3D打印技術正在快速（sù）改變傳統的生（shēng）產方式和生活方式，作為戰略性新興產業，美國、德國等發達國家高度（dù）重視並積極推廣該技術。當然我國的（de）3D打印技術（shù）也（yě）在不斷的發展（zhǎn），在2017年（nián）的（de）達沃斯論壇中國國家主席就在（zài）發表題為《共擔時（shí）代責任 共促全球發展（zhǎn）》的主（zhǔ）旨演講中就提到3D打印、人工智能等新技術不斷湧現，但尚未形成新的經濟增長點。不少專家認為，以數字化、網絡化、個性化、定製化為特點的3D打印技術為（wéi）代表的新製造技術將推動第三次工業革命。金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體（tǐ）係中最為前（qián）沿和（hé）最有（yǒu）潛力的技（jì）術（shù），是先進（jìn）製造技術的重要發展方向（xiàng）。隨（suí）著科技發展及推廣（guǎng）應用的需求，利用快速成型直（zhí）接（jiē）製造金屬（shǔ）功能零件成（chéng）為（wéi）了快速成型主要的發展（zhǎn）方向。目前可用於直接製造金屬功能零件的快速成（chéng）型方法主要有：包括選區激光燒結（Selective Laser Sintering， SLS）技術、直接金屬粉末激光燒結（jié）（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、選區激光熔化（huà）（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（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術等。

 

國外對金屬（shǔ）零件3D打印技術的理論與工（gōng）藝研究相（xiàng）對較早。雖（suī）然我國在技術上落後於這些歐美大國，但是經過這些年國內的技術的不斷積累（lèi），一些（xiē）廠家也（yě）都（dōu）推出了自（zì）己的商品化的金屬3D打印機，接下來（lái）小編就直接（jiē）製造金（jīn）屬功能零件的快速成型的主要方（fāng）法進行了歸（guī）納總結。

選區激光燒結（SLS） 

選擇性激光燒結技術（SLS）最（zuì）初是（shì）由美國德克（kè）薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard於（yú）1989年在其碩士論文中提出的， 選區（qū）激光燒結，顧（gù）名思（sī）義，所采用的冶金機製為液相燒結機製，成形過程中（zhōng）粉體（tǐ）材料發生部分熔化，粉體顆粒保留其固相核心，並通過後續的固相顆粒重排、液相（xiàng）凝固粘接（jiē）實現粉體（tǐ）致密化。美國DTM公司於（yú）1992年推出了該工藝的商業化生產設備SinterSation。德國（guó）的EOS公司在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。國內有如華中科（kē）技大學、南京航空航天（tiān）大學、西北工業大學、中北大學和（hé）北京隆源（yuán）自動成型有限公司等，多家單位進行（háng）SLS的相關研究（jiū）工作，也取得（dé）了重大成果。 

SLS 技術原（yuán）理及其特（tè）點 

整個工藝裝置由粉末缸（gāng）和成型缸組成，工作粉末缸（gāng）活塞（送粉活（huó）塞）上升，由鋪粉輥將粉末在（zài）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（jī）光束的二維（wéi）掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以（yǐ）形成零件的一個層麵。完成一層後，工作活塞下降一個層厚，鋪粉係統鋪上新粉（fěn），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。

 

SLS工藝采用半固態液相燒結機（jī）製，粉體未（wèi）發（fā）生完全熔化，雖可在一定程度上降低成形材料積聚的熱（rè）應力，但（dàn）成形件中（zhōng）含有未熔（róng）固相顆粒，直接導致孔隙率高、致密度低、拉伸強度差（chà）、表麵粗糙度高等工藝缺陷，在SLS 半固態成形體係中，固液（yè）混合體係粘（zhān）度通常較高，導致熔（róng）融材料流動性差，將出現 SLS 快速成形工藝特有的冶金（jīn）缺陷（xiàn）——“球化”效應。球化（huà）現象不僅會增加成形件表麵粗（cū）糙度，更會（huì）導致鋪（pù）粉裝（zhuāng）置難以在已（yǐ）燒結層表麵均勻鋪粉後續粉層，從而阻礙（ài）SLS 過程順利開展。

