3D打印（yìn）技術正在快速改變傳統的生產方式和生活方式（shì），作為戰略性（xìng）新興產業，美（měi）國、德國等發達國家高度重視並積極推廣該技術。當然我國的3D打印技術也在不斷的（de）發（fā）展，在2017年的達沃斯論壇中國國家主席就（jiù）在發表題為（wéi）《共（gòng）擔時代責任 共促（cù）全球發展》的主旨演講中就提到3D打印、人工智能等新技術不斷湧現，但尚未形成新的（de）經濟增（zēng）長點。不少專家認為，以數字化、網（wǎng）絡化、個性化、定（dìng）製化為特點（diǎn）的3D打（dǎ）印技術為（wéi）代表的新製造技（jì）術將推動第（dì）三次工業革（gé）命。金屬零件3D打（dǎ）印技術（shù）作（zuò）為整個3D打印體係中最為前沿和最有潛力的技（jì）術，是先進製造技術的重要發展方（fāng）向。隨著科技發展及（jí）推廣（guǎng）應用（yòng）的需求，利用快（kuài）速成（chéng）型直接製造金屬（shǔ）功能（néng）零件成為了快速成型主要的（de）發展方向。目前（qián）可用於直接製（zhì）造金屬功（gōng）能（néng）零件的（de）快速成型方法（fǎ）主要（yào）有：包（bāo）括（kuò）選區激光燒結（Selective Laser Sintering， SLS）技術（shù）、直接金屬粉末激光燒結（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、選區激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技（jì）術、激光近淨成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術和電子束選區熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術等。

 

國外對（duì）金屬零件3D打印技術的理論與工藝研究相對較早。雖然我國（guó）在技術上落後於這些歐美大國，但是經過（guò）這些年國內的技術（shù）的不斷積累，一些（xiē）廠家也（yě）都推出了自己的商品（pǐn）化的（de）金屬3D打印機，接下來小編就（jiù）直接（jiē）製造金屬功能（néng）零件的快（kuài）速成型的（de）主要方法進行了歸納總結。

選區激光燒結（SLS） 

選擇性激光燒結技術（SLS）最初是（shì）由（yóu）美國德克薩斯大學奧斯汀分（fèn）校的Carl Deckard於1989年在其碩士（shì）論文中提出的， 選區激光燒結，顧（gù）名思義，所采用的冶金機製為液相燒結機製，成形過程中（zhōng）粉體材料（liào）發生部分熔化，粉體顆粒（lì）保留其固相核心，並通過後續的固相顆粒重排、液相（xiàng）凝（níng）固（gù）粘接（jiē）實現粉體致密化。美國DTM公司於1992年推出了該工藝（yì）的商業化生產設備SinterSation。德國的（de）EOS公（gōng）司在（zài）這一領域也做了很多研究工作，並開發了相應的係列成型設備。國內有（yǒu）如華（huá）中科技（jì）大（dà）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（zì）動成型有限公司等，多（duō）家單位進（jìn）行（háng）SLS的相關研究（jiū）工（gōng）作，也取得了重大成果。 

SLS 技術原理及（jí）其特（tè）點 

整個工（gōng）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（gēn）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（dì）燒結固體粉末材料（liào）以（yǐ）形（xíng）成零件的一個（gè）層麵。完成一層後，工（gōng）作活塞下（xià）降一個層厚，鋪粉係統鋪（pù）上新粉，控製激光束再掃描燒結新（xīn）層。如此循環往複，層層疊加，直到三維零件成型（xíng）。

 

SLS工藝采用半固態（tài）液（yè）相燒結機製，粉（fěn）體未發生完全熔化，雖可在一定程度上降低成形材料積聚的熱應力，但成形（xíng）件中含（hán）有未熔固相顆粒，直接導致孔隙率高、致密度低、拉伸強（qiáng）度（dù）差、表麵粗糙度高等工藝缺陷，在（zài）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（cái）料流動性差，將出現 SLS 快速成形工藝特有的冶金缺陷——“球化”效應。球化現（xiàn）象不僅會增（zēng）加成形件表麵粗糙度，更會導致鋪粉裝置難以在已燒結（jié）層表麵（miàn）均（jun1）勻鋪粉後續粉層，從而阻礙SLS 過程順利（lì）開展。

由於燒結好的零（líng）件強度（dù）較（jiào）低，需要經過後處理才能達到較高的（de）強度並且製（zhì）造的三（sān）維零件普遍存在（zài）強度不高、精度較低及表麵質量較差等問題。在SLS出現初期，相對於其他發（fā）展比較（jiào）成熟的快速成型方法，選擇性激光燒結具有成型材料選擇範圍廣，成型工藝比較簡單（無需支（zhī）撐）等優點。但由於成型過程中的能量來源為激光，激（jī）光器（qì）的（de）應用使其成型設（shè）備的成本較高，隨著（zhe）2000 年之後激光快速成形（xíng）設備的（de）長（zhǎng）足進步（表現為先進（jìn）高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提（tí）高等），粉體完全（quán）熔化的冶金機製被用於金屬構件的激光快速成形。選擇性激光燒（shāo）結技術（SLS）已被類似更為先進的技術代替（tì）。 

直接金屬激光成形（DMLS）

SLS製造金屬零部件，通常有兩種（zhǒng）方法，其一為間接法，即（jí）聚合物覆（fù）膜金屬粉末的SLS；其二為直接法，即（jí）直接金（jīn）屬粉末激光燒（shāo）結（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自從（cóng）1991年金屬粉末直接激光燒結研究在（zài）Leuvne的Chatofci大（dà）學（xué）開展以來，利用（yòng）SLS工藝（yì）直接燒結金屬粉末成形三維零部件（jiàn）是快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。  

