3D打印技術正（zhèng）在快速改變傳統的生產方式和生活方式，作（zuò）為戰（zhàn）略（luè）性新興產業，美國（guó）、德（dé）國等發達國家高度重（chóng）視並積極推（tuī）廣該技術。當然（rán）我國的（de）3D打印技術也在不斷的發展，在（zài）2017年的達沃斯論壇中國國家主席就在發表題為《共擔時代責任 共促全（quán）球發展》的（de）主旨演講中（zhōng）就提到3D打（dǎ）印（yìn）、人工（gōng）智能等新（xīn）技術不斷湧現，但尚未形成新的經濟增長（zhǎng）點。不少專家認為，以數字化、網（wǎng）絡化、個性化、定製化為特點的3D打印技術為（wéi）代表的（de）新製造技術將推動第三次工業革（gé）命。金屬零件3D打印技術作為（wéi）整個3D打印體係中最為前沿和最有潛力的技術，是先進製造技術的重要發展方向。隨（suí）著科技發展及推廣應用的需求，利用快速成型直接製造（zào）金（jīn）屬功能零（líng）件成為了快速成型主要（yào）的發展（zhǎn）方向。目前可用於直接製造金屬功能零件的快速成型方法主（zhǔ）要有：包括選區激光燒（shāo）結（jié）（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（jī）光（guāng）熔（róng）化（Selective Laser Melting， SLM）技術、激光近淨成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術和（hé）電子束選區熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術等。

 

國外對（duì）金屬零件3D打印技術的（de）理論與工藝研究相對較早。雖然（rán）我國（guó）在技術上（shàng）落後於這些（xiē）歐美大國，但是經過（guò）這（zhè）些年國（guó）內（nèi）的技術的不斷（duàn）積累，一些廠（chǎng）家也都推出了自己的商品化的（de）金屬3D打印（yìn）機，接下來小編（biān）就（jiù）直接製造金屬功能零件的快（kuài）速成型（xíng）的主要方法（fǎ）進行了歸納總結。

選區激光燒結（SLS） 

選擇性激光燒結技術（SLS）最初是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的（de）Carl Deckard於1989年在其碩士論文中（zhōng）提出的， 選區激光燒結，顧名思義，所采用的冶金機（jī）製為（wéi）液（yè）相燒結機製，成形過程中粉體材料發生部分熔化，粉體顆粒保留其固相核心，並通過後續的固（gù）相顆粒重排、液相凝固粘接實現粉體致密化。美國DTM公司於1992年推出了該工藝的商業化生產設（shè）備SinterSation。德國的EOS公司在這一領（lǐng）域也做了很（hěn）多研（yán）究工作（zuò），並開發了相應的係列成型設備（bèi）。國內有如華中科技大學、南（nán）京航空航天大學、西北工業大學、中（zhōng）北大學和北京隆（lóng）源（yuán）自（zì）動成（chéng）型有限（xiàn）公司等，多家單位進行SLS的相關研究（jiū）工作，也取得了（le）重大成果。 

SLS 技術原理及其特點（diǎn） 

整個工藝裝置由粉末缸和成（chéng）型缸組成，工作粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均勻鋪上一層，計算機根據原型的切片模型控製激光束的二維掃描軌跡（jì），有選擇（zé）地燒結固體粉末（mò）材料以形（xíng）成零件的一（yī）個（gè）層麵。完成（chéng）一層後，工（gōng）作活塞下降一個層厚，鋪粉係統鋪上新粉，控製激（jī）光束再掃描燒結新層。如此循環往複，層層（céng）疊（dié）加，直到三維零（líng）件成型。

 

SLS工藝采用半固態液相燒（shāo）結機製（zhì），粉體未發生完全熔化，雖可在一定程度上降低成形材料（liào）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（xì）率高、致密度低、拉伸強度差、表麵粗糙度高等工（gōng）藝缺陷（xiàn），在（zài）SLS 半固態成形體係（xì）中，固液混合體係粘度通常較高（gāo），導致熔（róng）融材料流動性差，將出現 SLS 快速成形（xíng）工藝特有的冶金缺陷——“球化”效應。球化現象不僅會增加（jiā）成形件表麵粗糙度，更會導致鋪粉裝置難以在已燒結層表麵均勻鋪粉後續粉層，從而阻礙SLS 過（guò）程順利開展。

由於燒結好的零件強度較低，需（xū）要（yào）經過後處理（lǐ）才能達到較高的（de）強度並且製造的三維零件（jiàn）普遍存在強度不高、精度較（jiào）低及表麵質量較差等問題。在SLS出現初期，相（xiàng）對於其他（tā）發展比較成熟的快速成（chéng）型方法，選（xuǎn）擇性激光燒結具有成型材料選擇範圍（wéi）廣，成（chéng）型工藝比較簡單（無（wú）需支（zhī）撐）等優點。但由於成型過（guò）程（chéng）中的能量來（lái）源為激（jī）光，激光器的應用使其成（chéng）型（xíng）設備的成本較高，隨著2000 年之後激光快速成形設備的長足進步（表現為先進高能光（guāng）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於金屬構件的激光快速成形（xíng）。選擇性激光（guāng）燒結技術（SLS）已被類似更為先進的技術代替。 

直（zhí）接金（jīn）屬激光成形（xíng）（DMLS）

SLS製（zhì）造金屬（shǔ）零部件，通常有（yǒu）兩種方法，其一為間接法，即聚合物覆膜金（jīn）屬粉（fěn）末的SLS；其二（èr）為（wéi）直接法，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（jié）研究在Leuvne的Chatofci大學開展（zhǎn）以來，利用SLS工藝直接燒結金屬粉末成形三維（wéi）零部件是快速原型（xíng）製造的（de）最（zuì）終目標之一。與間接SLS技術相比，DMLS工藝（yì）最主要的優點是取消了昂（áng）貴且費（fèi）時的預處理和後（hòu）處理工（gōng）藝步驟。  