由於（yú）燒結好的零件強度較低，需要經過後處理才（cái）能達到較高（gāo）的強度並且製造的三維零件普遍存在強度不高、精度（dù）較低及表麵質量較差等（děng）問題。在SLS出（chū）現初期，相對於其他發展比較成（chéng）熟的（de）快速（sù）成型方法（fǎ），選擇（zé）性激光（guāng）燒（shāo）結具有成型材料選擇範圍廣，成型工藝比較簡單（無需支撐）等優點。但由於成型過程（chéng）中的能量來源為激光，激光器的應用使其成型設備的成（chéng）本較高，隨著2000 年之後激光快速成形設（shè）備（bèi）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用（yòng）於（yú）金屬構（gòu）件的激光快速成形（xíng）。選擇性激光燒結技術（SLS）已被類（lèi）似（sì）更為先進的技（jì）術（shù）代替（tì）。 

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（fǎ），其一為間接法，即聚（jù）合物覆膜金屬粉（fěn）末的SLS；其二為直接法，即直接金屬粉（fěn）末（mò）激光燒結（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自從1991年金（jīn）屬粉末直接激光燒結研究在（zài）Leuvne的Chatofci大學（xué）開展（zhǎn）以（yǐ）來，利（lì）用SLS工藝直接燒結金屬粉末成形三維零部件是（shì）快速原型製造的最終目標之（zhī）一。與間接SLS技術（shù）相比，DMLS工藝最主要的優點是（shì）取消（xiāo）了昂貴（guì）且費時的（de）預處理和後（hòu）處理工藝（yì）步驟。  

 

直接金屬粉末激光燒結（DMLS）的特點  

DMLS技術作為SLS技術的一個分支（zhī），原理基本相同。但DMLS技（jì）術精確成形形狀複（fù）雜的金（jīn）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，是為使熔化的金屬液表麵與周邊介質表麵構成的體係（xì）具（jù）有最小自由能，在液態金（jīn）屬與周（zhōu）邊介質的界麵張（zhāng）力作用下，金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化後無法凝固形成連續平滑的（de）熔池，因而形成的零件疏鬆多孔，致使成型失（shī）敗，由（yóu）於單組元（yuán）金屬粉（fěn）末在液（yè）相燒結階段的粘度相對較高（gāo），故“球化”效應尤（yóu）為嚴重，且球形直徑往往大於（yú）粉末顆粒直徑，這（zhè）會導致大量孔隙存在於燒結件中，因此，單（dān）組元金屬粉（fěn）末的DMLS具有明顯的工藝（yì）缺陷，往往需要後續處（chù）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（xiàng），以及由此（cǐ）造成（chéng）的燒結變形、密度疏鬆等工藝缺陷，目前一般可以通過使用熔點不同的多組元金屬粉末或使用（yòng）預合金粉末來實現。多組分金屬粉末體係一般由高熔點金屬（shǔ）、低熔點金屬及某些添（tiān）加元素混合而成，其中高（gāo）熔點金屬粉末（mò）作為骨架金屬，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，生成的液相包（bāo）覆、潤濕和粘結固相金屬顆粒，以此實（shí）現燒結致密化。  

直（zhí）接金屬粉末激光燒結（DMLS）的問題  

作為SLS技術的一個重要（yào）分支的（de）DMLS技術尚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（zhì）密化機理仍不明了，不同（tóng）金屬粉（fěn）末體係的激光燒結工藝參數仍需摸索，專用粉末的（de）研製與開發還有待突破。因此，建立金（jīn）屬粉末直接激光燒結過程的（de）數學（xué）、物理模型，定量研究DMLS燒結致密化過程中的燒結行為和組織結（jié）構變化，成為粉（fěn）末冶金（jīn）科學與工程研究（jiū）中的重要內容之一。DMLS中，金屬（shǔ）粉末的物性對（duì）於燒（shāo）結（jié）質量有（yǒu）著及其重要的影響，相同的工藝參（cān）數條件下，不同的粉末體係的燒結效果往往有很大的區別（bié）。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（chóng）要的要求。大量研究表明，影響（xiǎng）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研究所（suǒ）於1995年提出，2002年該（gāi）研究所對SLM 技（jì）術的研究（jiū）取得巨大的成功（gōng）。世界上第（dì）一台SLM設備（bèi）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（mì）的激光成（chéng）形件，同時也（yě）受益於2000年之後激光快速成形設（shè）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（tǐ）完全熔化的冶金機製被用於金屬構（gòu）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（shì）界上較（jiào）早開展金（jīn）屬粉末（mò）激光燒結的專業化公司（sī），主要（yào）從（cóng）事SLS金屬粉末、工藝及設備研發。而該公司新近（jìn）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（xíng）性能得以顯著提高。目前，作為SLS技術的延伸，SLM術正（zhèng）在（zài）德國、英（yīng）國等歐洲國家蓬勃發展。即便繼續沿用“選區激光燒結”（SLS）這一表述，實際所（suǒ）采用的成形機製已轉變為（wéi）粉體完全熔（róng）化（huà）機製。 