 

直接金屬粉末激光燒結（DMLS）的特點（diǎn）  

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（yǒu）較大難度，歸根結底，主要是由於（yú）金屬（shǔ）粉末在（zài）DMLS中的“球（qiú）化（huà）”效應和燒結變形，球化現象，是為使熔化的金（jīn）屬液表麵與周邊介（jiè）質表麵構成的體係具有最小自由能，在液態金屬與周邊（biān）介質的界麵張力作用下，金屬液表（biǎo）麵形（xíng）狀向球（qiú）形表麵轉變的一種現象．球化會使金屬粉末熔化後無法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（shī）敗，由於單（dān）組元金（jīn）屬粉末在液相燒結階段的粘度相對較高，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（zhōng），因此，單組元金屬（shǔ）粉末的DMLS具有明顯的工藝（yì）缺陷，往往需要後續（xù）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（qiú）化”現象，以及由此造成的燒結變形、密度疏鬆（sōng）等工藝缺陷，目前一般可以通過使用熔點不同的多（duō）組元金屬粉末或使用預合金粉（fěn）末來實現。多組分金屬（shǔ）粉末體係（xì）一般由高熔（róng）點金屬、低熔點金屬及（jí）某些添加元素混（hún）合而成，其中高熔點金（jīn）屬粉末作為（wéi）骨架金屬，能在 DMLS 中（zhōng）保留其固相（xiàng）核心；低熔點金屬粉（fěn）末作為粘結金（jīn）屬，在 DMLS 中熔化形（xíng）成液相，生成的液相包覆、潤濕和粘結固相金屬（shǔ）顆粒，以此實現燒結致密化。  

直接金（jīn）屬（shǔ）粉末（mò）激光燒結（DMLS）的問（wèn）題  

作為（wéi）SLS技術的一個重要分支的DMLS技術尚（shàng）處在不斷發展和完善的過程之中，其燒結的物理過程（chéng）及燒結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需摸索，專用粉末的研製與開發還有待突破（pò）。因此，建（jiàn）立金屬粉末直接激光燒結過程的數（shù）學（xué）、物理模（mó）型，定量研（yán）究DMLS燒結致密化過程中的燒（shāo）結行為和組織結構變化，成為粉末冶（yě）金科（kē）學與工程研究中（zhōng）的重要內（nèi）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（jiàn）下，不同的粉末體係的燒結效果往往有很大的區別。把握粉末體係的物性，為其選擇最優化的工藝（yì）參數，是DMLS的最基本、最重要的要（yào）求。大量研究表明，影響DMLS質量的（de）三個關鍵物（wù）性參數主要為：燒結特性、攤鋪特性和穩定性。

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選（xuǎn）區激光熔化（SLM） 

SLM 的思想最初（chū）由德國Fraunhofer研（yán）究所於1995年提出，2002年該研究所對（duì）SLM 技術的研究取得巨大的成功。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（chū）。為獲取全致密的激光成形（xíng）件，同時也受益於2000年之後激光快（kuài）速成形設備的（de）長（zhǎng）足進步（表現（xiàn）為先進高能（néng）光纖激光器的使用、鋪粉精度（dù）的提高等），粉體完全熔化的冶（yě）金機製被用於（yú）金屬構件的激光快速（sù）成形。例如，德國著名的快速成形公司EOS公司，是世界上較早開展金屬粉末（mò）激光燒結的專業化公司，主要從事SLS金屬粉末、工藝及設備（bèi）研發。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，但已裝配200W光纖激光器，並采用完全熔化的冶金機製成形金屬構件，成形性能得以顯著提高。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“選區激光（guāng）燒結”（SLS）這一表述（shù），實際（jì）所采用的成形（xíng）機製（zhì）已轉變為粉體完全熔化機製。 

選區激光熔化的（de）原理  

SLM技術（shù）是在SLS基礎上發（fā）展起來的，二者的基本原理類（lèi）似。SLM技術需要使金屬（shǔ）粉末完全熔化，直（zhí）接成型（xíng）金屬件，因此需要高功率密度（dù）激光器激（jī）光束開始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平（píng）鋪到加工室的基板上，然後激光（guāng）束將按當前層的輪（lún）廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層的（de）輪廓，然後可升降係統下（xià）降一（yī）個圖層厚度的（de）距（jù）離，滾動鋪粉輥再在已加（jiā）工好（hǎo）的當前層上（shàng）鋪金屬粉末，設備調入下一圖層進行（háng）加工，如此層層加工，直到整個零件加工（gōng）完畢。整個加工過程在抽真空或通有氣體保護的加工室中（zhōng）進行，以避免（miǎn）金屬在高溫下與其他氣體發生反應。SLM與DMLS的界限目（mù）前很模糊，區別不明（míng）顯， DMLS技術雖翻譯為（wéi）金（jīn）屬的燒結（jié），實際（jì）成型過程中多數時候已將金屬粉末完全熔化。DMLS技（jì）術使用材料都為（wéi）不同（tóng）金屬組成的混合物，各成分在燒結（熔化）過程（chéng）中相互補償（cháng），有利於保（bǎo）證製作精度。而SLM技術使用（yòng）材料主（zhǔ）要為單一組分的粉末，激光束快速熔化金屬（shǔ）粉末並獲得連續的掃描線。  

 

