔化的冶金機製成形金屬構（gòu）件，成形性能得以顯著（zhe）提高。目（mù）前，作為SLS技術的延伸，SLM術正在德國、英國等歐洲國家蓬勃發展。即便繼續沿用“選（xuǎn）區（qū）激光燒結”（SLS）這一表（biǎo）述，實際所（suǒ）采用的成形機製已（yǐ）轉變為粉（fěn）體完全熔化機製。 

選區激（jī）光熔（róng）化的原理  

SLM技術是在SLS基礎上發展起來的，二者的基本原理類似（sì）。SLM技術需要使金屬粉末（mò）完全熔化，直接成型金（jīn）屬件，因此需要高功率密度激光器激光束開（kāi）始掃（sǎo）描前，水平鋪粉輥先把金屬粉（fěn）末平（píng）鋪到加工室的基板上，然後激光束將按當前層的輪廓（kuò）信（xìn）息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出（chū）當前層的輪廓，然後可升降係統下降一個圖層厚度的距離（lí），滾（gǔn）動鋪粉輥再在已加工好（hǎo）的當前層上鋪金屬粉末，設備（bèi）調入下一圖層進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在抽真空或通有氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下（xià）與其他氣（qì）體發生反應。SLM與DMLS的界限目前很模糊（hú），區別不明顯， DMLS技術雖翻譯（yì）為金屬的燒結，實際成型過程中多數時候已將（jiāng）金屬粉末（mò）完全熔化。DMLS技術使用材（cái）料（liào）都為不同金（jīn）屬組成的（de）混合物（wù），各成（chéng）分在燒結（熔化）過程中相互補償（cháng），有利於（yú）保證製（zhì）作精度。而SLM技術（shù）使用材料主要為（wéi）單一組分的粉末，激光束快速熔化金屬粉末並獲（huò）得連續的掃（sǎo）描線。  

 

選區激光熔化技術（shù）的發展問題 

激光選區成形件中，Fe基合金（主要是鋼）SLM成形研究較多，但SLM成（chéng）形工藝尚需（xū）優化、成形性能尚需進一步提高；對SLM成形性能（特別是占基礎地位的致密度），目前SLM成形的鋼構件通常難以實現全致密（mì）。解決鋼材料（liào）SLM成形的致密化問題，是快（kuài）速成形研究的關鍵性瓶頸問題（tí）。鋼材料激光成形的（de）難度，主要取決於鋼中主要元（yuán）素的化學特性。基體元素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強的親和性，在常（cháng）規粉末處理和激光成形條件下很難徹底避免（miǎn）氧（yǎng）化現象。因此，在SLM過程中（zhōng），鋼熔體表麵氧化物等汙染層的存（cún）在，將顯著降低潤（rùn）濕性，引起激光熔化特有的冶金缺陷球化效應及凝固（gù）微裂紋，從而顯著（zhe）降低激光成（chéng）形致密度及相應的機械性能。另一方麵，鋼中（zhōng）C含量是決定激光成形性能的又一個關鍵因素。通常，過高的C含量將對激光成形性產生不利，隨C含量升高，熔體表麵C元素層的厚度亦會增加。這與（yǔ）氧化層的（de）不利（lì）影響類似，也會降低潤濕性，導致熔體（tǐ）鋪展性降低，並引起球化效應。此外（wài），在晶界上形（xíng）成的複雜碳化物會增大鋼材料激光成形件的脆性。因此，通常對鋼材料（liào）SLM成形，需提高激（jī）光能量密度及SLM成形溫度，可促進碳化物的溶（róng）解，也可使合金元素均勻化。

通過（guò）粉體材（cái）料及（jí）SLM工藝優化，包（bāo）括（kuò）：

1，嚴格控製原始粉（fěn）體材料及激光成形係統中的氧（yǎng）含（hán）量以改善潤濕性；

2，合理調控輸入激光能量密度以（yǐ）獲取適宜（yí）的（de）液相粘度及其流變特性，可有效抑製球化效應及微裂紋形成，進而獲取近全致密結構。

對於以Al合金為代表的輕合金零件激光快速成形，先前絕大（dà）多數研究報道是基於SLS半固態燒結成形機製，但因嚴重（chóng）的球化效（xiào）應及孔隙缺陷，故研究進展不大；而SLM技術可望為高性能（néng）複（fù）雜結構Al合金零件近淨成形與快速製造提供嶄新的（de）技術途徑。Al基合金零件SLM成形（xíng）具有高難度，是由材料自身（shēn）特殊物理特性本質（zhì）所決定的。一方麵，，通常低功（gōng）率CO2激光難以使Al合金粉體發（fā）生有效（xiào）熔化，而要求使用能量（liàng）密度更高的光纖或Nd：YAG激光，這無疑（yí）對激光器性能提出了更苛刻的要求。另一方麵，Al合金材料熱導率高，SLM成形過程中激光能量輸入極易沿基板或在粉床中傳遞消（xiāo）耗，導致激光熔池溫度（dù）降低，熔體粘度增（zēng）加且流動性（xìng）降（jiàng）低，故其難以有效潤濕基體材料，導致SLM成（chéng）形球化（huà）效應及內部孔隙、裂紋等缺陷。其三，從成形工藝角度，Al合金材（cái）料密度（dù）較低，粉體流動性（xìng）差。 