選區激（jī）光熔化的（de）原理（lǐ）  

SLM技術是（shì）在（zài）SLS基礎上發展起來的，二者的基本原理類似。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（qì）激光束開始掃描前，水平鋪粉輥（gǔn）先把金屬粉（fěn）末平鋪（pù）到加工室的基板上，然後激光束（shù）將按當（dāng）前層的輪廓信息（xī）選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層（céng）的輪廓，然後可升降係統下降一個圖層厚度的（de）距離，滾動鋪（pù）粉輥再在已加工好的當前層上鋪金（jīn）屬粉末，設備調入下一圖層進行加工，如此層層加（jiā）工，直到整個零（líng）件加工完畢（bì）。整個加工過程在抽真空或通有氣體（tǐ）保護（hù）的加工室（shì）中進行，以避（bì）免（miǎn）金（jīn）屬在高溫下與其他氣體發生反應。SLM與DMLS的界限目前很模糊，區別（bié）不明（míng）顯， DMLS技術雖翻譯為（wéi）金屬的燒結，實際成型過程（chéng）中多數時候已（yǐ）將金（jīn）屬粉（fěn）末完全熔化。DMLS技術使用材（cái）料都為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結（熔化）過程中相互（hù）補償，有利於（yú）保證製作精度（dù）。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（jīn）屬粉末並獲得連（lián）續的掃描線。  

 

選區激光熔化技術（shù）的發展問題 

激光（guāng）選區成形件中，Fe基合金（主要是鋼）SLM成形研究較多，但SLM成形工藝尚需優化（huà）、成形性能尚需進一步（bù）提高；對SLM成形性能（特別是占基礎地位的致（zhì）密度），目前（qián）SLM成形的鋼構件通常難以實現全致密。解決鋼材料（liào）SLM成形的致密化問題（tí），是快速（sù）成形研究的關鍵性瓶頸問題。鋼材料（liào）激光成形（xíng）的難度，主要取決於鋼中主要元素的化學特性。基體元素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強的（de）親和性，在常規粉末處理和激光成形條件下很難徹底避免氧化現象。因此，在SLM過程（chéng）中，鋼熔體表麵氧化物等汙（wū）染（rǎn）層的存（cún）在，將（jiāng）顯著降低潤濕性，引起激光熔化特有的冶（yě）金缺陷球化效應及凝固微裂紋，從而顯著降低激（jī）光（guāng）成（chéng）形致密度及相（xiàng）應的機械性能。另一方（fāng）麵，鋼中C含量是決定激光成形性能的又一個（gè）關鍵因素。通常，過高的C含量將（jiāng）對激光成形性產生不利，隨（suí）C含量（liàng）升高，熔體表麵C元素層的厚度亦會增（zēng）加。這與氧化層的不利影響類似，也會（huì）降低潤濕性，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（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（liào）SLM成形，需提（tí）高激光能量密度及SLM成形溫度，可促進碳化物的溶解（jiě），也可使合金元素均勻化。

通過粉體材料及SLM工藝優化，包括：

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

2，合理調控（kòng）輸入激（jī）光能量密度以獲取適宜（yí）的液相粘度及其流變特性，可有效抑製球化效應（yīng）及微裂紋形成，進而獲取近全致密結（jié）構。