選區激光熔化技術的（de）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成形工藝尚需（xū）優化、成形性（xìng）能尚需進一步提（tí）高（gāo）；對（duì）SLM成形性能（特別（bié）是占基礎地位的致（zhì）密度），目前（qián）SLM成形的鋼構件通常難以實現全致（zhì）密。解決鋼材料SLM成形的致密（mì）化問題，是快速成形研究（jiū）的關鍵性瓶頸問題。鋼材料激光（guāng）成形的難度，主要取決於鋼中主要元素的化學特性。基體元素Fe及合金（jīn）元素Cr對氧都具（jù）有很強的親和性，在常規粉末處（chù）理和激光（guāng）成形條件（jiàn）下很難徹底避免氧化現象。因此，在（zài）SLM過程中，鋼熔體表麵氧化物（wù）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應及（jí）凝固微裂紋，從而顯著降低激光成形致密（mì）度及相應的機械性能。另（lìng）一方麵，鋼中C含量是決定激光成形性能的又一個關鍵因（yīn）素。通常，過高的C含量將對激（jī）光成形性產（chǎn）生不利，隨C含量升高（gāo），熔體表麵C元素層（céng）的厚度亦會增（zēng）加。這與氧化層的不利（lì）影響類似，也會降低潤（rùn）濕性，導致熔體鋪展性降低，並引起（qǐ）球化效應。此外，在晶界上（shàng）形（xíng）成的（de）複雜碳化物會增（zēng）大鋼材料激光成形件的脆性。因此，通常對鋼材料SLM成形，需提高激光能量密度及SLM成形溫度，可促進碳化物的溶（róng）解（jiě），也可使合金元素均勻（yún）化。

通過粉體材（cái）料及SLM工藝優化，包（bāo）括：

1，嚴格（gé）控製原始粉體材料及激光成形係統中的氧含量以改（gǎi）善潤濕性；

2，合理調控（kòng）輸入激（jī）光能量密（mì）度以獲取（qǔ）適宜的液相粘度及其流變特性，可有效抑製球（qiú）化效應及微裂紋形成，進而（ér）獲取近全（quán）致密結構。

對（duì）於以（yǐ）Al合金為代（dài）表的輕合金零件激光快速成形，先前絕大多數研究報道是基（jī）於SLS半固態燒結成形機（jī）製，但因嚴重的球化效應及孔隙缺陷，故研究（jiū）進展不大；而SLM技術可望為高性（xìng）能複（fù）雜（zá）結構（gòu）Al合金零件（jiàn）近淨成形與快速製造提供嶄新的技術途徑。Al基合（hé）金零件SLM成形具有高難度（dù），是由材料自身特殊物理特性（xìng）本質所決定的。一方麵，，通常低功率CO2激（jī）光難以使Al合金粉體發生有效熔化，而（ér）要求使用能量密（mì）度更高的光纖（xiān）或Nd：YAG激光，這（zhè）無疑對激光器性能提出了更苛刻的要求（qiú）。另一方麵，Al合（hé）金材料熱導率高，SLM成形過（guò）程中激光能（néng）量輸入極易沿基板或在粉床中傳遞消耗，導（dǎo）致激光熔池（chí）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料，導致SLM成形球化效應及內部孔隙、裂紋等缺陷。其三，從成（chéng）形工藝角度，Al合金材料密（mì）度較低，粉體流動性差。 

需指出的是，基於SLM／SLRM成形機製，雖能在（zài）一定程度上改（gǎi）善激光成形件的致密（mì）度和表麵光潔度，但因成形過程中粉末發生完全熔化／凝固，故在固液（yè）轉變過程中（zhōng）將出現明顯的收縮變形，致（zhì）使成形件中（zhōng）積聚較大的熱應力，並將在冷卻過程中得以釋放，使得成（chéng）形件發生變形、甚至開裂。由於激光選區熔化（huà）成形技（jì）術成形（xíng）粉末需求量（liàng）大，需（xū）要在整個（gè）成形（xíng）平麵（miàn）鋪設金屬粉末，因而不適宜成形貴重的（de）金屬；整個成形平（píng）台較大，惰性氣體（tǐ）保護效果較差，因而也不適宜成形易氧化的金屬粉末。

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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（dàn）因為采用了較高的激光能量密度和更細小的（de）光斑直（zhí）徑，成型件的力（lì）學（xué）性能、尺寸精度等均較好，隻需簡單後處理即可投入使用，並且成型所（suǒ）用原材料無需（xū）特別配製。選區激（jī）光熔化（huà）技術的優點可歸納如下：

1．直接製造金屬功能件件，無需中（zhōng）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（hé）較好表麵粗糙度（dù）的功能件；

3．金屬粉末完全熔化，所直接製造的金屬功（gōng）能件具有冶金結合組（zǔ）織，致密（mì）度（dù）較高，具 有較好的力學性能，無需後處理；

4．粉末材料可為（wéi）單一（yī）材（cái）料也可為多組元材（cái）料，原材料無需特別配製；

5．可直接製造出複雜幾何形狀的功能件；

6．特別適合於單件（jiàn）或（huò）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（xìng）能較差；電子束熔融成型（xíng）和激（jī）光熔覆（fù）製造難（nán）以獲得較高尺寸精（jīng）度的零件；相比之下（xià），選區激光熔化成型技術可以獲得冶金結合、致密組織、高尺寸精（jīng）度和（hé）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（zhǎn）趨勢。  

選區激光熔化技（jì）術的研究展望  

（1）實現激光快速（sù）成形專用金屬粉體材（cái）料係列化與專業化。重視粉體（tǐ）材料對改善激光快速成形性（xìng）能的物質基礎作用，深入定量研究適於選區激光（guāng）熔（róng）化成形（xíng）工藝的粉體（tǐ）化學成分、物性指標、製備技（jì）術及表征方法，實（shí）現激光快速成形專用金屬及合金粉體材（cái）料的專業化和係（xì）列化。  