需指出（chū）的是，基於SLM／SLRM成形機製，雖能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表麵光潔度，但因成形過程中粉末發生完全熔化／凝固，故（gù）在固液轉變過程中將出現明（míng）顯的（de）收縮變形，致使成形（xíng）件中積聚較大的熱應（yīng）力（lì），並將在冷卻過程中得以釋放，使得成形件發生變形、甚至（zhì）開裂。由於激光選區熔化（huà）成形技術成形粉末需求量大，需要在整（zhěng）個成形平麵鋪設金屬粉末，因而不適宜成形貴重的金屬；整個成（chéng）形平台（tái）較大，惰性氣（qì）體保護效果（guǒ）較差，因而也不適宜（yí）成形（xíng）易氧化的金屬粉末。

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選區激光熔化技術的優勢  

在原理上，選區激光熔化與選區激光燒結相似，但因為采用了較高的激光能量密度和更細小的光斑直徑，成型件的力學性能、尺寸精度等均較好，隻需簡單後處理即可投入使用（yòng），並且成型所用原材（cái）料無需特別配（pèi）製。選區激（jī）光熔化技術的優點可歸納如下：

1．直接製造金屬功能件件，無需中間工序（xù）； 

2．良好（hǎo）的光束質量（liàng），可獲得（dé）細微聚（jù）焦光斑，從而可以直接（jiē）製造出較高尺寸精度和較好（hǎo）表麵粗（cū）糙度的（de）功（gōng）能件（jiàn）；

3．金屬（shǔ）粉末（mò）完全熔（róng）化，所直接製（zhì）造的金屬功能件具有冶（yě）金結合組織，致密度（dù）較高，具 有較好的（de）力學性能，無需後處理；

4．粉末材料可為單一材料也可為多組元材料，原材料（liào）無需特別配製；

5．可直接製造出複雜幾何形狀（zhuàng）的功能件；

6．特別適合於單件或小批量的（de）功能件製造。選區激光燒結成型件的致密度、力學性能較差；電子束熔融成型和激光（guāng）熔覆製造難以獲（huò）得較高尺寸精度的零件；相比（bǐ）之下，選區激光熔化成（chéng）型技術可以獲得冶金結合、致密組織、高尺寸精（jīng）度和良好（hǎo）力學性能的成型件，是近年來快速成型的（de）主要研究熱點和發（fā）展趨勢。  

選區激光（guāng）熔化技術的研究展（zhǎn）望  

（1）實現激光快速成形專用金屬粉體材料係列化與專業化。重視（shì）粉體材料對改善激光快速成形性能的物質（zhì）基礎作用，深入定量研究適於選區激光熔化成形（xíng）工藝的粉體化學成分、物性指標、製備技術及表征方法（fǎ），實現激光快速成（chéng）形專用金屬（shǔ）及合金粉體材料的（de）專業化（huà）和係列化。  

（2）深（shēn）入定量研（yán）究金屬及合金粉體激光成形冶金（jīn）本質及其機（jī）理。緊（jǐn）扣金屬及合金粉體激光快速成形關鍵科學問題，包（bāo）括激光束—金屬粉體交互作用機理、激光熔池非平衡傳熱傳質機製、超高溫度梯度下金屬熔體快（kuài）速凝固（gù）及內部冶金缺陷和顯微組（zǔ）織調控、金屬粉（fěn）體激光熔化成形全過程及各類型內應（yīng）力演（yǎn）變等冶金、物理、化學及熱力耦合問題，為改（gǎi）善金屬（shǔ）及合金粉體激光快速成形組織和性能提供科學理（lǐ）論基礎。  

（3）高性能複雜結構金屬及合金零件（jiàn）激光控形控性淨形製造。以激光快速成（chéng）形專用高流動性（xìng）金屬粉體設計製備為物質基礎，以（yǐ）激光非平衡熔池冶（yě）金熱力學和動力學行為、激光成形顯微組織調（diào）控機製、激光成形件（jiàn）內應力演化規律多尺度預測為理論基（jī）礎，通（tōng）過粉體設計製備—零件結構設計—SLM成形工藝—組織及性能評價的一體化研（yán）究（jiū），麵向航空航天、生物醫藥、模具製造等領域應用需求，實現高（gāo）性能複雜結構（gòu）金屬（shǔ）及合金關鍵零件激光控（kòng）形控性直接精密淨成形製造。對於金屬零件選區激光熔化快速成形的材料、工藝及理論的（de）研究（jiū），尚有很多方麵未（wèi）獲得本質突破。對於該（gāi）領域諸多新材料、新工藝、新現象及新理論的深入研究與發掘，是（shì）實現激光快速成形（xíng）技術走向工程（chéng）應用的基礎。 