 

直接金屬粉末激光燒結（DMLS）的（de）特點  

DMLS技術作為SLS技術的（de）一個分支，原理基本相同。但DMLS技術精確成形形狀複雜的金屬零部件有較（jiào）大難度，歸根結底，主要（yào）是由於金屬粉末在DMLS中的“球化”效應和燒結變形，球化（huà）現象，是為使熔化（huà）的金屬液表麵與周（zhōu）邊介質表麵構成的體係具有最小（xiǎo）自由能，在液（yè）態金屬與周邊介質的（de）界麵張力（lì）作用下，金（jīn）屬液表麵形狀向球形表麵轉變的一種現象．球化會使金屬粉末熔（róng）化後無法（fǎ）凝固形成連續平滑的熔池，因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（xiàng）燒結階段的粘度相對較高，故“球化（huà）”效應（yīng）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（xì）存在於燒結件中，因此，單組元金屬粉末的DMLS具有明顯的工（gōng）藝（yì）缺（quē）陷，往（wǎng）往需要後續處理，不是真正意義上的“直接燒結”。

為克服單組（zǔ）元金屬粉末DMLS中的“球（qiú）化”現象，以及由此造成的燒結變形、密度疏鬆等工藝缺陷（xiàn），目前一般可以通過使（shǐ）用熔點不同的多組（zǔ）元金屬粉末或使用預合金粉末來實現。多組分金（jīn）屬粉（fěn）末體係一般（bān）由高（gāo）熔點金屬、低熔點金屬及某些添加元素混合而成，其中高熔點金屬粉末（mò）作為骨架金（jīn）屬（shǔ），能在 DMLS 中保留其固相核心；低熔點金（jīn）屬粉末作為粘結金屬，在（zài） DMLS 中熔化形成液相，生成的液相包覆、潤濕和粘（zhān）結固相金屬顆粒（lì），以此實現燒結致密化。  

直接金屬粉末激光燒結（DMLS）的問題  

作為SLS技術的（de）一個重要（yào）分支的DMLS技術（shù）尚處在不斷發展和完善的過程之中（zhōng），其燒結的（de）物（wù）理過程及燒結致密化（huà）機理（lǐ）仍不明了，不同金屬粉末體係的激光燒結工藝參數仍需摸索，專用粉末的研（yán）製與開發還有待突破。因此，建立金屬粉末直接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（guò）程中的燒結行為和組織結構變化，成為粉末冶金科（kē）學與工程研（yán）究中的重要內容之一（yī）。DMLS中，金屬粉末的物性對於燒結質量有著及其重要的影響（xiǎng），相同的工藝參數條件下，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、最重要的要求（qiú）。大（dà）量研究表明，影（yǐng）響DMLS質量的三個（gè）關鍵物性參數主要為：燒結特性、攤鋪特性（xìng）和穩定性。

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選區激光（guāng）熔化（SLM） 

SLM 的思想最初由德國Fraunhofer研究所於（yú）1995年提出（chū），2002年該研究所對SLM 技術的研究取得巨大的成功。世界上第一台SLM設（shè）備由英國MCP集（jí）團公司下轄的德國 MCP－HEK 分公司已（yǐ）於 2003 年底推出。為獲取全致密的激光成形件，同（tóng）時也受益於2000年之後激光快速成形設備的長足進步（表現為（wéi）先進高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的（de）提高（gāo）等），粉（fěn）體完全熔化的（de）冶金機製被用於金屬構件的激光快速成形。例如，德國著名的快速（sù）成形公司EOS公司，是世界上較早（zǎo）開展金屬粉末激光燒結的專（zhuān）業化公司，主要從事SLS金屬粉末、工藝及設備研發（fā）。而該公司新近研發的EOSINTM270／280型設備，雖繼續沿用“燒結”這一表述，但已（yǐ）裝配200W光纖激光器，並采用完全熔化的冶金機製成形金（jīn）屬構件，成形性能得以顯（xiǎn）著提高。目前，作為SLS技（jì）術的延伸，SLM術正在德國（guó）、英國等（děng）歐洲國家蓬勃（bó）發展（zhǎn）。即便繼續沿用“選區激光燒結”（SLS）這一表述，實際所采用的成形機製已轉變為粉體完全熔化機製。 

選區（qū）激光熔化的原（yuán）理  

SLM技術是在SLS基礎上發展起來的，二者的基本原理（lǐ）類似。SLM技術需要使金屬粉（fěn）末完全熔化（huà），直接（jiē）成型金（jīn）屬（shǔ）件，因此需要高功率密度激光（guāng）器激（jī）光束開始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加（jiā）工室的基板上，然（rán）後（hòu）激光（guāng）束將按當前（qián）層的輪（lún）廓信息選（xuǎn）擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層的輪廓，然後可升降係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（shǔ）粉末，設備調入下一（yī）圖層進行加工，如（rú）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（bǎo）護的加工（gōng）室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體（tǐ）發生反應。SLM與DMLS的界限目前很模糊，區（qū）別不明顯， DMLS技術雖翻譯為金屬的燒結，實際成型過程中多數時候已將金屬粉末完全熔化（huà）。DMLS技術使用材料都為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結（熔化（huà））過程中相互補償，有利於保證製作精度。而SLM技術（shù）使用（yòng）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續的掃描線。  

 

