3D打印技術正在快速改變傳統（tǒng）的生產方式和生活方式，作為戰略性新興產業，美國、德國等（děng）發達國家高度重視並（bìng）積極推廣該（gāi）技術（shù）。當然（rán）我國的（de）3D打印技術也在不斷的發展，在2017年的達沃斯論壇中國國家主席就（jiù）在發表題為《共擔時代責任 共促全球發展》的主旨演（yǎn）講（jiǎng）中就提到3D打印、人工智（zhì）能等新技術不斷湧現，但尚未（wèi）形成新的經濟（jì）增長（zhǎng）點。不少（shǎo）專家認為，以數字化、網絡化、個性化、定製化為特點的3D打印技術為（wéi）代（dài）表的新製造技術將推動第三次（cì）工業革（gé）命。金（jīn）屬零件3D打印技術作（zuò）為整（zhěng）個3D打印體係中最為前沿（yán）和最有潛力的技術，是先進製造技術的重要發展（zhǎn）方向（xiàng）。隨著科技發展及推廣應用（yòng）的（de）需求，利（lì）用快速成型直接製（zhì）造金屬功能零件成為了快（kuài）速成型主（zhǔ）要的發展方向。目前可用於直接（jiē）製造（zào）金屬功能零件的快速成型方法主要有：包括選區激（jī）光燒結（Selective Laser Sintering， SLS）技術、直接金屬粉末（mò）激光燒結（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、選（xuǎn）區激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術、激光近淨成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術和電子束選區熔化（huà）（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術等。

 

國外對金屬零件3D打印技術的理論與（yǔ）工藝研究相對較早（zǎo）。雖然我國在（zài）技術上落後於這些歐（ōu）美大國，但是經過這些年國內的技術的不斷積累，一些廠家也都推（tuī）出了自己的商品（pǐn）化的金屬3D打（dǎ）印機，接下來小編（biān）就（jiù）直接製造金屬功（gōng）能零件的快速成型（xíng）的（de）主要方法（fǎ）進行了歸（guī）納總結。

選區激光燒結（SLS） 

選擇性激光燒結（jié）技術（SLS）最初是由美國（guó）德克薩斯（sī）大學奧斯汀分校的Carl Deckard於1989年在其碩士論文中提出（chū）的， 選區激光燒結，顧名思（sī）義，所采用（yòng）的冶金機製為液相燒結（jié）機製，成形過程中粉體材料（liào）發生部分（fèn）熔化，粉（fěn）體顆粒保留其固相核心（xīn），並（bìng）通過後續的固相顆粒重排、液相凝固粘接實現粉（fěn）體致密化。美國DTM公司於1992年推出了該工藝的商（shāng）業化生（shēng）產設備SinterSation。德國的EOS公（gōng）司在這一領域也做了很多研究工（gōng）作，並開發了相應的係列成型設（shè）備。國內有（yǒu）如（rú）華（huá）中科技（jì）大學、南京航空航天大學、西北工業大學、中北大學和北京隆源自動成型有限公司等，多家（jiā）單位進行SLS的相關研究工（gōng）作，也取得了重大成果。 

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，工作粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪（pù）粉輥將粉末在（zài）成型缸活塞（工作活塞）上（shàng）均勻鋪上一層，計算機根據原型的切片模型控製（zhì）激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個（gè）層麵。完（wán）成一層後，工作活塞下降一個層厚，鋪粉係統鋪上新粉，控製激光束再掃描燒（shāo）結新層。如此循（xún）環往複，層層疊加，直到（dào）三（sān）維零件成型。

 

SLS工藝采用（yòng）半固態液相燒（shāo）結機製，粉體未發生完全熔化（huà），雖可在一定程度上降低成形材料積聚的熱應力，但成形件中含有未熔固相顆粒，直接導致孔隙率高、致密度低、拉伸強度差、表麵粗糙度高等（děng）工藝缺陷，在SLS 半固態成形體係中，固液混合體係粘度通常（cháng）較（jiào）高，導致熔融材料流（liú）動性差（chà），將出現 SLS 快速成形工藝特有的冶金（jīn）缺陷——“球化”效應。球化現象不僅會增（zēng）加成形件表麵粗糙度，更會導致（zhì）鋪粉裝置難以在已燒（shāo）結層表麵均勻鋪粉後（hòu）續（xù）粉層，從而阻礙SLS 過程順利開展。

由於燒（shāo）結好的零件強度（dù）較低，需要經過後處理才能達到較高的強度並且製造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表麵質量較差等問題。在SLS出現初期，相對於其（qí）他發展比較成熟的快速成型方法，選擇（zé）性激光燒結具有成型材料選擇範圍廣，成型工藝比較（jiào）簡單（無需支撐）等優點。但由於成型過程中的能量來源為激（jī）光，激光器的應用使其成型設（shè）備的（de）成本（běn）較高，隨著2000 年之後（hòu）激光（guāng）快速成形設備的長足進步（表現為先進高能（néng）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用（yòng）於金屬構件的激光快速成形。選擇（zé）性激光燒結技術（SLS）已被類似更為先進的技術代替。 

直接金屬激光成形（DMLS）

SLS製造金屬零部（bù）件，通常有兩種方法，其一為間接法，即聚（jù）合物覆膜金屬粉末的SLS；其二為直（zhí）接法，即直接金屬粉末激光燒結（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自從1991年金屬粉末直接激光燒結研究在Leuvne的Chatofci大學開展以來，利用SLS工藝直接燒結金屬粉末成形三維零部件是（shì）快（kuài）速原型製造的最終目標之一。與間接SLS技術相比，DMLS工藝最（zuì）主（zhǔ）要的優點是取消了昂貴且費時（shí）的預處理（lǐ）和後處理工藝（yì）步驟。  

 