選區激（jī）光熔化技術的研究工作 

大量學者和研究團隊（duì）對選區激光熔化技術（shù）進行了大量的工作。RehmeO等對選區激光熔化成型（xíng）過程的（de）重要參數進（jìn）行分析並歸類，研究了掃描線長度、掃描間距、層厚、成型（xíng）方向等參數（shù）對零件的致密度和殘餘（yú）應力（lì）的影響。KozoOsakada等研究了鎳基合金、鐵基合金和純鈦材料（liào）的選（xuǎn）區激光熔化成（chéng）型特性，分析成型件的熱（rè）應力（lì）分（fèn）布，通（tōng）過掃描策略和預熱等方法減小熱應力，並直接製造出致密度90％以上的金屬模具。J．P．Kruth等利用Rayleigh不穩定性原（yuán）理解釋鐵（tiě）基合金的球化現象，並提出利用掃描策略和控（kòng）製（zhì）氧含量的方法消除球化，同時研究不同的元素會對激光吸收率、熱傳導性、熔（róng）液的潤濕及鋪展性、氧含（hán）量以及Rayleigh不穩定性等的影響（xiǎng）。I．Shishkovsky等對鋁鋯陶瓷材料的選區激光熔化成型特性進行了分析，研究成型件的組織結構及成份，並發現在（zài）空氣中成型的零件是具有致密組織結構和規則穩定相分布的。

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M．Badrossamay等對（duì）不鏽鋼和工具鋼進行了研究，研究（jiū）了掃描策略、激光功率等參（cān）數對成型質量的影響，其研究發現，不鏽鋼和工具鋼有著類似的成型規律，並且（qiě）成型質量（liàng）和掃描速（sù）度之間不是呈線（xiàn）性（xìng）關係，由此推測掃描速度對（duì）粉床熱量的損失（shī）量（liàng）有影響。I．Yadroitsev等采用不鏽鋼等原材料對（duì）選區激光熔化成型工藝開（kāi）展了很多工作，研究了掃描策略對致密度的影響、掃描角度對力學性能的影響，采用“填充（chōng）後再填充的掃描策略”可獲得（dé）高致密度成型件（jiàn），同時發現掃描傾斜角度（dù）對（duì）成型件的屈服強度（dù）和抗拉強度影響不大；另外，通過工藝實驗，采用優化工藝參數（shù）成型出厚度為140μm的連續薄壁。Gusarov等利用熱力學分析選（xuǎn）區激光熔（róng）化成（chéng）型過程的熔池（chí）穩定性，采用Rayleigh不（bú）穩定性原理解釋高掃描速度下的球化（huà）現象，並提（tí）出適合連續熔池的較優熔（róng）池形狀，即減小熔池長寬比並增加熔池與基板的（de）接觸線寬度。

KamranAamirMumtaz等研究了鎳合金（jīn）的單道熔池，分析掃描策略對致密度的影響，並提出改善表麵（miàn）質量的（de）方法，即采用“填充後再填充的掃描策略（luè）”可防止因相鄰熔（róng）池搭接而導致熱變形，同時成型（xíng）出致（zhì）密（mì）度（dù）達（dá）99．7％的合金零件（jiàn）。Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等［33－35］還對選區激光熔化直接成型（xíng）功能性材料進行了初步探索，並取得一些成果，如：Julio等采用選區激光熔化直接（jiē）製造出具有散熱功能（néng）管材料；Rehme等采用選區激光熔化直接製造出具（jù）有胞元結構的多孔（kǒng）醫用植入體材料，而McKown等則直接製造出（chū）網格狀（zhuàng）材料；Yadroitsev等則研究了選區激光熔化直接（jiē）製造具有微孔結構的（de）過（guò）濾材料零（líng）件。

國內對選區激光（guāng）熔化技術的研究工作雖然起步（bù）較晚，但至今也取得了很大（dà）的進展。主要（yào）的研究單位有：華南（nán）理工（gōng）大學、華中科技大學、南京航空航天大學、上海交通大學等高校以（yǐ）及其他（tā）一些科研單位。其中華南理工大學在不鏽鋼、銅合金、鎳合（hé）金和鈦合金等開展了大量的工藝實驗，研究了激光功率（lǜ）、掃描速度（dù）、掃描（miáo）間距、掃描策略等對致密度、尺寸精度、內部組織等的影響；華中科技大學也對（duì）不鏽鋼（gāng）的成型工藝進行了一些探討，采用正交實驗（yàn）方法優化工藝參數（shù）；南（nán）京航空航天大學除了對一些常用材（cái）料進（jìn）行研究外，還采用選區激光熔化直接製造複合材料功能件（jiàn）；上海交通大學采用316L不鏽鋼研究了選區激光熔化成型件的表麵質量和內部微觀組織，並得到高致密度的功能件。