選區激光熔化技術的發展（zhǎn）問題 

激光選區成形件中，Fe基合金（主要（yào）是鋼）SLM成形研究較多，但SLM成（chéng）形工藝尚需優化、成形性（xìng）能尚需進一步提高；對SLM成（chéng）形性（xìng）能（néng）（特別是（shì）占基礎地位的致密度），目前SLM成形的鋼構（gòu）件通常難以實現全致密。解決鋼材料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。鋼材料（liào）激光成形的難度，主要取決（jué）於鋼中主要元素的化學特性。基體（tǐ）元素Fe及（jí）合金元（yuán）素Cr對氧都具（jù）有很強的親和性（xìng），在常規粉末處理和激光成形條件下很（hěn）難徹底避免氧（yǎng）化現象。因此，在SLM過（guò）程（chéng）中，鋼熔體表麵氧化物等汙染層的存在，將顯著降低潤濕性，引起激（jī）光熔化特有的冶金缺陷球化（huà）效應及凝固微裂紋，從而（ér）顯著降低激（jī）光成形致密度及相應的機械性能。另一方麵，鋼中C含量是決定激光成形性能的又一個關鍵（jiàn）因素。通（tōng）常，過高的C含量（liàng）將對激光成形性產生不利，隨C含量升高，熔體表麵（miàn）C元素（sù）層的厚度亦會增加。這與氧化層的不利影響類似，也會（huì）降（jiàng）低潤濕性，導致熔體鋪展性降低，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（gāng）材料激光成形件的脆性。因（yīn）此，通常對鋼材（cái）料SLM成形，需提高激（jī）光能量密度及SLM成形溫度，可促進碳化物的溶解，也可使合金元素（sù）均勻化。

通過粉體材（cái）料及SLM工藝優化，包括：

1，嚴（yán）格控製原始粉體材料及激光成形係統中的氧（yǎng）含量（liàng）以改（gǎi）善潤（rùn）濕性；

2，合理調控輸入激光能（néng）量密度以獲取適宜的液相粘度及其流變特性，可有效抑製（zhì）球（qiú）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（jīn）為代表（biǎo）的輕合金零件激光快速成形，先（xiān）前絕大多數研究報道是基於SLS半固態燒結成形機製，但因嚴重的球化效應及（jí）孔隙缺陷，故研究進（jìn）展不大；而SLM技術可望為高（gāo）性能複雜結構Al合金零件近淨成形與快速製造提供（gòng）嶄新的技術途徑。Al基合金零件SLM成形具有高難度，是（shì）由材（cái）料自身特殊物（wù）理（lǐ）特性本質所決定的。一方麵，，通常低功率CO2激光難以使Al合金粉體發生有（yǒu）效熔化（huà），而要（yào）求使用能量密度更高的光（guāng）纖（xiān）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（jīn）材（cái）料熱導率高，SLM成形過程中激光能量輸入極易沿（yán）基板或在粉床（chuáng）中傳遞（dì）消耗，導致激光（guāng）熔池溫度降低，熔體粘度增加且流動性降低，故其難以有效潤濕基體材（cái）料，導致SLM成形球化效（xiào）應及內部孔隙、裂紋等缺陷。其三（sān），從成形工藝角度，Al合金材料密度較低，粉體流動性差。 

需指出（chū）的是，基於SLM／SLRM成形（xíng）機製，雖能在（zài）一定程度上改善激光成形（xíng）件的致（zhì）密度和表麵（miàn）光潔度，但因成形過程中（zhōng）粉末（mò）發（fā）生完全熔化／凝固，故在固液轉變過程中將出現明顯的收縮變形，致使成形件中積聚較大的熱應力，並將在冷卻過程中得以釋放，使得成形件發生變形、甚至開裂。由於激光（guāng）選區熔化成形技術成形粉末需求量大，需要在整個成形平麵鋪設金屬粉末，因而（ér）不適宜成形（xíng）貴重的金屬；整個成形平（píng）台較大，惰性氣體保護效果較差（chà），因而也（yě）不適宜成形（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（yuán）理上，選區激（jī）光熔化與選區激光燒（shāo）結相似，但因為采用了較高的激光能量（liàng）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（lǐ）即可投入使用，並且成型所用原材料無需（xū）特別配製。選區激光熔化技術的優點可歸（guī）納如下：

1．直接製造金屬功（gōng）能件（jiàn）件，無需中間工序； 

2．良好的光束質量，可獲得細微聚焦光斑，從而可以直接製造出較高尺寸精度和較好表麵粗糙度（dù）的功能件；

3．金屬粉末完全熔（róng）化，所直接製造的金屬功能件具有冶金結合組織（zhī），致密度較（jiào）高，具 有較好的力學（xué）性能，無需（xū）後處理；

4．粉末材料可為單一材料也可為多（duō）組元材料，原材料無需特別（bié）配製；

5．可直接（jiē）製造（zào）出（chū）複雜幾何形狀的功能件；

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

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（fěn）體材料係列化與專業化。重視粉體材料對改善激（jī）光快速成形性能的物質（zhì）基礎作用，深入（rù）定量研究適於選區激光熔化成形工藝的粉體化學成分、物性指標、製備技術及表征方法，實現激光快速成形專用金屬及合金粉體材料的專（zhuān）業化和係（xì）列化。  

（2）深入定量研究金屬及（jí）合金粉體激光成形（xíng）冶金本質及其機理。緊扣金（jīn）屬及（jí）合金粉體激光（guāng）快速成形關（guān）鍵科學問題，包括激光束—金屬粉體交互作用機理、激光熔池非平衡傳熱傳（chuán）質機製、超高溫（wēn）度梯度下金屬熔（róng）體快（kuài）速凝固及（jí）內部冶金缺陷和顯微組織調控、金屬粉體激光熔化成形全過（guò）程及各類型內（nèi）應力演變等冶金、物理、化學及（jí）熱（rè）力耦合問題，為改（gǎi）善金屬及合金粉體激光快速成形組織和性能提供科學理論基礎。  