（2）深入定量研究金屬及合金粉體（tǐ）激光成形冶（yě）金本質及其（qí）機理。緊扣金屬及合金粉體激光快速（sù）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（rè）傳質機製、超高溫度梯（tī）度下金屬熔體快速凝固及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程及各類型內應力演變等冶金、物理、化學及熱力耦合問題，為改善金屬及合金粉體（tǐ）激光快速成形組織和性能提供科學理論基礎。  

（3）高（gāo）性能複雜結構金屬及合金零件激光控形控性淨（jìng）形製造。以激光（guāng）快速成形專用高流動性（xìng）金屬粉體（tǐ）設計製備為物質基礎，以激光非平衡熔池冶（yě）金熱力學和動力學行為、激光（guāng）成（chéng）形（xíng）顯（xiǎn）微（wēi）組織（zhī）調控機製、激光成形件內應力演化規律多尺度預測為理論（lùn）基礎，通過粉體（tǐ）設計製備—零件結（jié）構設計—SLM成形工藝—組織及性能評價的一體（tǐ）化研究，麵向航空航天、生物醫藥、模具製造等領域（yù）應用需求，實現高性（xìng）能複雜結構金屬及合金關（guān）鍵零件激（jī）光控形控性直接（jiē）精密（mì）淨成（chéng）形（xíng）製造。對於金屬零件選區激光熔（róng）化快速成形的材料、工藝及理論的研究，尚有很多方麵未獲得（dé）本質突破。對於該領域諸多新材料、新工藝、新（xīn）現象及新理論的深入研究（jiū）與發掘，是（shì）實現激光快速成形技術走向工程應用的基礎（chǔ）。 

選區激（jī）光熔化技術的研究工（gōng）作（zuò） 

大量學者和研究團隊對選區激光熔化技術進行了大量的工（gōng）作。RehmeO等對選區激光熔化成型過程的重要參數進行（háng）分析並歸類，研究了掃描線長度、掃描間距、層厚、成型方向等（děng）參（cān）數對零件（jiàn）的致密度和殘餘應（yīng）力（lì）的影響。KozoOsakada等研究了鎳（niè）基合金、鐵基合金和純（chún）鈦材料的選區激光熔化（huà）成型（xíng）特性，分析成型件的熱應力分（fèn）布，通過掃描策略和預熱等方法減小熱應力，並直接製造出致（zhì）密度90％以上的金（jīn）屬模（mó）具。J．P．Kruth等利用（yòng）Rayleigh不穩定性原理解釋（shì）鐵基合金的球化（huà）現象，並提出利用掃描策略和控製氧含量的方法消除球化，同時研究不同的（de）元素（sù）會對激光（guāng）吸收率、熱傳導性、熔液的潤濕及（jí）鋪展（zhǎn）性、氧含量以及Rayleigh不穩定性等的影響。I．Shishkovsky等對鋁鋯陶瓷材料的選區激光熔化成型（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（chéng）型的零（líng）件是具有致密組織結構和（hé）規則穩定相分布的。

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M．Badrossamay等對不鏽鋼和工具鋼（gāng）進（jìn）行了研究，研（yán）究了掃描策略、激光功率等參數對成型質（zhì）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，並且成型質量和掃描速度之間（jiān）不是呈線性關係，由此推（tuī）測掃描速度對粉床熱量的損失量有影（yǐng）響。I．Yadroitsev等采用不鏽鋼等原材料對選（xuǎn）區激光熔（róng）化成（chéng）型工藝開展了很多工作，研究了（le）掃描策略對致密度的影響、掃（sǎo）描角度對力學性（xìng）能的（de）影響，采用“填充後再填充的掃描策略”可獲得高致密度成型件，同時發現掃描傾斜角度對成型件（jiàn）的屈服（fú）強度和（hé）抗拉強（qiáng）度影響不大；另外，通過工藝（yì）實驗，采用優化工藝參數成型出厚度為140μm的連（lián）續薄壁。Gusarov等利用（yòng）熱力學分析選區激光熔化成型過（guò）程（chéng）的熔池穩定性，采用Rayleigh不穩定性原理解釋（shì）高（gāo）掃描速度下的（de）球化現象，並（bìng）提出適合（hé）連續熔池的較優熔池（chí）形（xíng）狀，即減小（xiǎo）熔（róng）池長寬比（bǐ）並增加熔池與基（jī）板的接觸線寬度。

KamranAamirMumtaz等研究（jiū）了鎳合金的單道熔池，分（fèn）析掃描策略對致（zhì）密（mì）度的影響，並提出改善表麵質量的方法，即（jí）采用“填充後再填充的（de）掃描策（cè）略”可防止因相鄰熔池搭接而導致熱變形，同時成型出致密（mì）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（xíng）功能性材料進行了初步探（tàn）索，並取得一（yī）些成果，如：Julio等采用選區激光熔（róng）化（huà）直接製造出具有散熱功能管（guǎn）材料；Rehme等采用選區激光熔化直接製造出具有胞元結構的多孔醫用植入體材料，而McKown等則直接製造（zào）出網格狀材料；Yadroitsev等（děng）則研究了選區（qū）激光熔化直接製造具有微孔結構的過濾材料零件（jiàn）。