電子束熔化（EBM）

1994年瑞典 ARCAM 公司申請的一份專利，所開發的（de）技術稱為電子束熔化成形技術（Electron Beam Melting），ARCAM公司也（yě）是世界上第一家將電子束快速製造商業化的（de）公司，並於2003 年推出第一（yī）代設備，此後美國麻省理工學院、美國航空航天局、北京（jīng）航空製造工程研究所和我（wǒ）國清華大學均（jun1）開發出了各自的（de）基於電子束的快速製造（zào）係統。美（měi）國麻省理工學院開發的電子束實體自由成形（xíng）技術（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication，EBSFF）。EBSFF 技術采用（yòng）送絲方式供給成形材料（liào）前兩種利用電（diàn）子（zǐ）束熔化金（jīn）屬絲材，電子束固（gù）定不動，金屬絲材（cái）通過送絲裝置和工作台移動（dòng），與激（jī）光近（jìn）形製造技術（shù）類似，電（diàn）子束熔絲沉積快速製造時，影響因素較多，如電子束流（liú）、加速電壓、聚焦電（diàn）流、偏擺掃描、工作距離、工件運動速度、送絲速度、送絲方位、送絲角（jiǎo）度、絲端距工件（jiàn）的高度、絲材伸（shēn）出長度等。這些因素共同作用影響熔（róng）積體截麵幾何參量，確區（qū）分單一因素的作用十分困難；瑞典 ARCAM 公司與清華大學電子束開發的選區熔化（EBSM）利用電（diàn）子束熔化鋪在工作台麵上的金屬粉末，與激光選區熔化技術類似，利用電子束實時偏轉（zhuǎn）實現熔化成形，該技術不需要二維（wéi）運動部件，可以實現金屬（shǔ）粉末的快速掃描成形。

 

電（diàn）子束選區熔化（EBSM）原理

類似激光選區燒結和激光（guāng）選區熔化工藝，電子束選區熔化（huà）技術（EBSM）是（shì）一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉（fěn）末，從而使得粉末（mò）材料熔化成（chéng）形的快速製造技術。EBSM技術（shù）的工藝過程為：先在鋪粉平麵上鋪展一層粉末；然後，電子束在計算機的控（kòng）製下按照截麵輪廓的信息進行有選（xuǎn）擇的熔化，金屬粉末在電（diàn）子束的轟（hōng）擊下被熔化在一起（qǐ），並與下麵已成形的部分粘接，層層（céng）堆積，直至整個零件全部熔化完成；最後，去除多餘的粉末便得到所需的（de）三（sān）維產（chǎn）品。上位機（jī）的實時掃描信號（hào）經（jīng）數模轉換及功（gōng）率放大後傳（chuán）遞給偏轉線圈，電子束在對應的偏轉電壓產生的磁場作用下偏轉，達到選（xuǎn）擇性熔化。經過十幾年的研究發現對於一些工藝參（cān）數如電子束電流、聚（jù）焦電（diàn）流、作用時間、粉末厚度、加速電壓、掃描方式進行正交實驗。作用時間對成型影響（xiǎng）最大（dà）。 

電子束選（xuǎn）區熔化的優（yōu）勢

電子束直接金屬（shǔ）成形技術采用高能電子束作（zuò）為加工熱源，掃描成形可通過操縱磁偏轉線圈進行，沒有機械慣性，且電子束具有的真空環境還可（kě）避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。  電子束與激光相比，具有能量利（lì）用率高（gāo）、作用深度大、材料吸收率（lǜ）高、穩定及運行（háng）維護成（chéng）本低等優點。EBM技術優點是成型過程效率高，零件變形小，成型過程不需要金屬支撐，微觀組織更致密等  電子束的偏轉聚焦控製更（gèng）加快速、靈敏。激（jī）光的偏轉需要使用振鏡，在激光進行高速掃描時振鏡的轉速很高。在激光功率較大時，振鏡（jìng）需要更複（fù）雜的冷卻係統，而振鏡的重量也顯著（zhe）增加。因而在使用較大功率掃描時，激光的掃（sǎo）描（miáo）速度將受到限製。在（zài）掃描較大成形範圍時，激光（guāng）的焦距也很難快速的改變。電子束的偏轉和聚焦利用磁場完成，可以通過改變電信（xìn）號的強度和方向快速靈敏的控製電子束的偏轉量和聚焦長（zhǎng）度（dù）。電子束偏轉聚焦係統不會被金屬蒸（zhēng）鍍幹擾。用激光和電子束熔化金屬的時候，金屬蒸汽會彌散在整個成形空間，並在（zài）接觸的任（rèn）何物體表麵鍍上金屬薄膜。電（diàn）子束偏轉聚焦都是在磁場中完成，因而不會受（shòu）到金屬蒸鍍的影響；激（jī）光器振鏡等光學器件則（zé）容易（yì）受到蒸鍍汙染。