（3）高性能複雜結構金屬及合金零件（jiàn）激（jī）光控形控性淨形製造。以激光快速成形專用高流動性金屬粉體設計製備為物質基礎，以激光非平衡（héng）熔池冶金熱力學和動力學行為、激光成形顯微組織調控機製（zhì）、激光成形件（jiàn）內應力演化規律多尺度（dù）預測為理（lǐ）論基礎，通過（guò）粉體設計製備—零件結構設計—SLM成形工（gōng）藝—組織及性能評價的一體（tǐ）化研究，麵向航空航天、生物醫（yī）藥、模具製造等領域應用需求（qiú），實現高性能複雜結構金屬及合金關鍵零件（jiàn）激光控形控性直接精密淨成形製造。對（duì）於（yú）金屬（shǔ）零件選區激（jī）光熔化快速成形的材料、工藝及理論的研究，尚有很多（duō）方麵未獲得本質突破。對於該領（lǐng）域諸多新材料、新（xīn）工藝、新現象及新理論的深入研究與發掘，是實現激光快（kuài）速成形技術走向工程應用的基礎（chǔ）。 

選區激光熔化技術的研究工作 

大（dà）量學者（zhě）和研究（jiū）團隊對選（xuǎn）區激光熔化技術進行了大量（liàng）的工作。RehmeO等（děng）對選區激光熔化成型過程的重（chóng）要（yào）參數進行分析並歸類，研究了掃描線長（zhǎng）度、掃描間距、層厚、成型方向等參數對零件的致密（mì）度和殘餘應力的影響。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（chéng）型特性，分（fèn）析成型件（jiàn）的熱應力（lì）分布，通過（guò）掃描策略和預熱（rè）等方法減小熱應力，並直（zhí）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（dìng）性原理解釋鐵基合金的球化現象，並提出利用掃描策（cè）略和控製氧含量的方法消（xiāo）除球化，同時研究不同的元素會對激光吸（xī）收率、熱傳導性、熔液的潤濕及鋪展性、氧含量以及Rayleigh不（bú）穩定性（xìng）等的影響。I．Shishkovsky等對鋁鋯陶瓷材（cái）料的（de）選區激（jī）光熔化成型（xíng）特性進行了分析，研究成型件的組織結構及成份，並發現在空氣中成型的零（líng）件是具有致密組織（zhī）結構和規則穩定相分布的。

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M．Badrossamay等對（duì）不鏽鋼和工具鋼進（jìn）行了研究，研究了掃描策略、激（jī）光功率等（děng）參數對成型質量的影響（xiǎng），其研究發現，不鏽鋼和工（gōng）具鋼（gāng）有著類似的成（chéng）型規（guī）律（lǜ），並且成型質量（liàng）和（hé）掃描速度（dù）之間不是呈線性關係，由此（cǐ）推測掃描速度對粉床熱量的損（sǔn）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（gōng）藝開展了很多工作，研究了（le）掃描（miáo）策略對致（zhì）密度的影響、掃描角（jiǎo）度對力學性能的影響，采用“填充後再填充的（de）掃描策略”可獲得（dé）高致密度成型件，同時發現掃描傾斜角度對成型件的屈服強度和抗拉強（qiáng）度影響不大；另外，通過工藝實驗，采用優化（huà）工藝參（cān）數成型出厚度為140μm的連續薄壁。Gusarov等利用熱力學分（fèn）析（xī）選區激光熔化成型過程的熔池穩定性，采用Rayleigh不穩定性原理解釋高掃描速度下的球化現象，並提出適合連續熔池的較優熔池形狀，即減小熔池長寬比（bǐ）並增加熔池與基板的接觸線（xiàn）寬度。

KamranAamirMumtaz等研究了鎳合金的單（dān）道熔池，分（fèn）析掃描策略對致密度的影響，並提出改善表麵質量的方法（fǎ），即采用“填充後再填充（chōng）的掃描策略”可防止因相鄰（lín）熔池搭接（jiē）而導致熱變形（xíng），同時成型出致密度達99．7％的合金零件。Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等［33－35］還對選區激光熔化直接成型功能性材料（liào）進行了初步探索，並取得一些成果，如：Julio等采（cǎi）用選區激光熔化（huà）直接製造出具有散熱功（gōng）能管材料；Rehme等采用選區激光熔化（huà）直接製造（zào）出具有胞元結構的多孔醫用植入（rù）體材料，而McKown等則直接製造出網格狀材料；Yadroitsev等則研究了選區激（jī）光熔（róng）化直接製造具（jù）有微孔結構的過濾材料零件。

國內對選區（qū）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：華南理工大學（xué）、華中科技大學（xué）、南京航空航天（tiān）大學、上海交（jiāo）通大學等高校以及其他一些科研單位。其中華南（nán）理工大學在不（bú）鏽鋼、銅合金、鎳合金和鈦合金等開展了大量的工藝實驗，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（dù）、內部組織（zhī）等的影響；華（huá）中科技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（fāng）法優化工（gōng）藝參（cān）數；南（nán）京航（háng）空航天（tiān）大學除（chú）了對一些常用材料進行研究外，還采用選區激光（guāng）熔化直接製造複合材料功能件；上（shàng）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（zhì）量和內部微觀組織，並（bìng）得到高致密度的功能（néng）件。