直接金（jīn）屬粉末（mò）激光燒結（DMLS）的特點  

DMLS技（jì）術（shù）作為SLS技術的一個（gè）分支，原理基本（běn）相同。但DMLS技術精確成形形狀複雜的金屬零部件有較大難度，歸根結底，主要是由於金屬粉末在DMLS中的“球化”效應和燒結（jié）變形，球化現象（xiàng），是為使熔化的金（jīn）屬液表麵與周邊介質表麵構成的體係具有最小自由能，在液態金屬與周邊介質的界麵張力作用下，金屬液（yè）表麵形狀向球形表麵轉變的一（yī）種現象（xiàng）．球化會使金屬粉末熔化後無法凝固形成連（lián）續平滑的熔池，因而形成（chéng）的零件疏（shū）鬆多孔，致（zhì）使成型失敗，由於單組元金屬（shǔ）粉末在液相燒結（jié）階段的粘度相對較高（gāo），故“球化”效應尤為嚴重，且球形直徑往往大於粉末顆粒直徑，這會導致大量孔隙存在於（yú）燒結件中，因此，單組元金屬粉末的DMLS具（jù）有明顯的工藝缺陷，往往（wǎng）需要後續處理，不是真正意義上的“直接燒結”。

為克服單組元金屬粉末DMLS中的“球化”現象，以及由此造成的燒結變形、密度疏鬆等工藝缺陷，目前一般可以（yǐ）通過使用熔點不同的多組元金（jīn）屬粉（fěn）末或使用預合金粉末來實現。多組分金屬粉末體（tǐ）係（xì）一般由高熔點金屬、低熔點（diǎn）金屬及某（mǒu）些添加元素混合而成，其中高熔點金屬粉末作為骨架金屬（shǔ），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（zài） DMLS 中熔化形成液相，生成的（de）液相包（bāo）覆、潤濕（shī）和粘結（jié）固相金屬顆粒，以此實現燒結致密化。  

直接金（jīn）屬粉末（mò）激光燒結（DMLS）的問題  

作為SLS技術的一個（gè）重要分支的DMLS技術尚處在不斷發展和（hé）完善的過程之中，其燒結的（de）物理過（guò）程及燒結致密化機理仍不明了，不（bú）同金屬粉末體係的激光燒結工藝參（cān）數仍需摸索，專用粉末的（de）研製與開發還有待突破。因此，建立（lì）金（jīn）屬粉（fěn）末直接激光燒結過程的數學、物（wù）理模型，定量研究DMLS燒結致密化過（guò）程（chéng）中的燒結行（háng）為和組織結（jié）構變化，成為粉末冶金科學與工（gōng）程（chéng）研究中的重要內容之一。DMLS中，金屬粉末的物性對於燒結質量有著及其重要的影響，相同的工藝參數條件下（xià），不同的粉末體係的燒結效果往往有很大的區別。把握（wò）粉末體係的物性，為其選擇最優化的工藝參數，是DMLS的最基本、最重要（yào）的要求（qiú）。大量研究表明（míng），影響DMLS質量的三個關鍵物性參數主要為：燒結特性、攤鋪特性和穩定性。

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選區激光熔化（SLM） 

SLM 的思想最初由德國Fraunhofer研（yán）究所（suǒ）於1995年提出，2002年該研究所對（duì）SLM 技術的（de）研究取得（dé）巨大的（de）成功。世界上第一台SLM設備由（yóu）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（mì）的激光成形（xíng）件，同時也受益於2000年之後激光快（kuài）速成形設備的長足進步（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（róng）化的冶金機製被用於金屬構件（jiàn）的激光快速成形。例如，德國著名的快速成形公司EOS公司，是世（shì）界上較早開展金屬粉末激（jī）光燒結的專（zhuān）業化公司，主要從事SLS金屬粉末、工藝及設備研發。而該公（gōng）司新近研（yán）發的EOSINTM270／280型設備，雖繼續沿用（yòng）“燒結”這一表述，但已裝配200W光纖激光器（qì），並采用完全熔化的冶金機製成形金屬構件（jiàn），成形性能得以顯（xiǎn）著提高。目前，作為SLS技術的延伸，SLM術正在德國、英國等歐（ōu）洲國家蓬勃發展。即便繼續沿用“選區（qū）激光燒結（jié）”（SLS）這（zhè）一表述，實際所（suǒ）采用的成（chéng）形機（jī）製已轉變為粉體完全熔化機製。 

選區激光熔化（huà）的原理  

SLM技術是在SLS基礎上發展起來的，二者的基（jī）本原理類（lèi）似。SLM技術需要使金屬粉末完全熔化，直接成型金屬件，因此需要高功率（lǜ）密度激光器激（jī）光束開始掃（sǎo）描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基（jī）板上，然後激光束將按當前層（céng）的輪廓（kuò）信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層的輪廓（kuò），然後可升降係（xì）統下降一個圖層厚度的距離，滾動鋪粉輥再在已加工好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（céng）層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在抽真空（kōng）或通有氣（qì）體保護的加（jiā）工室中進行，以避免（miǎn）金屬在高溫下（xià）與其他氣體發生反應。SLM與DMLS的界限目前很模糊，區別不明顯， DMLS技（jì）術（shù）雖翻譯為金（jīn）屬的燒結，實（shí）際成型過程中多數時候已將金（jīn）屬粉末完全熔化。DMLS技術使用材料都為不同金屬（shǔ）組成的混合物，各（gè）成分在燒結（熔化）過程中相互補償，有利於保證製作精度。而SLM技術使用材料主要為單一組分的粉末，激光束快速熔化金屬粉末並獲得連（lián）續的掃（sǎo）描線。  

 