 

電（diàn）子束選區熔化的主要問題

真空（kōng）室抽氣過程中粉末容易被氣流帶（dài）走，造（zào）成真（zhēn）空係統（tǒng）的汙染；但其存在一個比較特殊的問（wèn）題即粉（fěn）末潰散現象，其原因是電子束具有較大動能（néng），當高速轟擊金屬原子使之加熱、升溫時，電子（zǐ）的部分動能也直接轉化為粉末微粒的動能。當粉末流動性較好（hǎo）時，粉（fěn）末顆粒會（huì）被電子束推（tuī）開形成潰散現象。防止炊粉的基本原則是提高粉床的穩定性，克服電子束的推力（lì），主（zhǔ）要（yào）有四項措（cuò）施：降低粉末的流動性，對粉末進行預熱，對成型底板進行預熱，優化電子束掃描（miáo）方（fāng）式。因此，粉末材（cái）料一直很難成為真空電子束設備的加（jiā）工對象，工藝參數方麵的研（yán）究更是鮮有報導。針對粉末在電子束作用下容易潰散的現象，提不同粉末體係所能承受的（de）電子束域值（zhí）電流（潰散電流）和電子束掃描域值速度（潰散速度（dù））判據，並在此基（jī）礎上研究出混合（hé）粉末；  EBM技術成型室（shì）中必須（xū）為高真空，才能保證設（shè）備正常工（gōng）作，這使得EBM技術整機複雜度提高。還因在真空度下粉末容（róng）易揚起而造（zào）成係統汙（wū）染。此外，EBM技術需要將係統預熱到800℃以上，使得粉末在（zài）成型室內預先燒結固（gù）化在一起，高預熱（rè）溫度對係（xì）統的整體結（jié）構提出非常高的要求，加工結束後零件需要（yào）在真空成型室中冷卻相當長一段時間（jiān），降低了零件的生產效率（lǜ）。 

電子束無法比較難像激光束一樣聚焦出細微（wēi）的光斑因此成型（xíng）件難以達到較高的尺寸精度。因此，對於精密或有（yǒu）細微結構的功能件，電子束選區（qū）熔化成型技術是難以直接製造出來（lái）的。  電子束偏轉誤差（chà）。EBSM係統（tǒng）采用磁偏轉線圈產生磁場，使電子偏轉。由於偏轉的非線性以及磁場的非均勻性，電子束在大範圍掃（sǎo）描時會出現枕形失真。大（dà）偏角時的散焦。EBSM係統采用聚焦線（xiàn）圈使電子束聚焦。若聚焦線圈中的電（diàn）流恒定（dìng），電子束的聚（jù）焦麵為球麵，而電子束在平麵上掃描。因此，電子束在（zài）不偏轉時聚焦，而在大角度偏（piān）轉（zhuǎn）時出現散焦。  

國（guó）內外研究狀（zhuàng）況（kuàng） 

從 2003 年推出第（dì）一台設備 S12 至今，ARCAM 推出了三款成（chéng）形（xíng）設備。在新一代成形設備 A1、A2成形設備中，成形零件（jiàn）的最大尺寸和（hé）精度都有較大的提高，並且在成形零件的冷卻中實現了自動冷卻。在成形和冷卻的過程中在真（zhēn）空室充入（rù）一定壓強（qiáng）的氦（hài）氣，可以加速成形後的冷卻速率，同時保持更低（dī）的氧含量。A1、A2 設備的應用領域也更加明確，A1 主要用來成形骨骼植入物，成形材料也主（zhǔ）要為鈦、鈷合金；A2 主要用於成形航天航空領域和國防領域需要的零（líng）件，也製作（zuò）其它領域成形複雜度高的小批量金屬件。ARCAM 采（cǎi）用最新（xīn）生產的 A1 和 A2 設備，生產了大量精度和（hé）強度更加優良的零件，其中利用 A1 生產的合金骨骼早已通（tōng）過了（le） CE 認證，迄今在歐洲大陸已經造福超過 10，000 名患者，在 2011 年初也通過了美國 FDA 的認證。利（lì）用 A2 生產的航空和國防領域的產品也取得了顯著的成果，除了具有以上所說的表麵光滑，可加工複雜形狀，還將原（yuán）材料（liào）到最終產品質量的比率由 15～20 降到（dào）了約為 1，大（dà）大的（de）降（jiàng）低了成（chéng）本。  