電子（zǐ）束熔（róng）化（EBM）

1994年瑞典 ARCAM 公司申請（qǐng）的一份專利，所（suǒ）開發（fā）的技（jì）術稱為電子束熔化成形技術（Electron Beam Melting），ARCAM公司也是（shì）世界上第（dì）一家將電子束快速製造商業化的公司，並於2003 年推出第一代設備，此後美國麻省理工學院、美（měi）國航空航天局、北京航空製造工程（chéng）研究所和我國清華（huá）大（dà）學均開（kāi）發出了各自的基於電子束的快速製造係統。美國麻省理工學院開發的（de）電子束實體（tǐ）自由成形技術（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication，EBSFF）。EBSFF 技（jì）術采用送（sòng）絲方式供給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（guò）送絲裝置和工作台移動，與激光近形製（zhì）造技術類（lèi）似，電子束熔絲沉積（jī）快速製造時，影（yǐng）響因（yīn）素較多，如電（diàn）子束流、加速電壓、聚焦電流（liú）、偏擺掃描、工（gōng）作距離、工件運動速（sù）度、送（sòng）絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材伸出長度等。這（zhè）些因素共同作（zuò）用影響熔積體截麵幾何參量，確區分單一因素的作用十分困難；瑞典 ARCAM 公司與清華大學電子（zǐ）束開發的選區熔（róng）化（EBSM）利（lì）用電子束熔（róng）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（shù）實（shí）時偏轉實現熔化成形，該技術不需要二（èr）維（wéi）運動（dòng）部件，可以實現金屬粉末的快速掃描成形。

 

電子（zǐ）束選區熔化（EBSM）原理

類似激光選區（qū）燒（shāo）結和激（jī）光選區熔化工（gōng）藝，電（diàn）子束選區熔化技術（EBSM）是一種采（cǎi）用高能高速的（de）電子束選（xuǎn）擇性（xìng）地轟擊金屬（shǔ）粉末，從而使得粉末材料熔（róng）化成形（xíng）的快（kuài）速製造技術。EBSM技術的工（gōng）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（jī）的控製下按照截麵（miàn）輪（lún）廓的信息進行有選擇的熔化，金屬（shǔ）粉末在（zài）電子束的轟擊下被熔化在一起，並與（yǔ）下麵已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全（quán）部熔化完成；最後，去除多餘（yú）的粉末便得到所需的三維產品。上位機的實時（shí）掃描信號經數（shù）模（mó）轉換及功（gōng）率放大後傳遞給偏轉線圈，電子（zǐ）束在對應的偏轉電壓產生的（de）磁場作用（yòng）下偏轉（zhuǎn），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電流（liú）、聚焦（jiāo）電流、作用時間、粉末厚（hòu）度、加速電壓、掃描方式進行正交實驗（yàn）。作用時間對成型影響最大。 

電子束選區熔化的優勢

電子束（shù）直接金屬成形技術采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可通過（guò）操縱磁偏轉線圈進行，沒有機械慣性，且電子束具有的（de）真空環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（jī）光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率（lǜ）高、穩定（dìng）及運行維護成本低等優點。EBM技術優點是成型（xíng）過程效率高，零件變形（xíng）小，成型過程不需要金屬支撐，微觀組織更致密等  電子束的（de）偏（piān）轉聚焦控製更加快速、靈（líng）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（lǜ）較大時，振鏡需要更（gèng）複雜的冷卻係統，而振鏡的重量也顯（xiǎn）著增加。因而在使用較大功率掃描時，激光的掃描速度將受到限製。在掃描較大成形範圍時，激（jī）光的焦距也很難（nán）快速的改變。電（diàn）子束的偏轉和聚（jù）焦利用磁場完成，可以通過改變電信號（hào）的強度和方向快速靈敏的控製電子束的偏轉（zhuǎn）量和聚焦長度。電子束偏（piān）轉聚焦係統不會被金屬蒸鍍幹（gàn）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，並在接觸的任何物體表（biǎo）麵鍍上金屬薄膜。電子束偏轉聚焦都是在磁場中完成，因而不會受到金屬蒸鍍（dù）的影（yǐng）響（xiǎng）；激光器振鏡等光學器件則容易受到蒸鍍汙（wū）染。

 

電子束選區熔化的主要問題

真空室抽氣過程中粉末容易被氣流帶走（zǒu），造成真空係統的汙染；但其存在（zài）一個比較特殊（shū）的問題即粉末潰散現象（xiàng），其原（yuán）因是電子束具有較大動能（néng），當高速轟擊金屬原（yuán）子使之加熱、升（shēng）溫時，電子的（de）部分動能也直接轉化為粉末微粒的動（dòng）能。當粉末流動性（xìng）較好時，粉末顆粒會被電子束（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（duì）粉末進行（háng）預熱，對（duì）成型底板進行預（yù）熱，優化電子束掃描方式。因此，粉末材料一直很難成為真空電子束設備的加工對象，工藝參數方麵的研究更是鮮有報導。針對粉末在電子束作用下容易潰散的現象（xiàng），提不同粉末體係所（suǒ）能承受的電子束域（yù）值（zhí）電（diàn）流（潰散電流）和電子束掃描域（yù）值速度（潰散速度（dù））判據，並在此基礎上研（yán）究出混合粉末；  EBM技術成型室中必須為高真空，才能保證設備正常工作（zuò），這使得EBM技術整機複雜（zá）度提（tí）高。還因在真空度下粉末容易揚起而造成係統汙染。此（cǐ）外，EBM技術需要將（jiāng）係（xì）統預（yù）熱到800℃以上，使（shǐ）得粉末在成型室內預先燒結固化在一起，高預熱溫度對係統（tǒng）的整體結構提出非常高的要求，加工結（jié）束後零件需要在真空成型（xíng）室中冷卻相當長一段（duàn）時間，降低了零（líng）件的生產效率。 