選區激光熔（róng）化技術的發展問題 

激光選區（qū）成形件中，Fe基合金（主要是鋼）SLM成形研究較多，但SLM成形工藝尚需優化、成形性能尚（shàng）需進一步提高；對（duì）SLM成形性能（特別是占基礎地（dì）位的致（zhì）密度），目前SLM成形的鋼構件通（tōng）常難以實現全致密。解決鋼（gāng）材料SLM成形的致密化問題，是（shì）快速（sù）成形研究的關（guān）鍵性瓶頸問題。鋼材料激光成形的（de）難（nán）度，主要取決於鋼中主要元素的化學特（tè）性（xìng）。基體元素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強（qiáng）的親和性，在常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，鋼熔（róng）體表麵氧化物等汙染層的存在，將顯著降低潤濕性，引起激光熔化特有的冶金缺陷球化效（xiào）應及（jí）凝固微裂紋，從而顯著降低（dī）激光成形致密度及相應的機（jī）械性（xìng）能。另一方麵，鋼中C含量是（shì）決定激光成（chéng）形性能的又一個關鍵（jiàn）因素。通常（cháng），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（dù）亦會增加。這與氧化（huà）層的不利影響（xiǎng）類似，也會（huì）降低潤濕性，導致熔體鋪展（zhǎn）性降低，並引起球化效應。此外，在晶界上形成的複雜碳化物會增大鋼材料激光成形（xíng）件的脆性。因此（cǐ），通常（cháng）對鋼材料SLM成形，需提高激光能量（liàng）密度及SLM成形（xíng）溫度，可促進碳化物的溶解，也可（kě）使合金元（yuán）素均（jun1）勻化。

通過粉體材料（liào）及SLM工藝優化，包括：

1，嚴格控製原始粉體材料及激光成形係統中的氧含量以改善潤濕性；

2，合理（lǐ）調控輸入激光能量密度以獲取適宜的液相粘度及其流變特性，可（kě）有（yǒu）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（yǐ）Al合金為代表的輕合金零件激光快速成形（xíng），先前絕大多數研究（jiū）報道是基於SLS半固態（tài）燒結成形機製，但因嚴重的球化效應及（jí）孔隙缺（quē）陷，故（gù）研究進展不（bú）大；而SLM技術可望為高性（xìng）能複雜結（jié）構Al合（hé）金零件近淨成形與快速製造提供嶄新的技術途徑。Al基（jī）合金零件SLM成形具有高（gāo）難度，是由材（cái）料自身（shēn）特殊物理特性本質所決定的。一方麵，，通常低功（gōng）率CO2激光難以使Al合金粉體發（fā）生有效熔化，而要（yào）求使（shǐ）用能（néng）量密度更（gèng）高的光纖或Nd：YAG激光，這無疑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（guò）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（guāng）熔池溫（wēn）度降低，熔體粘度（dù）增加且（qiě）流動性降低，故其難以有效潤濕基體（tǐ）材料，導致SLM成形球化效（xiào）應及內部孔（kǒng）隙（xì）、裂紋等缺陷。其三，從成形工藝角度，Al合金材料密度較低，粉體流動性差。 

需指（zhǐ）出的是，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（biǎo）麵光（guāng）潔度，但因成形過程中粉末發生完全熔化／凝固，故在固液轉（zhuǎn）變過程中（zhōng）將出現明顯的收縮變形，致使成形件中積聚較大的熱應力，並將在（zài）冷卻過程中得以釋放，使得成形件（jiàn）發生變（biàn）形、甚至開裂。由於激光（guāng）選（xuǎn）區（qū）熔化（huà）成形（xíng）技術成形粉末需求量大，需要在整個成形平麵鋪設金（jīn）屬粉末，因而（ér）不適宜（yí）成形貴（guì）重的金屬；整個成形平台（tái）較大，惰性氣體保護效果較差，因而（ér）也不適宜成形易氧化的金屬粉末。

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選區激（jī）光熔化（huà）技術的優勢  

在原理上，選區激光熔化與（yǔ）選區激（jī）光燒結相似，但因為采用了（le）較高的激光能量密度和更細（xì）小的光斑直（zhí）徑，成型件的力學性能、尺寸精（jīng）度等均較好，隻需簡單後處理即可投入使用，並且成型（xíng）所用原材料無需特別配製。選（xuǎn）區激光熔化技術的優點（diǎn）可歸納如下：

1．直接製造金（jīn）屬功能件件，無需中間工序； 

2．良好的光束質量（liàng），可獲得細微（wēi）聚焦光斑，從（cóng）而可以直接製造出較高尺寸精度和（hé）較好（hǎo）表麵粗糙（cāo）度的功能件；

3．金屬（shǔ）粉末完全熔化，所直接製（zhì）造（zào）的金屬功能（néng）件具有（yǒu）冶金結合組（zǔ）織，致密度較（jiào）高，具 有較好的力學性能（néng），無需後處理；

4．粉末材料可為（wéi）單一材料也可為多組元（yuán）材料，原材料無需特別配製；

5．可直接製造（zào）出複（fù）雜幾何形狀的功（gōng）能件；

6．特別適合於單件或小批量的功能件製造。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熔（róng）覆製造難以獲得（dé）較高尺寸精度的零件；相比之（zhī）下，選區激光熔化成型技術可以（yǐ）獲得冶金結（jié）合、致密組織、高尺寸精度和良好力學性（xìng）能的成（chéng）型件，是近年來快速成型的主要研究熱點和發展趨勢（shì）。  

選區激光熔化技術的研究展望  

（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（chóng）視粉（fěn）體材料對改（gǎi）善（shàn）激光快速成形性能的物質基礎作用，深入定量研究（jiū）適於選區激（jī）光熔化成形工藝的粉體化學成分、物性指標、製備技術及表（biǎo）征方法，實現激光快速成形專用金屬及（jí）合金粉體材料的專（zhuān）業化和係列化。  