國內（nèi）對選區（qū）激光（guāng）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（yán）究單位有：華南理工大學、華中科（kē）技大學、南（nán）京航空航天大（dà）學、上海交通大（dà）學等高校以（yǐ）及其（qí）他一些科研單位。其中華南理工（gōng）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驗，研究了激光功率、掃描速度、掃（sǎo）描（miáo）間距、掃描（miáo）策略等對致密度、尺寸精度（dù）、內部組織等的影響；華中科技大學也對不鏽鋼的（de）成型（xíng）工藝（yì）進行了一些探討，采用正交實（shí）驗方法優化工藝參數；南京航空航天大學除了對一些常用材料進行研究外，還采用選區（qū）激光熔化直接製造複合材料（liào）功能件；上海交通大學采用316L不鏽鋼研究了選區激光熔化成型件（jiàn）的表麵質量和內部微觀組織，並得到高致密度的功（gōng）能件。

電子束熔化（EBM）

1994年瑞典 ARCAM 公司（sī）申請的一份專利，所開發的技術稱為（wéi）電子束熔化成形技術（Electron Beam Melting），ARCAM公司也是世界上第一家將電子束快速製造商業化的公司，並於2003 年推出（chū）第（dì）一代設備，此後美國（guó）麻省理工學院、美國航空航（háng）天局、北京航空製造（zào）工程研究（jiū）所（suǒ）和我國清華大學均開發出了各自的基於電子束（shù）的快速製造係統。美國麻省理工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（sī）方式供（gòng）給成形材（cái）料前兩（liǎng）種利用電子束熔化金屬絲材，電子束固（gù）定不動，金屬絲材通過送絲（sī）裝置和工作台移（yí）動，與激光近形製造技術類似，電子束熔絲沉積快速製造時，影響因（yīn）素較多，如電子束流、加速電壓、聚焦（jiāo）電流、偏擺掃描（miáo）、工作距離、工（gōng）件運動速度、送絲速度、送絲方位、送絲（sī）角度（dù）、絲端距工件的高度、絲材伸出長度等。這些因素共同作用影響熔積體截（jié）麵幾何參量，確區（qū）分單一因素的作（zuò）用十分困難；瑞典 ARCAM 公司與清華大學電子束開發的選區熔（róng）化（EBSM）利用電子束熔化鋪在工作台麵上（shàng）的金屬粉末，與激光選區熔化技術類似（sì），利用電子束實時偏轉實現熔化成（chéng）形，該技術不（bú）需要二維運動部件，可以實（shí）現金屬粉末的快速掃描成形（xíng）。

 

電（diàn）子束選區熔化（EBSM）原理

類似激光選區燒結和激光選區熔化工藝，電子束選區熔化技（jì）術（EBSM）是一（yī）種采用高能（néng）高速的電子束選擇性（xìng）地轟擊金屬粉末，從而使得（dé）粉末（mò）材料熔化成形的（de）快速製造技術。EBSM技術（shù）的工藝過程為：先在鋪粉平（píng）麵上鋪展一層粉末；然（rán）後，電子束在計算機（jī）的控製下按（àn）照截麵（miàn）輪廓的信息進行有選擇的熔化，金（jīn）屬粉末在電子束的轟擊下被熔化在一起，並與下麵已成形的部分（fèn）粘接，層層堆積（jī），直至整個零件全部熔化完成；最後（hòu），去除多餘的粉末便得（dé）到所需的三維產品。上位機的實時掃描信號（hào）經（jīng）數（shù）模轉換及功率放大後傳遞給偏（piān）轉線圈，電子束在對應的偏（piān）轉電壓產生（shēng）的磁場作用下偏轉，達到選擇性熔化。經過十幾（jǐ）年的研究發現對（duì）於一些工藝參數如電子束電流、聚焦電流、作用時間、粉末厚度、加速電壓、掃（sǎo）描方式進行正交實驗。作用時間對成型（xíng）影響最大。 

電子束選區熔（róng）化的優勢

電子束直接金屬成形技術采（cǎi）用高能電子（zǐ）束（shù）作為加工熱源，掃（sǎo）描成形可通過操（cāo）縱磁偏轉線圈進行，沒有機械慣性，且電（diàn）子束具有的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。  電子束與激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料（liào）吸收率高、穩定及運行維護成本低等（děng）優點。EBM技術優點是成型（xíng）過程效率高，零件變形小，成型過程不（bú）需要金屬支撐，微觀組織更致密等  電子束的偏轉聚焦控（kòng）製更加快速、靈敏。激光的偏轉需要使用振鏡（jìng），在激光進行高速掃描時振鏡的轉速很高。在激光功率較（jiào）大時，振鏡需要更複雜（zá）的冷卻係統，而振鏡的重量（liàng）也（yě）顯著增加。因而在使用較大功率掃描時，激光的（de）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（yě）很難快速的（de）改變。電子束的偏轉和聚焦利（lì）用磁場完成，可以通過改變電信號的強度和方向快速靈敏的控製電子束的偏轉量和聚焦（jiāo）長度（dù）。電子束（shù）偏轉聚焦係統不會被金屬（shǔ）蒸鍍幹擾。用激光和（hé）電子束（shù）熔化金屬的時（shí）候，金屬蒸汽（qì）會彌散在整個成形空間，並（bìng）在接觸的任（rèn）何物體表麵鍍上金屬薄膜。電子束偏轉聚焦都是在磁場（chǎng）中完成，因而不會受到金屬蒸鍍的影響（xiǎng）；激光器振鏡等光學器件則容易受到蒸鍍汙染。

 