電子束無法比較難像激光束一樣聚焦（jiāo）出細微的（de）光斑因此成型件難以達到較（jiào）高的尺寸精度。因此，對（duì）於精密（mì）或有細微結構的功能件，電子束選（xuǎn）區熔化成型技術（shù）是（shì）難以（yǐ）直接製造出來的（de）。  電子束偏轉誤差。EBSM係統采用磁偏轉（zhuǎn）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（fēi）均勻性，電子（zǐ）束在（zài）大範圍掃描時會出現枕形失真。大偏角時的散焦。EBSM係統采用聚焦線（xiàn）圈使電子束聚焦。若聚焦線圈中的電流（liú）恒定，電子束的聚焦麵為球麵，而（ér）電子束在平麵上掃描。因此，電子束在不偏轉時聚焦，而在大角度偏轉時出現散焦（jiāo）。  

國內外研究狀（zhuàng）況 

從 2003 年推出第一台設備 S12 至（zhì）今，ARCAM 推出了三款成形設備（bèi）。在新一代成形設備（bèi） A1、A2成（chéng）形設備中，成形零件的（de）最大尺寸（cùn）和精度都有較大的提（tí）高，並且在成形零件（jiàn）的冷卻中實（shí）現了自動冷卻。在成形和冷卻的過程中在（zài）真空室（shì）充入一定壓強的氦氣，可以加速成形後的冷卻速率，同時保持（chí）更低的氧含（hán）量。A1、A2 設備的（de）應用領域也更加明確，A1 主要用來成形骨骼植入物，成形材料也主要為鈦、鈷（gǔ）合金；A2 主要用於成形（xíng）航天航空領域和（hé）國（guó）防領域需要的零件，也製作其它領域成形複雜度高（gāo）的小批量金屬件。ARCAM 采用最新生產（chǎn）的 A1 和 A2 設備，生產了大量精（jīng）度和（hé）強度更加優（yōu）良的零件，其（qí）中利用 A1 生產的合（hé）金（jīn）骨骼早已通過了 CE 認證，迄今在歐洲（zhōu）大陸已經造福超過（guò） 10，000 名患者，在 2011 年初也通過（guò）了美國 FDA 的認證。利用 A2 生產的（de）航（háng）空和（hé）國防（fáng）領域的產品也取得了顯著的成果，除了具有以上所說的（de）表麵光滑，可加工複雜形狀，還將原材料到最終產品質量的比率由 15～20 降到了約為 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（hé）金、鋁合金結構開展了大量研（yán）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，效率提高了數十（shí）倍。利用該項技（jì）術（shù）完成了F－22 上（shàng）鈦合金支座（zuò）的直接製造，該零件成功通過了兩個周期的最大（dà）載荷全譜疲勞測試，並未發現永久變形。在國內清華大學機械係獨（dú）立的開發（fā）了電子束選區熔化設備，在 2004 年推出（chū）第（dì）一台電子束選區熔化成形設備 EBSM150，並於 2008 年升級（jí）到第二（èr）代設備EBSM250，成形零件最大尺（chǐ）寸（cùn）增（zēng）大至 230mm×230mm×250mm。該課題組使用自行開發的設備，對電子（zǐ）束（shù）選（xuǎn）區熔化工藝（yì）的多個關鍵問題進（jìn）行了深入的研（yán）究，在近十年的時間內，做了大量研發工作，包（bāo）括成形控製係統開發、粉末預（yù）熱工藝、掃描路（lù）徑規劃、成形件（jiàn）的機械性能等（děng）。 

激（jī）光熔覆式成型技術（LMD）

激光熔化沉積（Laser  Metal  Deposition，LMD）於（yú）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（jì）發展起來，由於許多大學和機構（gòu）是分（fèn）別獨立進（jìn）行（háng）研究的，因此這一技術（shù）的名稱繁多。例如，美國Sandia國家實驗室的激光近淨成形技術LENS（LaserEngineeredNetShaping），美國Michigan大學的（de）直接金屬（shǔ）沉積DMD（DirectMetalDeposition），英國伯明翰大學的直接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西（xī）北工業大學的激（jī）光快速成形LRF（LaserRapidForming）等。雖然名字不盡相同，但是他們的原理基本相同，成型過程中，通過噴（pēn）嘴將粉末（mò）聚集到工作平麵上，同時（shí）激光束也聚集到該點，將粉光作（zuò）用點重合，通過工作台或噴嘴移動，獲得堆積的熔覆實體。

LENS技術使用的是千瓦（wǎ）級的（de）激光器，由於采用的激光聚（jù）焦光斑較（jiào）大，一般在1mm以上，雖然可以得到（dào）冶金結合的致（zhì）密金屬實體，但（dàn）其尺寸精度和表麵（miàn）光潔度都不太好，需進一步進（jìn）行機加工後才能使用（yòng）。激光熔覆是一個複雜（zá）的物理、化學冶金過程，熔覆過程中（zhōng）的參數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，他們的對熔覆層的稀釋率、裂（liè）紋（wén）、表麵粗糙度以及熔（róng）覆零件（jiàn）的致密性都有著很大影響。同時，各參數之間也相互影響，是一個非常複雜的過（guò）程。必須采用合適（shì）的控製方法將各種影（yǐng）響因素控製（zhì）在溶（róng）覆工藝允（yǔn）許的範（fàn）圍內。