（2）深入定量研究金屬及合金粉體（tǐ）激光成形冶金（jīn）本質及其機（jī）理。緊扣（kòu）金屬及合金粉體激光快速成形關鍵科學問題，包括激光束—金（jīn）屬粉（fěn）體交互作用（yòng）機理、激光熔池非平衡傳熱傳質機製、超高溫度梯度下金屬（shǔ）熔（róng）體（tǐ）快速凝固及內部冶金缺陷和（hé）顯微組織調控、金屬（shǔ）粉體激光熔化成形全過（guò）程及各（gè）類型內應力演變（biàn）等冶金、物理、化學及（jí）熱力耦合問題，為改善金屬及（jí）合金粉體激光快速成形組織和性能（néng）提供科學理論基礎（chǔ）。  

（3）高性能複雜結構金（jīn）屬及合金零件激光控形控性淨形製造。以激光快速成形專用高流動性（xìng）金屬粉體設計製備（bèi）為物質基礎，以激光非平衡熔（róng）池冶金熱（rè）力學和動力學行為、激光成形顯微組織調控機製、激光成形件內應力演化規律多尺度預測為（wéi）理（lǐ）論基礎，通過粉體設計製備（bèi）—零件結構設計—SLM成形工藝—組織（zhī）及性能評價的一體化研究（jiū），麵向航空航天、生物醫（yī）藥（yào）、模具製造（zào）等領（lǐng）域應用需求，實（shí）現（xiàn）高性能複雜結構金屬及合金關鍵零件激光控形控性直接（jiē）精密淨成形（xíng）製（zhì）造。對於金屬零件選（xuǎn）區激（jī）光熔化快速成形的材料、工藝及理論的研（yán）究，尚有很（hěn）多方麵未獲得本質突破。對於該領域諸多新材料（liào）、新（xīn）工藝、新現象及新理論的深入研究與發掘（jué），是實現激光快速成形技術走向工程應用（yòng）的基礎。 

選區激光熔化技術的研究工作 

大量（liàng）學者和研究團隊對（duì）選區激光熔化技術進行了大量的工作。RehmeO等對選區（qū）激光熔化成型過（guò）程的重要參數（shù）進行分析並歸（guī）類，研究了掃描線（xiàn）長度、掃描間距、層厚、成型方向等參數對零件的致密（mì）度和殘（cán）餘（yú）應力的影響。KozoOsakada等研究了鎳基合金、鐵基合金和純鈦材料的選區激光熔化成型（xíng）特性，分析成型件的熱應力分布，通（tōng）過掃描（miáo）策略和（hé）預熱等方（fāng）法（fǎ）減（jiǎn）小熱應力，並直接製造出致密度90％以上的（de）金屬模具。J．P．Kruth等（děng）利用Rayleigh不穩定性原理解釋鐵基合金的球化現（xiàn）象，並提出利用（yòng）掃描策略和控製氧含（hán）量的方法消除球化，同時研究不同的元素會對（duì）激光吸收率、熱（rè）傳導性、熔液的潤濕及鋪展性、氧含量以及Rayleigh不穩定性（xìng）等的影響。I．Shishkovsky等對鋁鋯（gào）陶瓷（cí）材料的選區激光（guāng）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（xiàn）在空氣（qì）中成型的零件（jiàn）是具有致密組織（zhī）結構和規則穩定相分布的。

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M．Badrossamay等對不鏽鋼和工具鋼進行了研究，研究了（le）掃描策略、激光功率等參數（shù）對成型質量的（de）影（yǐng）響，其研究（jiū）發現，不鏽鋼和工（gōng）具（jù）鋼（gāng）有著類似的成型規律，並且成型質量和掃描速度之間不是呈線性關（guān）係，由此推測掃描速度對粉床（chuáng）熱量的損失量有影響。I．Yadroitsev等采用不鏽鋼等原材料對選區激光熔化成型工藝開展了很多工作（zuò），研究了掃描策（cè）略（luè）對致密度的影響、掃（sǎo）描角度對力學性能的影響，采用“填（tián）充後再（zài）填充的掃描策略”可獲得高致密度（dù）成（chéng）型件，同時發現掃描傾斜角度對成型件的屈服強度和抗拉強度影響不大；另外，通過工藝實驗，采用優化工藝參數成型出厚度為140μm的連續薄（báo）壁（bì）。Gusarov等利用熱力學分析選區激光熔化（huà）成型過程的熔池穩定性，采用（yòng）Rayleigh不穩定性原理解釋高掃描速度下的球化現象，並（bìng）提出適合連續熔池的較優熔池形狀，即減小熔池長寬比並增加熔池與基板的接觸線（xiàn）寬度（dù）。

KamranAamirMumtaz等研究了鎳合金的單道熔池，分析（xī）掃描策略對致密度的影響，並提出改善表麵質量的方法，即采用“填充後再填充的掃（sǎo）描（miáo）策（cè）略”可防（fáng）止因相鄰熔池搭接而導致（zhì）熱變形，同時成型出致（zhì）密度達99．7％的合金零件。Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等［33－35］還對選區激光熔化直（zhí）接成型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製造（zào）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有胞元結（jié）構的多孔醫用植入體材（cái）料，而McKown等則直接製（zhì）造出網格狀材料；Yadroitsev等則研究了選區激光熔化直接（jiē）製造（zào）具有微孔結構的過濾材料零件。

國內對選區激光熔化技術的研究工作雖然起步較晚，但至今也取得了很大的進展。主要的研究單位有（yǒu）：華南理工大學（xué）、華中科技大學、南京航空航（háng）天大學（xué）、上海交通大學等高（gāo）校以及其他一些（xiē）科（kē）研單位。其中（zhōng）華南理工大學在不鏽（xiù）鋼、銅合金、鎳合金和鈦合金等開展了大量的工藝實（shí）驗，研究了激光功率、掃描速度、掃描間距、掃描策略等對致密度、尺寸精度、內部組織等的影響（xiǎng）；華中科技（jì）大學也對不鏽鋼的成型工藝（yì）進行了一些探討，采用正交實驗方法優化工（gōng）藝參數；南京航空航天大學除了對一些常用（yòng）材料（liào）進行研究外，還采用選區激光熔化直接製（zhì）造複合材料功能件；上海交通（tōng）大學采用316L不鏽鋼研究了選區激（jī）光熔化成型件的表麵質量和內部微（wēi）觀組織（zhī），並得到高致密度的功能件。