電子（zǐ）束選區熔化的（de）主要問題

真（zhēn）空室抽氣過程中粉末容易被氣流帶走，造成真空係統的汙染；但其存（cún）在一個比較特殊（shū）的問（wèn）題即粉末潰散現象，其原因是電子束具有較大動能，當高速轟擊金屬原子使之（zhī）加熱、升溫時，電（diàn）子的部分動能也直接轉（zhuǎn）化為（wéi）粉末（mò）微粒的動能。當粉末流動性較好時（shí），粉末顆粒會被電子束推開（kāi）形成（chéng）潰散現象。防止炊（chuī）粉的基本原則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（mò）的流動性，對粉（fěn）末進行預熱，對成型底板進行預熱，優化電子束掃（sǎo）描方式。因此，粉末材料一直很難成為真（zhēn）空電子束設備的加工對象，工藝參數（shù）方麵的研究更是鮮有報（bào）導。針對粉末在電子束（shù）作用下容易潰散的現象，提不同粉末（mò）體（tǐ）係所能承受的電子束域值電流（潰散電流（liú））和電子束掃描（miáo）域值速度（潰散（sàn）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（cái）能保證設備（bèi）正常工作，這使得（dé）EBM技術整機複雜（zá）度提高（gāo）。還因在真空度下粉末容易揚起而造（zào）成係統汙染。此外，EBM技術需要將係統預熱到800℃以上，使得粉末在成型室（shì）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非常高的要求，加工結束（shù）後零件需要在真空成型（xíng）室（shì）中冷卻相當長一段時間，降低了（le）零件的生產效率。 

電子束無法比較難像激光束一樣聚焦出細微的光斑因（yīn）此成型件難以達到較高的尺（chǐ）寸精度。因此（cǐ），對於精（jīng）密或有細微結（jié）構（gòu）的功能件，電子束選區熔化成型技術是難以直接製造出（chū）來的。  電子束偏轉誤差。EBSM係統采用磁偏轉線圈產生磁場（chǎng），使電子偏轉。由於偏轉的非（fēi）線性以及（jí）磁（cí）場的非均勻性，電子束在大範圍掃描時會出現枕形失真。大偏角時的散焦。EBSM係統采（cǎi）用聚焦線圈使電子束聚焦。若聚（jù）焦線圈中的（de）電流（liú）恒定，電子束（shù）的聚焦麵為球麵，而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。  

國內（nèi）外研究狀況（kuàng） 

從 2003 年推出第（dì）一台設備 S12 至今，ARCAM 推出了三款成形（xíng）設備。在新一代成形設備 A1、A2成形設備中，成形零件的最大尺寸和（hé）精度都（dōu）有較大的提高，並且在成形零件的冷卻中實現了自動（dòng）冷卻。在成形和（hé）冷卻的過程（chéng）中在真空室充入一定壓（yā）強的氦氣，可以加速（sù）成形後的冷卻速率（lǜ），同時保持更低（dī）的氧含量。A1、A2 設備的應用領域（yù）也更加明確（què），A1 主要用來成形骨骼植入物，成形材（cái）料也主要為鈦、鈷合金；A2 主要用於（yú）成形航（háng）天（tiān）航空（kōng）領域和國防領域需要的零件，也製（zhì）作其（qí）它領域成形複雜度高的（de）小批量金屬件。ARCAM 采用最新生產的 A1 和 A2 設備，生產了大量精度和強度更加優良的零件，其中利（lì）用 A1 生產的合金骨（gǔ）骼（gé）早已（yǐ）通過了 CE 認證，迄今（jīn）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。利用 A2 生產的航空（kōng）和國防領域的產品也取得了顯（xiǎn）著的（de）成果，除了具有以上（shàng）所說（shuō）的表麵光滑，可加工複雜形狀，還將原材料到最終產品（pǐn）質量的比率（lǜ）由 15～20 降到了約為 1，大大的降低了成（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（háng）天鈦合金、鋁合金結構開展（zhǎn）了大（dà）量研究，最大（dà）成型速度達到（dào）了 3500cm3／h，較之其它的金屬（shǔ）快速成型技術，效率提（tí）高了數十倍。利用該項（xiàng）技術完成了F－22 上鈦合金支座的直接製造，該零件成功通過（guò）了（le）兩（liǎng）個周期的最大載（zǎi）荷全譜疲勞測試，並未發現永久變形。在國內清華大（dà）學機械係獨立的開發了（le）電子束選區熔化設備，在 2004 年推出第（dì）一台電子束選區熔（róng）化成形設備 EBSM150，並於 2008 年升級到第二代（dài）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備，對電子束選區熔（róng）化工藝的多個關鍵問題進行了深入的研究，在（zài）近十年的時間內，做了大量研發工作，包括成形（xíng）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（xiè）性能等。 

激光熔覆式成型技術（LMD）

激光熔化沉積（jī）（Laser  Metal  Deposition，LMD）於上世紀（jì）90年代由美（měi）國Sandia國家實驗室首（shǒu）次提（tí）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是分別獨立進行研究的，因此（cǐ）這一技術的名稱繁（fán）多。例如，美（měi）國Sandia國家（jiā）實驗室的激光（guāng）近淨成形技術LENS（LaserEngineeredNetShaping），美國Michigan大學的直（zhí）接金屬沉（chén）積（jī）DMD（DirectMetalDeposition），英國伯明（míng）翰大學（xué）的直接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西北工業大學的激光快（kuài）速成形LRF（LaserRapidForming）等。雖然名字不盡（jìn）相同，但是他們的原理基本相同，成型過程中，通過噴嘴將粉末聚集到工作平麵上，同時激光束也聚集（jí）到該點（diǎn），將粉光作用點重合，通過工作台或噴嘴移動，獲得堆積的熔覆實體。