對於以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（yán）究報道是基於（yú）SLS半固態燒結成形機製，但因嚴（yán）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）能複雜結（jié）構Al合金零件（jiàn）近淨（jìng）成形與快速製造提供嶄新的技術途徑（jìng）。Al基合金零件（jiàn）SLM成（chéng）形具有（yǒu）高難（nán）度，是由材（cái）料自身特殊物理（lǐ）特性本質所決定的。一方（fāng）麵，，通常低功率CO2激光難以使Al合金粉體發生有效熔化，而要求使用能量密度更高的光（guāng）纖或Nd：YAG激光，這（zhè）無疑（yí）對激光器性能提出了更苛刻的要求。另一方麵（miàn），Al合金材料熱導（dǎo）率高，SLM成形過程中激光能量輸入極易沿基板或在（zài）粉床中傳遞消（xiāo）耗，導致激光熔池溫度降低，熔體粘度增加且流動性降低，故其難以有效潤濕基體材料，導致SLM成形（xíng）球化效（xiào）應及內部孔隙（xì）、裂紋（wén）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。 

需指出的是，基於SLM／SLRM成形機（jī）製，雖（suī）能在一定程度上改（gǎi）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（wán）全熔化／凝固（gù），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。由於激光選區熔化成形（xíng）技（jì）術成形粉末（mò）需求量大，需要在整個成形平麵鋪設金屬粉末，因而不適宜成形貴重的金（jīn）屬；整個成形平台較大，惰性（xìng）氣體保護效果（guǒ）較差，因而也不適宜成形易氧化的金屬粉末（mò）。

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選區激光熔化技術的優（yōu）勢  

在原理（lǐ）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（bān）直徑（jìng），成型（xíng）件的力學性（xìng）能、尺寸精度等均（jun1）較好，隻需簡單後處理即可投入使用，並且成型所用原材料無需特別配製。選區激光熔化技術的優點可歸（guī）納（nà）如下：

1．直接製造金屬功能件件，無需中間工序； 

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

3．金屬粉末完全熔化，所直接製造的金屬功能件具有冶金結合組織，致密（mì）度較高，具 有較好的力（lì）學性能（néng），無需後處理；

4．粉末材料可為單一材料（liào）也可為（wéi）多（duō）組元材料（liào），原材料無需特別配製；

5．可（kě）直（zhí）接製造出複雜幾何形狀的功能件；

6．特別適（shì）合於單件或小批量的功能件製造。選（xuǎn）區激光燒結成型（xíng）件（jiàn）的致密度、力（lì）學性能較差（chà）；電（diàn）子束熔融（róng）成（chéng）型和激光熔覆（fù）製造難以獲得較高尺寸精度的零件（jiàn）；相比之下，選區激光熔化成型（xíng）技術可以獲得冶（yě）金結合、致密組織、高尺寸精度和良好力學（xué）性能的成型（xíng）件，是近年來快速成（chéng）型的主要研究熱點和發展（zhǎn）趨勢。  

選區激光熔化技術的研究展望  

（1）實現激光快（kuài）速成形專用金屬粉體材料係列化與（yǔ）專業化。重視粉體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（yán）究適於選區激光熔化（huà）成形工藝的粉（fěn）體化學成分、物性指標、製備技術（shù）及表征（zhēng）方法，實現激光快速（sù）成形專用（yòng）金屬及（jí）合（hé）金粉體材料的專業化和係列化。  

（2）深入定量（liàng）研究金屬及合金粉體激光成形冶金本質及其機理。緊扣金屬及合金粉體激光快（kuài）速成（chéng）形關鍵科學問題，包括激光束—金屬（shǔ）粉（fěn）體交互作（zuò）用機（jī）理（lǐ）、激光（guāng）熔池非平衡（héng）傳熱傳質機製、超高溫度梯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（róng）化成形全過（guò）程及（jí）各（gè）類型內應力（lì）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激光快速成（chéng）形組織（zhī）和性能提供科學理論基礎。  

（3）高性能複雜結構金屬及合（hé）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金屬粉體設計製備為物質基礎，以激光非平衡熔池冶金熱（rè）力（lì）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（cè）為（wéi）理論基礎，通過粉（fěn）體設（shè）計製備—零件結構設計—SLM成形工藝—組織（zhī）及性能評價的一體化研（yán）究，麵向航空航天（tiān）、生物醫藥、模具製（zhì）造等領域應用需求，實現高性能複雜結構金屬及合金關鍵零件激光控形控性直接精密（mì）淨成形製造。對於金屬零件選區激光熔化快（kuài）速成形（xíng）的材料（liào）、工藝及理論（lùn）的研究，尚有很多方麵未獲（huò）得本質突破。對於（yú）該領域諸多新材（cái）料、新工藝、新現象及新理論的深入研究與（yǔ）發掘，是實現激光快速（sù）成形技術走向工程應用的基礎。 