電子（zǐ）束熔化（huà）（EBM）

1994年瑞典 ARCAM 公司申請的一份專利，所開發的技術稱為電子束熔化（huà）成形（xíng）技術（Electron Beam Melting），ARCAM公司也（yě）是世界上第一家將電子束快（kuài）速製造商業化的公司，並於2003 年推出第一代設備，此後美國（guó）麻省（shěng）理工（gōng）學院、美國航空航天局（jú）、北京（jīng）航空製造工程研究所和我國（guó）清華大（dà）學均開發出了各自的基於電（diàn）子束的快速製造係統。美國（guó）麻省理工（gōng）學院開發的電子束實體自由成形技術（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication，EBSFF）。EBSFF 技術采用送絲方式供給（gěi）成形材料前兩種利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作台移動，與激光（guāng）近（jìn）形製造技術類似，電子束熔絲（sī）沉（chén）積快速製造時（shí），影響因素較多，如電（diàn）子束流、加（jiā）速（sù）電壓、聚（jù）焦電流、偏擺掃描（miáo）、工作距離、工件運動速度、送絲速度、送絲方位（wèi）、送絲角度、絲端（duān）距工件的高度、絲材伸出長度等。這些因素共同作用影響熔積體截麵幾（jǐ）何參量，確區分單一（yī）因素的作用十分困難；瑞典 ARCAM 公司與清華（huá）大學電子束（shù）開發的選區熔化（EBSM）利用電子束（shù）熔化鋪（pù）在工作台（tái）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（piān）轉實現熔化成形（xíng），該（gāi）技術不需要二維運動部（bù）件，可以實現金屬粉末的快速掃描成形。

 

電子束選區（qū）熔化（EBSM）原理

類似激光選區燒（shāo）結和激光選區熔化工藝，電子束選（xuǎn）區熔化技術（EBSM）是一種采用高（gāo）能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材（cái）料熔化成形的快速製造技術（shù）。EBSM技術的工藝過程（chéng）為：先在鋪粉平麵（miàn）上鋪展一層粉末；然後，電子束在計（jì）算機的控（kòng）製下按照截麵輪廓（kuò）的（de）信息進行有選擇的（de）熔化，金屬粉末在電子束的轟擊下被熔化在一起，並與下麵已（yǐ）成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件（jiàn）全部熔化完成；最後，去除多餘的粉末便得到所需的三維產品。上位機的（de）實時掃描信號經（jīng）數（shù）模轉換及功率放大後傳遞給偏轉線圈，電子束在對應的偏轉電壓產（chǎn）生的磁場作用下偏轉，達到選擇性熔化。經過十幾年的研究發現對於一些工藝參數如電子束（shù）電流、聚焦電流、作用時間、粉末厚度、加速電（diàn）壓、掃描方式進行正交實驗。作用時間對成型影響（xiǎng）最大。 

電子束選區熔化的優勢

電子束直接金屬成形技術采用高能電（diàn）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（jù）有的真空環（huán）境還可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（jù）有能量利用率高、作用（yòng）深度大、材料吸收率高、穩定及運行維護成本低等優點。EBM技術（shù）優點是成型過程效（xiào）率高，零件變（biàn）形小（xiǎo），成型過程不需要金（jīn）屬支（zhī）撐，微觀（guān）組織更致密等  電子束的偏轉聚焦控製更加快速、靈敏。激（jī）光的偏轉需要使用振鏡，在激光進行高速掃描時（shí）振鏡的轉速很高。在激光功率較大時，振鏡需要（yào）更複雜的冷卻係統，而（ér）振鏡的重量也顯著（zhe）增加。因而在使（shǐ）用較大（dà）功率掃描時，激光的掃描速度將受到限製。在掃描較大成形範圍時，激光的焦（jiāo）距也很難快速的改變。電子束的（de）偏轉和聚焦（jiāo）利用磁場完成，可以通過改變（biàn）電信號（hào）的強度和方向（xiàng）快速（sù）靈敏的控製電子束的偏轉量和聚焦長度。電子束偏轉聚焦係統不（bú）會被金屬（shǔ）蒸鍍幹擾。用激光和電子（zǐ）束熔化金屬的時候（hòu），金（jīn）屬蒸汽會彌散在整（zhěng）個成形空間，並在接觸的任何物體表麵鍍上（shàng）金屬薄膜。電子束（shù）偏轉聚焦都（dōu）是在（zài）磁場中完成，因而（ér）不會受到金屬蒸鍍（dù）的影響；激光（guāng）器振鏡等（děng）光學器件則容易（yì）受到蒸鍍汙（wū）染。

 

電子束選區熔（róng）化的（de）主要問題

真空室抽氣過程中（zhōng）粉末容易被氣（qì）流帶走，造成真空係統的汙染；但其存（cún）在一個比（bǐ）較特殊的問題即（jí）粉末潰散現象（xiàng），其原因是電子（zǐ）束具有較大動能，當（dāng）高速轟擊金屬原子使之加（jiā）熱、升溫（wēn）時，電子（zǐ）的部分動能也直接轉化為粉末（mò）微粒的動能。當粉末流（liú）動性較好時，粉（fěn）末顆粒會（huì）被電子束（shù）推開形成潰散現象。防止炊粉的基本原則（zé）是提高粉床的穩定性，克服電子束的推力，主要有四項措施：降低粉末的流動性，對粉末進行預熱，對（duì）成型底板進行預熱，優化電子束掃描方（fāng）式。因此，粉末（mò）材料一直很（hěn）難成為真空電子束設備的加（jiā）工對象，工藝（yì）參數方麵的研究更是鮮有報導。針對粉末在電子束（shù）作用下（xià）容（róng）易（yì）潰散的現象，提不同粉末體係所能承受的電子束域值電流（潰散電流）和電子束掃描域值速度（潰散速度）判據，並在此基礎上研究出混合粉末；  EBM技術成型室中必須為高真（zhēn）空，才能保證設備正常工作，這使得（dé）EBM技術整機複雜度提高。還因在真空度下粉末容（róng）易揚起而造成係統汙染。此外，EBM技術需要（yào）將係統預熱到800℃以（yǐ）上，使得（dé）粉末在成型室內預先燒結固化在一起，高預熱溫度對係統的整體結構提出（chū）非常高的要求，加工結束後零件需（xū）要在（zài）真空成型室中冷卻相當長一段時間，降低了零件的生產效率。 