詳解5種金屬3D打印技術（shù）

同軸送粉和側向（xiàng）送粉的區別 

激光同步熔（róng）覆金屬粉末工藝中，常見的有同軸（zhóu）送粉和側向送（sòng）粉兩種（zhǒng）方式，側向送粉方式（shì）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（píng）麵曲線任意曲線形狀掃描時，曲線上各點的（de）粉末運動方向與激光束掃描速度方向間（jiān）的（de）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和均（jun1）勻一致性，造成熔覆軌跡（jì）的粗糙（cāo）與熔覆厚度和寬（kuān）度的（de）不均，很難保證最終零件的（de）形狀和尺寸符合要求。其次，送粉位（wèi）置與激光光斑（bān）中心很難對準，這種對位（wèi）是很重要（yào）的，少量（liàng）的偏差將會導致粉末利用率下降和（hé）熔覆質量的惡化。再次，采用側（cè）向送粉方式，激（jī）光束起不到（dào）粉末預熱（rè）和預熔化的作用，激光能量不能被充分利用，容易出現粘粉、欠熔覆、非（fēi）冶金結合等缺陷。還（hái）有，側（cè）向送粉方式隻適合於線性熔（róng）覆軌跡的場合，如隻沿著X方向或Y方向（xiàng）運（yùn）動，不（bú）適合複雜軌跡的運動。

另外，側（cè）向送粉（fěn）隻適合於製造一些壁厚（hòu）零件，這是由於側向送粉噴嘴噴（pēn）出的粉末是發散的，而不是匯聚的，不利於保證成型薄壁零件的精度（dù）。當粉末輸送方向與基材運（yùn）動方（fāng）向相同與相反時（shí）的熔覆狀況，熔覆層形狀明（míng）顯受粉末輸送（sòng）方向與基材運動（dòng）方向的影響。此外，如果（guǒ）粉末輸送方向與（yǔ）基材運動方向垂直，熔（róng）覆層形狀（zhuàng）會與兩者方向平行時得到的形（xíng）狀差別更大。因此，側向送粉具有明（míng）顯的方向性，熔覆層幾何形（xíng）狀隨運動方向不同而發生改變。  同（tóng）軸送粉則克服了上述的缺點，激光束（shù）和噴嘴中（zhōng）心線於同一軸線上，這樣盡管掃描速度方向發生（shēng）變化，但是粉末流相對工（gōng）件的空間分布始終是一致的，能得到（dào）各向一致的熔覆層，還由於粉末的進給和激光束（shù）是同軸的，故能很好地適（shì）應掃描方（fāng）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（yī）些薄壁（bì）試件，解決了熔覆成型零件尺寸精度的問題，這在薄壁零件的熔覆過程中優勢非常（cháng）明顯（xiǎn）。由此可見，同軸送粉方式有利於提高粉末流量（liàng）和熔覆層形狀的穩定性與（yǔ）均勻性，從而改（gǎi）善金屬成型件的精度和質量。 

激光熔覆式（shì）快（kuài）速成（chéng）型技術的發展 

美國對激光熔覆製造（zào）技術的研（yán）究起步較早，在二十（shí）世紀八十年代即展開研究，至二十世紀九十年代（dài）末（mò）已建立起一係列的激光熔覆製造工藝並應用於模具等領域的功能件直接製造。國（guó）內對（duì）激光（guāng）熔（róng）覆製造技術的研究（jiū）較為成熟。如北京有色金屬研究（jiū）院采用激光熔（róng）覆製（zhì）造技術直接製造（zào）出組織致密的（de）663錫（xī）青銅合金零件，零件的力學性能滿足實際使用要求。西北工業大學在二（èr）十世紀九十年代即開始了激光熔覆製造技（jì）術的探索研（yán）究，在後期開發出激光立體成型（xíng）係統，並針對鎳（niè）基高溫合金（jīn）、不鏽（xiù）鋼、鈦合金（jīn）等材料的成型（xíng）工藝特性進行（háng）了大量的工藝實驗，獲（huò）得了具有複雜形（xíng）狀的（de）金屬功能件。與電子束選區熔化類似，激光熔覆製造技術可（kě）直接製造出組織（zhī）致密、力學性能良好的金屬（shǔ）功能（néng）件，但是受到激光光斑（bān）大小和（hé）工作台運動（dòng）精度（dù）等因素的限製，所直接製造的功能件的尺寸精度和表麵粗糙度（dù）較差，往往需要後續的機加工才能滿足使用要求。  而激光熔化（huà）沉積（LMD）的發展稍微晚點，其中美國（guó）軍方對這一技術給（gěi）予了大力的關注和支（zhī）持，在其支持下，美國率（lǜ）先（xiān）進（jìn）行了該技術實用（yòng）化的研究（jiū）。

1997年，美國MTS公司成立專門從事鈦（tài）合金飛機結構件（jiàn）激光熔化沉積技術開發（fā）應用的（de）AeroMet公司，在美（měi）國空軍、陸軍及國防部有關研究計劃支（zhī）持下（xià），進行激光熔（róng）化沉積鈦合金（jīn）飛機結構件的（de）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，其生產的三個鈦合金次承力結構（gòu）件（jiàn）獲準在飛機上使用，其性能超過（guò）了傳統的製造工（gōng）藝，同時由於材料和切削加工的（de）節省（shěng），其製造成本（běn）降（jiàng）低20～40％，生產周（zhōu）期也縮短80％。但由於在鈦合金主承力結構件的疲勞（láo）性（xìng）能未超過鍛（duàn）件（jiàn）標準，最終未能實現該技術在飛機（jī）大型構件上（shàng）的應用，公司於2005年關（guān）閉。盡（jìn）管如此，具有低成本、短周期、高性能特（tè）點的激光增材製造（zào）技術仍在美國的航空航天、國防工業中發揮著重要的作用。  