選區激光熔化（huà）技（jì）術的研究工作 

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作。RehmeO等對選區激光熔化成型過程的（de）重要參數進行分析並歸類，研究了（le）掃描線長度、掃描間距、層（céng）厚、成型方向等參數對零件的致密度和殘餘應力的影響。KozoOsakada等研究了（le）鎳基（jī）合金、鐵基合金和（hé）純鈦（tài）材料（liào）的選區激光熔化成型特性，分析（xī）成型件的熱應力分布，通過掃描策略和預熱等方法減小（xiǎo）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（yòng）Rayleigh不穩定性原理解釋鐵基合金的球化現象，並提出利用掃描策略和控（kòng）製氧含量（liàng）的（de）方法消除球化，同時研究（jiū）不同的元素會（huì）對激光吸收率、熱傳導（dǎo）性、熔液的潤濕及鋪（pù）展性、氧含量（liàng）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特（tè）性進行了分析，研究成（chéng）型件的組織結構及（jí）成份，並發現在空氣中成型的零件是具有致密組織結構和規（guī）則穩定相分布的。

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M．Badrossamay等對不鏽鋼和工具鋼（gāng）進行了研究（jiū），研究了掃描策（cè）略、激光功率（lǜ）等參數對成型質量（liàng）的影（yǐng）響，其研（yán）究發現，不鏽鋼和工具鋼有著類似的成型（xíng）規律，並且成型質量和掃描速度之間不是呈線性關係，由（yóu）此（cǐ）推測掃描速度（dù）對粉床熱量的損失量有影響。I．Yadroitsev等采用不鏽鋼（gāng）等原材（cái）料對選（xuǎn）區激光熔化成（chéng）型工藝開展了很多工作，研究了掃描（miáo）策略對（duì）致密（mì）度的影響、掃描角度對力學性能的影響，采用“填充後再填充的掃（sǎo）描策略”可獲得高（gāo）致（zhì）密度成型件，同時發現掃（sǎo）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（cān）數成型出厚（hòu）度為140μm的（de）連續（xù）薄壁。Gusarov等利用熱力學分（fèn）析選區激光熔化成型過程的熔池穩定性，采用（yòng）Rayleigh不穩（wěn）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（de）較優熔池形狀，即（jí）減小熔池長寬比並增加熔池與基板的接觸線寬度（dù）。

KamranAamirMumtaz等研究了（le）鎳合金的（de）單道熔池，分析掃描策略對致密度的（de）影響，並提（tí）出改善表麵質量的方法，即采用“填充後再填充的掃描策（cè）略”可防止因相鄰熔池搭接而（ér）導致熱變形，同時（shí）成型出致密度達99．7％的合金（jīn）零（líng）件。Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等［33－35］還對選區激（jī）光熔化直接成型功能性材料進行了初步探索，並取得一些成（chéng）果，如：Julio等采用選區（qū）激光熔化直接製造（zào）出具（jù）有散熱功能管（guǎn）材（cái）料；Rehme等（děng）采用選區激光熔化直接製造出具有（yǒu）胞元（yuán）結構的多孔醫（yī）用植入體材料，而McKown等則直接製造出網格狀材料；Yadroitsev等則研究了選區激光熔化（huà）直接製造具有微孔結構的過濾材料零件。

國內對選區激（jī）光熔化技術的研究工（gōng）作雖然起步（bù）較晚，但至今也取得了很大的進展（zhǎn）。主（zhǔ）要的研究單位有：華南理工大學、華中科技大學、南京航空航天大學、上海交通大學等高校以及其他一些科研單位（wèi）。其（qí）中華南理（lǐ）工大學在不鏽鋼、銅合（hé）金、鎳合金和鈦合（hé）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（zhì）密度、尺寸精度、內部組織等的影響；華中科技大學也對不鏽鋼的成（chéng）型工藝進行了一些探討，采用正交實（shí）驗方法（fǎ）優化工藝參數；南京航空航天大學除了（le）對一些常用（yòng）材料進行研究（jiū）外，還采用選區激光熔化直接製造複合材料功能件；上海交通大學采用316L不鏽鋼研究了（le）選區激光熔化成（chéng）型件的表麵質量和（hé）內部微觀組（zǔ）織，並（bìng）得到高（gāo）致密度的功能件。