電子束無法比較難（nán）像激（jī）光束一樣聚焦出細（xì）微（wēi）的光斑因此成型件難以達到較高的尺寸精度。因此，對於精密或有細微結構的功能件，電子束選（xuǎn）區熔化成型技術是難以直接製造出來的。  電子束偏轉誤差。EBSM係（xì）統采用磁偏轉（zhuǎn）線（xiàn）圈產生磁場（chǎng），使（shǐ）電子偏轉。由於偏轉的非（fēi）線性以及（jí）磁場的非均勻性，電子束在大範圍掃描時會出（chū）現枕形失真。大偏角時的散焦。EBSM係統采用聚焦線圈使（shǐ）電子束聚焦。若聚焦（jiāo）線圈中的電流恒定，電子束（shù）的聚焦麵為球（qiú）麵，而電子束在（zài）平麵上掃描。因此，電子束在（zài）不偏轉時聚焦，而在大角度偏轉時出現散焦。  

國內外研究狀況 

從（cóng） 2003 年推出第一台設備 S12 至今，ARCAM 推出了三款成形設備。在新（xīn）一代成形（xíng）設（shè）備 A1、A2成形設備中，成形零（líng）件的最大尺寸和精（jīng）度都有較大的提高，並且在成形零件的冷卻中實現了（le）自（zì）動冷卻。在成（chéng）形和（hé）冷（lěng）卻的過程中在真（zhēn）空室充（chōng）入一定壓強的（de）氦氣，可以加速成形後的冷卻速率（lǜ），同時保持更低的氧含量。A1、A2 設備的應（yīng）用領域也更加明確，A1 主要用來成形骨（gǔ）骼植（zhí）入物，成形材料也（yě）主要為鈦、鈷合金；A2 主要用於成形航天航（háng）空領域和國防領域需要的零件，也（yě）製作（zuò）其它領域成形複雜度高的小批量金（jīn）屬件。ARCAM 采用最新生產的 A1 和（hé） A2 設備，生產了大量精度和強度（dù）更加優良的零件，其中（zhōng）利用 A1 生（shēng）產的合金（jīn）骨骼早已通過了 CE 認證，迄今在歐洲大陸（lù）已經造福（fú）超過 10，000 名患者，在 2011 年初也通過了（le）美國 FDA 的認證。利（lì）用（yòng） A2 生產的（de）航（háng）空和國防領域（yù）的產品也取得了顯著的成果，除了具有以上（shàng）所（suǒ）說的表麵光滑（huá），可加工複雜（zá）形狀，還將原材料到最終產品（pǐn）質量的比率由 15～20 降到了約為（wéi） 1，大大的降低了成本。  

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（lǚ）合金結構（gòu）開（kāi）展了大量研究，最大成型速度達到了 3500cm3／h，較之（zhī）其它的金屬快速成型技術，效率提高了數十倍。利用該（gāi）項技（jì）術完成了F－22 上鈦合金支座的直接製造，該零件成功通過了兩個周期的最大載（zǎi）荷全譜疲勞測試，並未發現永久變形。在國內（nèi）清華大學機械係獨立（lì）的開發了電子束選區（qū）熔化設備，在 2004 年推出第一台電子束選區熔化成形設備（bèi） EBSM150，並（bìng）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（gāi）課題組使用自行開發的設備，對（duì）電子束選區熔化工藝的多個（gè）關鍵問題進行了深入的研究，在近十年的時間內，做了大量研發工作，包括成形控製係統開發、粉末預熱工藝、掃（sǎo）描路徑規劃、成形件的機械性（xìng）能等（děng）。 

激光熔覆式成型技（jì）術（LMD）

激光熔化（huà）沉積（Laser  Metal  Deposition，LMD）於（yú）上（shàng）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（fāng）相繼（jì）發展（zhǎn）起來，由於許多大學和機構是分別獨立進行研究的，因此這（zhè）一技術的名稱繁（fán）多。例如（rú），美國Sandia國家實驗室的激（jī）光近淨成形技術LENS（LaserEngineeredNetShaping），美國Michigan大學的直接金屬沉積DMD（DirectMetalDeposition），英國伯明（míng）翰大學的直（zhí）接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西北（běi）工業大學的（de）激光快速成形LRF（LaserRapidForming）等。雖然（rán）名字不盡相同，但是他們的原理基本相同，成型過程中，通過噴嘴將粉（fěn）末聚集到（dào）工作平麵（miàn）上，同（tóng）時（shí）激光束也聚集到該點，將粉光作用點重（chóng）合，通過工（gōng）作台或噴嘴移動，獲得堆積的熔覆實體。

LENS技術使用的是千瓦級的激光器，由於采用的（de）激光聚焦光斑較大（dà），一般在1mm以上，雖然可（kě）以得（dé）到冶金結合的致密（mì）金屬（shǔ）實體，但其尺寸精度和表麵光潔（jié）度都不太好，需進一步進行機加工後才能使用（yòng）。激光熔覆是（shì）一個複雜的物理、化學冶金過程，熔覆（fù）過程中的參數（shù）對熔覆件的質（zhì）量有很大（dà）的（de）影響。激（jī）光熔覆（fù）中的過程參數主要有（yǒu）激光（guāng）功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、掃（sǎo）描速度、熔池溫度等，他（tā）們的對熔覆層的稀釋率、裂紋、表麵粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。同時，各參數之間也相（xiàng）互影響，是一個非常複雜的過程（chéng）。必須（xū）采用合適的控製方法（fǎ）將各種影（yǐng）響因素控（kòng）製在溶覆工藝允許的範圍內。