 

激光熔覆式快速成（chéng）型（xíng）技術的問題 

然（rán）而，由於LMD的（de）層層添加性，沉積材料在不同的區域重複經曆著（zhe）複雜的熱循環過程。LMD熱循環過程涉及到熔化和在較低溫度（dù）眾多的（de）再加熱周期過（guò）程，這種複雜的熱行為導致（zhì）了複雜相（xiàng）變和微觀結構（gòu）的變化。因此，控製成（chéng）形零件所需要的成分和結構存在較大的難（nán）度。另（lìng）一方麵，采用細小的激光束快速形成熔池導致較高的凝固速（sù）率和熔體（tǐ）的不穩定性。由於零件凝固成形過程中熱量的瞬態變化，容易產生複雜的殘餘應力。殘餘應力的存在必然導致變形的產生，甚至在LMD成形件中（zhōng）產生裂紋（wén）。成分、微觀結（jié）構的不可控性及殘餘應力的形成（chéng）是（shì）LMD技術麵臨的主要困境。

激（jī）光熔覆式快速成型技術的優勢（shì） 

DMD／LENS的實質是計（jì）算機控（kòng）製下金屬熔體的三維堆積成形。與（yǔ）DMLS和SLM／SLRM不（bú）同的是（shì），金（jīn）屬粉末在噴嘴中即已處於加熱熔融（róng）狀態，故其特別適於（yú）高熔點金屬的激光快（kuài）速成形。事實（shí）上，美國Sandia國家實驗室在美國能源部資助下（xià），在LENS開發初期，就（jiù）將其定位於直接精密製造航空航天、軍事（shì）裝備領域的複雜形狀高熔（róng）點金屬零部件（jiàn）；並以此為（wéi）基礎，將成形材料體係（xì）拓（tuò）展為工具鋼，不鏽鋼，鈦合金，鎳基高溫合金等。美國Sandia國家實驗室開展的複雜零件LENS成形研究（jiū）工作，成形（xíng）零件（jiàn）綜合機械性（xìng）能接近甚至優於傳統（tǒng）工藝製備的相關零件；但限於國防（fáng）安全保密，目前相關技術細節很少有公開（kāi）報道。特別需要說明的是，通過調節送粉裝置、逐漸改變粉末成分，可在（zài）同一零件的不同位置（zhì）實現材料成分的連續變（biàn）化（huà），因此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（zhǒng）金屬3D打印技術

送絲式激光熔覆式快（kuài）速成型技（jì）術 

由於粉末激光增（zēng）材製造中不可避免的缺陷，比如（rú）粉末的（de）利用率很低（20～30％），粉末的汙染問題，粉（fěn）末相對（duì）昂貴的價格等。而送絲式激光增材（cái）製造不僅材料利用率很高（幾（jǐ）乎100％），沒有粉塵汙染，對設備的要求比較低，更加具（jù）有經濟性。因此，近些年來，一些機構已經開始將目光轉移（yí）到送絲的（de）增材製造（zào）技術研究上來。目前，應用最多的還是采（cǎi）用TIG電弧熔絲的方式，而用激光（guāng）的很（hěn）少。綜上所述，目前國外關於送絲式的激光增材製造研（yán）究比較少，而（ér）采用（yòng）TIG電弧（hú）熔絲的方（fāng）式研究較多，國內在這方麵的研究還未有（yǒu）報道。一（yī）般的，采（cǎi）用（yòng）TIG電弧熔絲（sī）方法製備的抗拉強度（dù）和屈服強度（dù）低於激光增材製造（zào）技術，而延（yán）伸率要比激光的（de）要高。組織上，TIG電弧熔絲方法（fǎ）製（zhì）備的鈦合金主要以網（wǎng）籃組織為（wéi）主（zhǔ），而激光增材製造的以魏氏組織為（wéi）主，這是由於兩種方（fāng）式（shì）不同的（de）能量特（tè）點和輸入造成的。

送粉（fěn）式與送絲式激光熔覆式快速成型技術對比

送（sòng）粉式在（zài）工藝窗（chuāng）口和內部缺陷等（děng）方麵均優於送絲式，送粉式的激光（guāng）增（zēng）材製造大大（dà）減（jiǎn）少了所（suǒ）需的激光功率閾值。采用送絲式時隨著增大（dà）激光功（gōng）率，沉積層的高度呈線性下降，影響（xiǎng）成形效率，此時必須加大送絲速度，但送絲速度的（de）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、送絲速度、掃描速度這三者之間的參數匹配很重要。而送粉式在增大功率時，高度基本不變。  尺寸精度方麵，送粉式在厚度方向除了底部較窄外，其他地（dì）方厚（hòu）薄均勻，側壁非常平直（zhí）；長（zhǎng）度方向上，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（ér）容易出現絲和光的微小偏離，從（cóng）而使（shǐ）側壁（bì）成形不是很平直，出現了彎曲；在長度（dù）方向上，在激光開始和結束的地方，出現了沉積（jī）層的傾斜（xié）與下淌，這是由於激光功率較送粉的大，同（tóng）時由於激光停止出光前就先（xiān）停止送絲，因而在（zài）收尾（wěi）處激光單純的作（zuò）用在沉積層上，造成沉積層（céng）熔池的下淌（tǎng）。  綜上所述，在工藝窗口、內部缺陷、尺寸精度和表麵精度方麵，送粉式的要優（yōu）於（yú）送絲式的；在效（xiào）率和經濟性方麵，送絲式具有突出性（xìng）的優勢。

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