LENS技術使用（yòng）的是千（qiān）瓦級的激光器，由於采用的激光聚焦光斑較大，一般（bān）在1mm以上，雖然可以得到冶金結合的致密金（jīn）屬實體，但（dàn）其尺（chǐ）寸精度和表麵光潔度都不太好（hǎo），需（xū）進一步（bù）進行機加工後才能使用。激光（guāng）熔（róng）覆是一個複雜的（de）物理、化學冶金過程，熔覆過程中的（de）參數對熔覆件的質量有很（hěn）大的影響。激光熔覆（fù）中的過程參數主要有激光功率、光斑直徑（jìng）、離焦量、送粉速度、掃描速度、熔池溫（wēn）度等，他們的對熔覆層的稀（xī）釋率、裂紋、表麵粗糙度以及（jí）熔覆零件（jiàn）的致密性都有著很大影（yǐng）響（xiǎng）。同時，各（gè）參數（shù）之間也相（xiàng）互影響，是一個非常複（fù）雜的（de）過程。必須采用（yòng）合適的控製方法（fǎ）將各種影響因素控製在溶覆工（gōng）藝允許的範圍內。

詳解5種金屬（shǔ）3D打印技術

同軸送粉和側向送粉的（de）區別 

激光同（tóng）步熔覆金屬粉（fěn）末工藝中，常見的有同軸送粉和側向送（sòng）粉兩種方式，側向送粉方式設計簡單、便於調節，但也有很多（duō）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（gè）點的粉末運動方向與（yǔ）激光束掃描速度方向間的夾角不一致，導致（zhì）熔覆層各點的粉末堆積形狀發（fā）生變化，直接影響（xiǎng）熔覆層的表麵精度和均勻一致性，造成熔覆軌（guǐ）跡的粗（cū）糙（cāo）與熔覆厚度和寬（kuān）度的不均，很難保證最終零（líng）件的形狀和尺寸符合要求。其次，送粉位置與（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，激光束起不到粉末預熱和預熔化的作用，激（jī）光能量不能被充分利用，容易出現粘粉、欠熔覆、非冶金（jīn）結合等缺陷。還有，側向送粉方式隻適合（hé）於線性熔覆軌跡的場合，如隻沿（yán）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（hé）於（yú）製造一些壁厚零件，這是由於（yú）側（cè）向送粉噴嘴（zuǐ）噴出的粉末是發散（sàn）的，而（ér）不是（shì）匯聚（jù）的，不利於保證成型薄壁零件的精度。當粉末輸送方向與基材運動方向相同（tóng）與相反時的熔覆（fù）狀況，熔覆層形（xíng）狀明顯受粉末輸送方向與基材運動方向的影響。此（cǐ）外，如果粉末（mò）輸送方向（xiàng）與（yǔ）基材運動方向垂直，熔覆層形狀會與兩（liǎng）者方向平行時得到的形狀差別更大。因此，側向（xiàng）送粉具有明顯的方向性，熔覆層（céng）幾何形狀隨運動方向不（bú）同（tóng）而發生改變。  同軸送粉則克服了上述的缺（quē）點，激光束和噴嘴（zuǐ）中心線於同一軸線上，這樣盡管掃（sǎo）描速度方向發（fā）生變化，但是粉末流相對工件的空間（jiān）分布（bù）始（shǐ）終是一致的，能得到各向一致的熔覆層，還由於粉（fěn）末的進給和激光束是同（tóng）軸的，故能很好（hǎo）地適應掃描方向（xiàng）的變化，消除粉末輸送（sòng）方向對熔覆層形狀影響，確保製造零件（jiàn）的（de）精度，而且粉末（mò）噴（pēn）出後呈匯聚（jù）狀，因此可以製（zhì）造一些薄壁試（shì）件，解決了熔覆成型零件尺寸精度的問題，這在薄壁零件的（de）熔覆過程（chéng）中優勢非常明顯。由此可見，同軸送粉（fěn）方式有利於提高粉末流量和熔覆層形狀的穩定性與均勻性，從而改善金屬（shǔ）成型件的精度和質量。 

激光（guāng）熔覆式（shì）快速成型技術的發展 

美國對激光熔覆製造技術的研（yán）究起步較早（zǎo），在二十世紀八十年代即展開研究，至二十世紀九十年代末（mò）已建立起一係列的激光熔覆製造工藝並應用於模具等（děng）領域的功（gōng）能件（jiàn）直接（jiē）製造。國內對激光熔覆製造技術的研究較為成熟。如北京（jīng）有色金屬（shǔ）研究（jiū）院采用激光熔覆（fù）製造技術直接製造出組織致（zhì）密的663錫青銅合金零件，零件的力學性能（néng）滿足實際使（shǐ）用要求。西北工業大學在（zài）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（fā）出激光立體成（chéng）型係統，並針對鎳基高溫合金、不鏽鋼、鈦合金等材料的成型（xíng）工藝特（tè）性進行了大量的工藝實驗，獲得了具有複雜（zá）形狀的金屬功能件（jiàn）。與電子束選區熔化類似，激光熔覆（fù）製造技術可直接製造出組織致密、力學性能良好的金屬功能件，但是受到激光光斑大小和工（gōng）作台運動精度（dù）等因素的（de）限製，所直接製造的功能件的尺（chǐ）寸精度和表麵（miàn）粗糙度較差，往（wǎng）往需要後續的機加工才能滿足使（shǐ）用（yòng）要求。  而激光熔（róng）化沉積（jī）（LMD）的發展（zhǎn）稍微晚點，其中美國軍方對這一技（jì）術（shù）給予了大力的關注和（hé）支持（chí），在其支持下（xià），美國率先進行了該（gāi）技術實（shí）用化的研（yán）究。