詳解5種金屬3D打印技術

同軸送粉和側向送粉（fěn）的區別 

激（jī）光同步熔（róng）覆金屬（shǔ）粉末工藝中，常見的有同軸（zhóu）送粉和側向送粉（fěn）兩種方式，側向（xiàng）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（guāng）束沿平（píng）麵（miàn）曲（qǔ）線任意曲線形狀掃描時，曲線上各點的粉末運（yùn）動方向與激光束掃描速度方（fāng）向間的夾角不一致，導致熔覆層各點的粉末堆積形狀發生變化，直接影響熔覆層的表麵精度（dù）和均勻一致性，造成熔覆軌跡的粗糙與熔覆厚度和（hé）寬度的不均，很難保證最（zuì）終零件的形狀和尺寸符合要求。其次（cì），送粉（fěn）位置與（yǔ）激光光斑中心很難對準，這種對位是很重要的，少量的偏差（chà）將會導致粉末利用率（lǜ）下降和（hé）熔覆（fù）質量的惡化。再次，采用側向送粉方式，激光束起不到粉（fěn）末預熱和預熔化的作用，激光能量不能被充分利用（yòng），容易出現粘粉（fěn）、欠熔覆、非冶金結合等（děng）缺陷。還有，側向送粉方式隻適合於線性熔覆軌跡的場合，如隻（zhī）沿著X方向或Y方向運動，不適合複雜軌跡的運動。

另外，側向送粉隻適合於製造一（yī）些壁厚零件，這是由（yóu）於側向送粉噴嘴（zuǐ）噴出的粉末是發（fā）散的，而（ér）不是匯聚的，不利於保（bǎo）證成型薄壁零件的精度。當粉（fěn）末輸送方向與（yǔ）基材運動方向相同與相反時的熔覆狀況，熔覆層（céng）形狀明顯受粉末輸送方向與（yǔ）基材運動方向的影響。此外，如果粉末輸送方向（xiàng）與基材運動方向垂直，熔覆層形狀會與（yǔ）兩者方向平行時得到的形狀差別更大。因此，側（cè）向送粉具有明顯的（de）方向性，熔覆層幾何（hé）形狀隨運動方向（xiàng）不同而發生改（gǎi）變。  同軸送粉則克（kè）服了上（shàng）述的缺（quē）點，激光束和噴嘴中心線於同一軸線（xiàn）上，這樣盡管掃描速（sù）度方向發生變化，但是粉末流（liú）相對工件的空間分（fèn）布始終是一致的，能得到各向一致的熔覆層，還由於粉（fěn）末的進給和激光（guāng）束是同軸的（de），故（gù）能很好地適應掃描方向的變化，消除粉末輸送方向對熔覆層形狀影響，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試件（jiàn），解決了熔覆成型零件尺寸精度的問題，這在薄壁零件（jiàn）的（de）熔覆過程中優勢非常明顯。由此可見，同軸送（sòng）粉方式有利於提高粉（fěn）末流量和熔覆層形狀的穩定性與（yǔ）均（jun1）勻性，從（cóng）而改善金屬成型件的（de）精度和質量（liàng）。 

激光（guāng）熔覆式快速成型技術的發展 

美國對（duì）激光（guāng）熔覆（fù）製（zhì）造技術的研究起步較早，在二十世紀八十年代即展開研究，至二十世紀（jì）九十年代末已建立起一係列的激光熔覆製造工藝並應用於模（mó）具等領域的功能件直接製造。國（guó）內對激（jī）光熔覆製造技術的研究較為成熟。如北京有色金屬研究院采用激光熔覆製造技術直接製造出組織致密的663錫青銅合金零件，零（líng）件的力學性能滿足實際使（shǐ）用要求。西北工業大學（xué）在二十世紀九十年代即開始了激光熔覆製造技術的探索研究，在後期開發出激光（guāng）立（lì）體成型係統，並針對鎳（niè）基高溫合金、不鏽鋼、鈦合金等材料的成型工藝特（tè）性進行了（le）大量的工藝實驗，獲得了具（jù）有複（fù）雜形狀的金屬功能（néng）件。與電子束選（xuǎn）區（qū）熔化類似，激光熔覆製造技術可直接製造出（chū）組織致密、力學（xué）性能良好的金屬功（gōng）能（néng）件，但是受到激光光斑大（dà）小（xiǎo）和工作台運動精度等因素的限製，所直接製造的功能件的尺寸精度（dù）和表麵粗糙度較差，往（wǎng）往需（xū）要（yào）後續的機加工才能滿足使用要求。  而激光熔（róng）化（huà）沉積（LMD）的發展稍（shāo）微晚點，其中美國軍方對（duì）這一（yī）技（jì）術給予了大力的關（guān）注和支持，在其支持下（xià），美國率先（xiān）進行了該技術實用化的研究。

1997年，美國MTS公司（sī）成立專門（mén）從事鈦合金飛機結構件激光熔化沉積技術開發應用的AeroMet公司，在美國空軍、陸軍及國防部（bù）有關研究計劃支持（chí）下，進行激光熔化沉積鈦（tài）合金飛機結構件（jiàn）的研究；2000年，完成了鈦合金飛機機翼的靜載強度測試試驗。2001年，其生產（chǎn）的三個鈦合金（jīn）次承力結構件獲準在飛機上使用，其性能（néng）超過了傳統（tǒng）的製造工藝，同時由（yóu）於材料（liào）和切削加工（gōng）的節（jiē）省，其製造成本降（jiàng）低20～40％，生產周（zhōu）期也縮短80％。但由於在鈦合金主（zhǔ）承力結構件的疲勞性能未超過鍛件標準，最終未能實現該技術在飛機大型構件（jiàn）上的應用，公司於2005年關（guān）閉。盡管如此，具有（yǒu）低成本、短周期（qī）、高（gāo）性能特（tè）點的（de）激（jī）光增材製造技術仍在美國的航空航天、國防工（gōng）業中發揮著重要的（de）作用。  