美國 NASA  Langley  Research  Center、Sciaky 公司、Lockheed Martin 公司等研究單位針對航空航天鈦合金、鋁合金結構開展了大量研究，最大成型速度達到了 3500cm3／h，較之其它的金屬快速成型技術，效率（lǜ）提高了數十倍。利用該項技術完成了F－22 上鈦合金支座的（de）直（zhí）接製造，該（gāi）零（líng）件成功通過了兩個周期的最大載荷全譜疲勞測（cè）試（shì），並未發現永久變形。在國內清華大學機械係獨立的開發（fā）了電子束選區熔化設備，在 2004 年（nián）推出第一台電子束選區熔化成形設備 EBSM150，並於 2008 年升級到第二代設備EBSM250，成形零件最大尺寸增大至 230mm×230mm×250mm。該課題組使用自行開發的設（shè）備，對（duì）電（diàn）子束選區熔化工藝的（de）多個關鍵問題進（jìn）行了深入的研究，在近十年的時間內，做了大量研發工作，包（bāo）括成形控製係統開（kāi）發、粉末預熱工藝、掃描路徑規劃、成（chéng）形件的機械性能等。 

激光熔覆式成（chéng）型技術（LMD）

激（jī）光熔化（huà）沉積（Laser  Metal  Deposition，LMD）於上世紀90年代由美國Sandia國家實驗室首次提出，隨後在全世界很多地方相繼發展起來，由於許多大學和機構是分別獨立進行研究的，因此這一技（jì）術的名稱（chēng）繁多（duō）。例如，美國Sandia國家實驗室的激光近淨成形技術（shù）LENS（LaserEngineeredNetShaping），美（měi）國Michigan大學的（de）直接金屬沉積DMD（DirectMetalDeposition），英國伯明翰大學的直接激光成（chéng）形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西北工業大學的激光快速成形LRF（LaserRapidForming）等。雖然名字（zì）不盡相同，但是他們的原理基本相同，成型過程（chéng）中，通過噴嘴將粉末聚集到工作平麵上，同時激光束也聚集到該點，將粉光作用點（diǎn）重合，通過（guò）工作台或噴嘴移動，獲得堆積（jī）的熔覆實體。

LENS技術使用的是千瓦（wǎ）級的激光器，由於采用的激光聚焦（jiāo）光斑較大，一（yī）般在1mm以上，雖然可以得到冶金結合（hé）的致密金屬實體，但其尺（chǐ）寸（cùn）精度和表麵光潔度（dù）都不太好，需進一步進行（háng）機加工後才能使用。激光熔覆是一個複雜的物理、化學冶金過程，熔覆過程中的參數（shù）對熔覆件的質量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、掃描速度、熔池溫度等，他（tā）們的（de）對熔覆層的稀釋率、裂紋（wén）、表麵粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。同（tóng）時（shí），各參數之間也相互影響，是一個非常複雜的過程。必須采用合適的（de）控製方法將各種影響因素控製在溶覆工藝允許的範（fàn）圍（wéi）內。

詳解5種金屬3D打印技術

同軸送（sòng）粉和（hé）側向送（sòng）粉的區別 

激光同（tóng）步熔覆金屬粉末工藝中，常見的（de）有同軸送粉和側向送粉兩種方式（shì），側向送粉方式設計簡單、便於調節，但也有很多不足之處。首先，由於激光束沿平麵曲線任意曲線形狀掃描時，曲線上各點的粉末運動方向與激光束掃描速度方向間的夾角不（bú）一致，導致熔覆層各（gè）點的粉末堆積形狀（zhuàng）發生變化（huà），直接影響熔覆層的表麵精度（dù）和均勻一致性，造成熔覆軌跡的（de）粗糙與（yǔ）熔覆厚度和寬（kuān）度（dù）的不均，很（hěn）難保證最終零件（jiàn）的形狀和尺寸符合要求。其次，送粉位置（zhì）與激光光斑中心很難對準，這種對位是很重（chóng）要的，少量的（de）偏差將會導致粉末利用率下降和熔覆質量的惡化。再次，采用側向送粉方式，激光（guāng）束起不到粉末預熱和預熔化（huà）的作用，激光能量不能被（bèi）充分（fèn）利用，容易出現粘粉、欠熔覆、非冶金結合等（děng）缺陷。還有，側向送粉方式（shì）隻適合於線性熔覆軌跡的場合，如隻沿著X方向（xiàng）或Y方向運動，不適合複雜軌跡的運動。