1997年，美（měi）國MTS公司成立專（zhuān）門從事鈦合金飛機結構件激光熔（róng）化（huà）沉積技（jì）術開發應用的AeroMet公司，在（zài）美國空軍、陸軍及國防部有關研究（jiū）計劃支持下，進行激光熔化沉積鈦合金飛機結構件的研究；2000年（nián），完成了鈦合金飛機機翼的靜載強度測試試（shì）驗。2001年，其生產的（de）三個（gè）鈦合金次承力結構件獲準在（zài）飛機上使用，其性能超過了傳統的製造工藝，同時由於材料和切削加工的節省，其製造成本降低20～40％，生產周期也縮短80％。但（dàn）由於在鈦合金主承力（lì）結構件的疲（pí）勞性能（néng）未超過鍛件標準，最終未能實現該（gāi）技術（shù）在飛機大（dà）型構件上的應用，公司於2005年關（guān）閉。盡管如此（cǐ），具有低成本、短周期、高性能特點的激光增（zēng）材製造技術仍在美國的航空（kōng）航天、國防工業中發揮著重要的作（zuò）用。  

 

激光（guāng）熔覆（fù）式快（kuài）速成型技術（shù）的問題 

然而，由於LMD的層層添加性，沉積材料在不同的區（qū）域重複經曆（lì）著複雜的熱循環過程。LMD熱循環過（guò）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（fù）雜的熱行為導（dǎo）致了複（fù）雜相變（biàn）和（hé）微（wēi）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（de）難度。另一方麵，采用細小的激（jī）光束快速形（xíng）成熔池（chí）導致較高的凝固（gù）速率（lǜ）和熔體的不穩定性。由於零件凝固成（chéng）形（xíng）過程中熱（rè）量的瞬態變化，容易產生複雜的殘餘應（yīng）力。殘餘應力的存在必然導致變形的產生，甚至（zhì）在LMD成形件中產生裂（liè）紋。成分、微觀（guān）結構的不可（kě）控性及殘餘應力的形成是LMD技術麵臨的主要困境。

激光熔（róng）覆（fù）式快速成型技（jì）術的（de）優（yōu）勢 

DMD／LENS的（de）實質（zhì）是計算機控製下金屬熔體（tǐ）的三（sān）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（jiā）熱熔融狀態，故其特別適（shì）於高熔點金屬的（de）激光快速成形。事實上，美國Sandia國家實驗室在美國能源部資助（zhù）下，在LENS開發初期，就將其定位於直接精密製造航空航天（tiān）、軍事裝備領域的複雜形狀高熔點金屬零部件（jiàn）；並以此為基（jī）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（hé）金等（děng）。美國Sandia國家實驗室開展的複雜零件LENS成形（xíng）研究工作，成形零（líng）件綜合機械性能接近甚（shèn）至優（yōu）於（yú）傳統工藝製備的相關零件（jiàn）；但限於國防安全保密，目前相關技術細節很少有公開報道。特別需要說明的是（shì），通過調節送粉裝置、逐漸改變（biàn）粉末成分，可在同一零件的不同位置實現材料成分的連續變化，因此LENS在加（jiā）工異質材料（如功能梯度材料）方麵具有獨特優勢。  

詳解5種（zhǒng）金屬3D打印技術

送絲式激（jī）光熔覆式快速成型技術 

由於粉末激光增材製造中不可避免的缺陷，比如粉末的利用率很低（20～30％），粉末的汙染問（wèn）題（tí），粉末相對昂貴（guì）的價格等。而送絲式（shì）激光增材製造不僅材（cái）料利用率很高（幾乎（hū）100％），沒有粉塵汙染，對設備的要求比較低，更加具有經濟性。因此，近（jìn）些年來，一些機構已經開始將目光轉移（yí）到送（sòng）絲的（de）增材製造技術研究上來。目前，應用最多的還是采用TIG電弧熔絲的方式，而用（yòng）激光的很少。綜上所述，目前國外關（guān）於送絲式的激光增材製造研究比較少，而采用（yòng）TIG電弧熔絲的方式研（yán）究較多，國內在這（zhè）方麵的研究還未有報道。一般的，采用（yòng）TIG電弧熔絲方法製備的抗拉強度和屈服強度低於激光增材製造技術，而延伸率要比激光的要高。組織上，TIG電弧熔絲（sī）方法製備的鈦合金主要以網（wǎng）籃組織（zhī）為主，而（ér）激（jī）光增材製造的以魏氏組織為主，這是由（yóu）於兩種方式不（bú）同（tóng）的能量特點和輸入造成的。

送粉式與送絲式激光熔覆式快速成型技術對比

送（sòng）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（de）激光增材製造大大（dà）減少了（le）所需的激光功率閾值。采用送（sòng）絲式時隨著（zhe）增大激光功率，沉積層的高度呈線性下降，影響成形效率，此時必（bì）須（xū）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（yīn）此，送絲成形對（duì）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（zēng）大功率時，高度基本不（bú）變。  尺寸精度方（fāng）麵，送粉式在厚度方向除了底部較（jiào）窄外，其他地方厚薄均勻，側壁非常平（píng）直；長度方向上，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（dòng）和（hé）絲與光的（de）對中性要求（qiú）比較苛刻，因而容易（yì）出現（xiàn）絲和光的微小偏（piān）離，從而使側壁成形不（bú）是很（hěn）平直，出現了（le）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淌，這是由於激光功率較送粉的大，同時由於激光停止出光前就先停止送絲，因而在收尾處激光單純（chún）的作用在沉積層上，造成沉積層熔池的下淌。  綜上所述，在工藝窗口、內部缺陷、尺寸精度和表麵精度方（fāng）麵，送粉式的要優於送絲式的；在效率和經濟性方麵，送絲式具有突出性的優勢。