 

激光熔覆式快速成型（xíng）技術的問題 

然而，由於LMD的層層添加性，沉積材料在不同的區域重複經（jīng）曆著複雜的（de）熱循環過程。LMD熱循環過程涉及到熔化（huà）和在較低溫度眾多的再加熱周期（qī）過程，這種複雜的熱行為導致了複雜相變和微觀結構的變（biàn）化。因此，控製成形零件所需要的成分和結構存（cún）在較大（dà）的難度。另一方麵，采用細小的激光（guāng）束快速形成熔池導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程（chéng）中熱（rè）量（liàng）的瞬態變化，容易產生複（fù）雜的殘餘應力。殘（cán）餘應力的存（cún）在必然（rán）導致變形的產生，甚至在LMD成形件中（zhōng）產生裂紋。成分、微觀結構的不可（kě）控性及殘餘應力的形成是LMD技（jì）術（shù）麵臨的（de）主要困境（jìng）。

激光熔覆式快速成型技術的（de）優勢 

DMD／LENS的實質是計算機控製（zhì）下金屬熔（róng）體（tǐ）的三維堆積成形。與DMLS和SLM／SLRM不（bú）同的是，金屬粉末在噴嘴中即已處於加熱（rè）熔融狀（zhuàng）態（tài），故其特別適於高熔點金屬的（de）激光快速成形。事實上，美（měi）國Sandia國（guó）家（jiā）實驗（yàn）室在美國能源部資助下，在LENS開發初期，就（jiù）將其定位於直接精密製造航空（kōng）航天、軍事裝備領域（yù）的複雜形狀高熔（róng）點金屬零部件；並以此為基礎，將成形材料體係拓展為工具鋼，不鏽鋼，鈦合金，鎳基高溫合金等。美國（guó）Sandia國（guó）家實驗室開展的（de）複雜零件LENS成形研究（jiū）工作，成形零件綜合機械性能接近甚至優於傳統工藝製備的相關零件；但（dàn）限於國防（fáng）安（ān）全保密，目前相關技術細節很少有公開報道。特（tè）別需要說明的是，通（tōng）過（guò）調節送粉裝（zhuāng）置、逐漸改變粉末成分，可（kě）在同一零件的不同位置實（shí）現材料成分的連續變化，因此（cǐ）LENS在加工異質材料（如功能梯度（dù）材料）方（fāng）麵具有獨特優勢。  

詳解5種金屬3D打印技術

送絲（sī）式激光熔覆式快速成型技術 

由於粉末激（jī）光（guāng）增材製造中不可避免的（de）缺（quē）陷，比如粉（fěn）末（mò）的利用率很低（20～30％），粉末的汙染問題，粉末相對昂貴的價格等。而送絲式激光（guāng）增材製造不僅材料利用率很高（幾乎100％），沒有粉（fěn）塵汙（wū）染，對設備的要求比較低，更加具有經濟性。因此，近些年來，一些機構已經開始將目光（guāng）轉移到送絲的增材製（zhì）造技術研究上來。目前，應用最多的還是采（cǎi）用TIG電弧熔絲（sī）的方式，而用激光的很少。綜上所述，目前國外關於送（sòng）絲式的激光增材製造研究比（bǐ）較少，而采用TIG電（diàn）弧熔絲的方（fāng）式研究較多，國內在這方麵的研究還未有報道。一般（bān）的，采用TIG電弧熔絲方法製備的抗拉強度和屈服強度低於激（jī）光增材製造技術，而延伸率要比激（jī）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，而激光增材製造的以魏（wèi）氏組織為主，這是由於兩種（zhǒng）方式不同的（de）能量特點和輸（shū）入（rù）造成（chéng）的。

送粉式與送絲式（shì）激光熔覆式快速成（chéng）型技術對比

送粉式在工藝窗口和內（nèi）部缺陷（xiàn）等方麵均優於送絲式，送粉式的激（jī）光增材製造大大減少了所需的激光功（gōng）率閾值。采用送絲式時隨著增大激光功率（lǜ），沉積層的高度（dù）呈線性下降，影響成形效率，此時必須加大送絲速度（dù），但送絲速度（dù）的增（zēng）加又會帶了送絲穩定性的（de）問題。因此，送絲成形對激光（guāng）功率、送絲速度、掃描速度這三者之間（jiān）的參數匹（pǐ）配很重要。而送粉式在增大功率時，高度基（jī）本不變。  尺寸精度方麵，送粉式在厚度方向除了（le）底部較窄外，其他地方厚薄（báo）均勻，側壁（bì）非常平直；長度方向上，熔池未下（xià）淌，成形較平直。送（sòng）絲式在厚度方向上厚薄較均勻，但（dàn）由於絲的剛性擾動和絲與光的對中性要求比較苛刻，因而容易出現絲和光的微小偏（piān）離，從而使側壁成形不是很平直（zhí），出現了彎曲；在長度（dù）方向上，在激光開始和結束（shù）的地方，出現了沉積層的（de）傾斜與下淌，這是由於激光（guāng）功率較送粉的大，同時由於激光停止出光前就先停止送絲，因而在收尾處激（jī）光單（dān）純的作用在沉積層上，造成沉積層熔池的下（xià）淌。  綜上所述，在工藝窗口、內（nèi）部缺陷、尺寸精度和（hé）表麵精度（dù）方（fāng）麵，送粉式的要優於送絲式（shì）的；在效率和經濟性方麵，送絲式具有突出性的優勢。

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