另外，側向送粉隻適（shì）合於（yú）製造一些壁（bì）厚零件，這是由於側向送粉噴嘴（zuǐ）噴出的（de）粉末是（shì）發散的，而（ér）不是匯（huì）聚的，不利於保證成型薄壁零件的精（jīng）度。當粉末輸送方向與（yǔ）基材運動方向相同與相反時的熔（róng）覆（fù）狀況，熔覆層形狀明顯受粉末輸送方向與基材運動方向的影響。此外，如果粉（fěn）末輸送（sòng）方向與基材運動方向垂直，熔覆層形狀會與兩者方向平行時得到的形狀差別更大。因此，側向送粉具有明顯（xiǎn）的方向性，熔覆層幾何形狀隨運動方向不同而（ér）發生改變。  同軸送粉則克服（fú）了上述（shù）的缺點，激光束和噴嘴中心線於同一軸線上，這樣盡管掃描速度方向發生變化，但是粉（fěn）末流相對工件的空間（jiān）分布始終是一致（zhì）的，能得到各（gè）向一致的熔覆層，還由於粉末的進給和激光束（shù）是同軸的，故能很好（hǎo）地適應掃描方向的（de）變（biàn）化，消除粉末輸送方向對（duì）熔覆層形狀影響，確保製造零件的精度，而且粉末噴出後呈匯聚狀，因此可以製造一些薄壁（bì）試件，解決了熔覆成型零件尺寸精（jīng）度的問題（tí），這在薄壁零件的熔（róng）覆（fù）過程中優勢非常明顯。由此可（kě）見，同軸送粉方式有利於提高粉末流量（liàng）和熔覆層形狀的穩（wěn）定性與均勻性，從而改善金屬成型件的精度和（hé）質量。 

激光熔（róng）覆式（shì）快速成型技術的發展 

美（měi）國對激光熔覆製造（zào）技術的（de）研究（jiū）起步較早，在二十世紀八十年代即展開研究，至（zhì）二十世紀九十年代末已建（jiàn）立（lì）起（qǐ）一係列的激光熔覆製造工藝並（bìng）應（yīng）用於模具等領域的功能件直（zhí）接製造。國內對激光熔覆製造技術的研究（jiū）較為成熟（shú）。如北京（jīng）有色金屬研究院采用激光熔覆製造技術直接製造（zào）出組織（zhī）致密的663錫青（qīng）銅（tóng）合金零件，零件的力學性（xìng）能滿足實際使用要求。西北工業（yè）大學在二十世紀九十年代即開始了激（jī）光熔覆製造技（jì）術的探索研究，在後期開發出激光立體成型係統，並針對鎳基高溫合金、不鏽鋼、鈦（tài）合金等材料的成（chéng）型工藝特性進行了大量（liàng）的工藝實驗，獲得（dé）了具有複（fù）雜形（xíng）狀的金（jīn）屬功（gōng）能件。與電子束選區熔化類似，激光熔覆製造技術可直接製造出組織（zhī）致密、力學性能良好的金屬功能件，但是受到（dào）激（jī）光光斑大小和工作台運動精度等因素的限製，所直接製造（zào）的功能件的尺寸精（jīng）度和表麵粗糙度較差，往往需要後續的機加工才能滿足（zú）使用要求。  而（ér）激光熔化沉積（LMD）的發展稍（shāo）微晚點，其中美國軍方對這一技術給予了大力的關注和支持，在其支（zhī）持下，美國率先進行了該技術實用化的研（yán）究（jiū）。

1997年，美國MTS公司成立專門從事鈦合金飛機結構件激光熔化沉積技術開（kāi）發應用的AeroMet公司，在美國空軍、陸軍及國防部有關研究計劃支（zhī）持下，進行激光熔化沉積鈦合金飛機結（jié）構件（jiàn）的研（yán）究；2000年，完成了鈦合金飛機機翼的（de）靜載強（qiáng）度（dù）測（cè）試試（shì）驗。2001年，其（qí）生產的三個（gè）鈦合金次承力（lì）結構件獲準在飛機上使用，其性能超過了傳統的製（zhì）造工藝，同時由於材（cái）料和切削加工（gōng）的節省（shěng），其製造成本降低20～40％，生產周期也縮短80％。但由於在鈦合金主承（chéng）力結構件的疲勞性能（néng）未超過鍛件標（biāo）準，最終未能實現該技術在飛機大型構件上的應用，公司於2005年關閉。盡管如此，具有低成（chéng）本、短周期、高性能特點的激光增材製造技術仍在美國的航空（kōng）航天、國防工業中發揮著（zhe）重（chóng）要的作用（yòng）。  

 

激光熔覆式快速成型技術的問題 

然而，由於LMD的層層添加性，沉（chén）積材料在不同的區域重複經曆（lì）著複雜的熱（rè）循環過程。LMD熱循環過程涉及到熔化和在較低溫度眾多的再加熱周期過程，這種複雜的熱行為導致了複雜相變和微觀結構的變化。因此，控製成形零件所需要的成分和結構存在較大的難度。另一方麵，采用細小的激光束快速形成熔池導（dǎo）致較高的凝固速率和熔體的不穩定性。由於零件凝固成形過（guò）程中熱量的瞬態變化，容易產生複雜的殘餘應力。殘餘應力的存（cún）在必然（rán）導致（zhì）變形的產生（shēng），甚至在LMD成形件中產生裂紋（wén）。成分、微觀結構的不可控性及殘餘應力的形成是（shì）LMD技術麵臨的主要困境。

激光熔覆式快速成型技（jì）術的優勢 

DMD／LENS的實質是計算機控製下金屬熔體的三維堆積成形。與DMLS和SLM／SLRM不同的是，金屬粉末在噴嘴中即已處於加熱熔融狀態，故其特別適於高熔點金屬的激光快（kuài）速成形。事實上，美國Sandia國家實驗室在美國能源部資助下，在LENS開發初期，就將其定位於直接精密製造（zào）航空航天、軍事裝備領域的複雜形狀高熔點金屬零部件；並以（yǐ）此為基礎，將成形（xíng）材（cái）料體係拓展為工具鋼，不（bú）鏽鋼，鈦合金，鎳基高溫合金等。美國Sandia國家實驗室開展的複雜零（líng）件LENS成形研（yán）究工作，成形零件綜合機械性能接近甚至優於傳（chuán）統工藝製備的相關零件；但限於國防安全保密，目（mù）前相關技術細節很少有公（gōng）開報（bào）道。特別需要說明的是，通過調節送粉裝置（zhì）、逐漸（jiàn）改變（biàn）粉末成分，可在同一零件的不同位置實現材料（liào）成分的連續變化，因（yīn）此LENS在加工異質材料（如功能梯度材料）方麵具有獨特優（yōu）勢。  

詳解5種金屬3D打印技術

送絲式激光熔覆式快速成型技術 

由於粉末激光增材製（zhì）造中不可避（bì）免的缺陷，比如粉末的利用率很低（20～30％），粉末的汙染（rǎn）問（wèn）題，粉末相對昂貴的價格等。而送絲式激光增材製造（zào）不僅材料利用率很高（幾（jǐ）乎100％），沒有粉塵（chén）汙（wū）染，對設備的要求比較低，更加具有經濟性。因此（cǐ），近些年來，一些機構已經開（kāi）始將目光轉移到送絲的增材製造技術研究上來（lái）。目前，應（yīng）用最多的還是采用TIG電弧熔絲的方式，而（ér）用激光的很少。綜上所述，目前國外關（guān）於（yú）送絲式的（de）激光增材製造研究比較少，而采用TIG電弧熔（róng）絲的（de）方式研究較多，國內在這（zhè）方麵的研（yán）究還未有報道。一般的，采用TIG電弧熔絲方法製備的抗拉強度和屈服強度（dù）低於激光增材製造技術，而延（yán）伸（shēn）率要比激光的要高。組織上，TIG電弧熔絲方法製備的鈦合金主要以網籃組織為主，而激光（guāng）增材製造的（de）以魏氏組織為（wéi）主，這是由於兩種方式不同的能量特點和（hé）輸（shū）入造成的（de）。

送（sòng）粉式（shì）與（yǔ）送絲式激光熔覆式快速成型技術對（duì）比

送粉式在工藝窗口和內部缺陷等方麵均優於送絲式，送粉式的激光增材製造大大減少了所需的（de）激光功（gōng）率閾值。采（cǎi）用送絲式時（shí）隨著增大激（jī）光功率，沉（chén）積層的高度呈線性下降，影（yǐng）響成形效率，此時必須加大送絲速度，但送絲速度的增加又會帶了送絲穩定性的問題。因此，送絲（sī）成形對激光功率、送（sòng）絲速度、掃描速度這三者之間的參數匹配很重要（yào）。而送粉式在增大功率時，高（gāo）度基本不變。  尺寸精度（dù）方麵，送粉式在厚度方向除了底部較窄外，其他地方厚（hòu）薄均勻，側壁非常平直；長度（dù）方向上，熔池未下淌，成形較平直。送絲式在厚度方向上厚薄較（jiào）均勻，但由於絲的剛性擾動和絲與光的對（duì）中性要求比較苛刻，因而容易（yì）出現絲和（hé）光的微小偏離，從而（ér）使側壁成形不是很平直（zhí），出現了彎曲；在長度方向上，在激光開始和結束的地方，出現了沉積層的傾斜與下（xià）淌，這是由於激光功率較送（sòng）粉的大，同時由於激光停止出（chū）光（guāng）前就先停止送絲，因而在收尾處激光單純的作用在沉積層上，造成沉積層熔（róng）池的下淌（tǎng）。  綜上（shàng）所述，在工藝窗口、內（nèi）部缺（quē）陷、尺寸精度和表麵精度方麵，送粉（fěn）式的要（yào）優於送絲式（shì）的；在效（xiào）率和經濟性方麵，送絲式具有突出性的優勢。