電子（zǐ）束熔化（EBM）

1994年瑞（ruì）典 ARCAM 公司申請的（de）一份專利，所開發的技術稱為電子束熔化成形技術（Electron Beam Melting），ARCAM公司也是世界上（shàng）第一家將電子束快速製（zhì）造商業化的公司，並於（yú）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（háng）天局、北京航空製造工程研究所和我國清華大學均開發出了（le）各自（zì）的基於電子束的快速製造係統。美國麻省（shěng）理工學院開發的電子束實體自由（yóu）成形技術（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication，EBSFF）。EBSFF 技（jì）術采用送絲方式供給成形材料前兩種（zhǒng）利用電子束熔化金（jīn）屬絲（sī）材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作台移動，與激光近形製造技術類似，電子束熔絲沉積快速製（zhì）造時，影響因素較多，如電子束流、加速電壓、聚焦電流、偏擺掃描（miáo）、工作距離、工件運動速度、送絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的（de）高度、絲材伸出長（zhǎng）度等。這些因素（sù）共同作用影響熔積體截（jié）麵幾何參量，確區分單一因（yīn）素的作用（yòng）十分困難；瑞典 ARCAM 公司與清華大學電子（zǐ）束（shù）開發（fā）的選（xuǎn）區熔化（EBSM）利用電子束熔化鋪在工（gōng）作台（tái）麵上的金（jīn）屬粉末，與激（jī）光選區（qū）熔化技（jì）術類似，利用電子束實時偏轉實（shí）現熔化成形，該技術不需要二維運動部件，可以實現金（jīn）屬粉末的快速掃描成形。

 

電子束（shù）選區熔化（EBSM）原理

類（lèi）似激（jī）光（guāng）選區燒結和激光選區熔化工藝，電子束選區熔化技術（EBSM）是一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料（liào）熔化成形的快速製（zhì）造技術。EBSM技術的工藝過程為：先在鋪粉平麵上鋪展一層粉末；然後，電子（zǐ）束在計算機的控製下按照截麵輪廓的信息進行有選擇的熔化，金屬粉末在電子束的轟擊（jī）下被（bèi）熔化在（zài）一起，並與下麵已成（chéng）形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最後，去除多餘的粉末便（biàn）得到所需的三維產品。上位機的實（shí）時掃描信號（hào）經數模轉換及（jí）功率放大後傳遞給偏轉線圈，電子束在對應的偏轉電壓產生的磁場作用下偏轉，達到選擇性熔化。經（jīng）過十幾年的研究發現對於一（yī）些工藝參數如電子（zǐ）束電流、聚焦電流、作用時間（jiān）、粉末厚度（dù）、加速電（diàn）壓（yā）、掃描方式進（jìn）行正交（jiāo）實驗。作（zuò）用時間對成型影響最大。 

電子束選區熔化的優勢（shì）

電子束直接金屬成形技術采用高能電子束作為加工（gōng）熱源，掃描成形可通（tōng）過操縱磁（cí）偏轉線圈進（jìn）行，沒有機械慣性，且電子束（shù）具有的真空（kōng）環境還可避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被（bèi）氧化。  電子束與激光相比（bǐ），具有能量利用率（lǜ）高、作用深度大、材料吸收率高（gāo）、穩定及運行維護成本低等優點。EBM技術優點是成型過程（chéng）效率（lǜ）高，零件變形小，成型過程不需要金屬支（zhī）撐，微觀組織（zhī）更致（zhì）密等  電子束的偏轉聚焦控製更加快（kuài）速（sù）、靈敏。激光的偏轉（zhuǎn）需（xū）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（guāng）功率較大時，振鏡需要更複雜的冷卻係統，而振鏡的重量也顯著增加。因而在使用較大功率掃描時，激光（guāng）的掃描速度將受到限製。在掃描較大成（chéng）形範圍時，激光（guāng）的焦距也很難快（kuài）速的改變。電子束的偏轉和聚焦利用磁場完成，可（kě）以通過改變電信號（hào）的（de）強度和方向快速靈敏的控製電子束的偏轉量和聚（jù）焦長度。電（diàn）子束偏轉聚焦係統不會被（bèi）金屬蒸鍍幹擾。用激光和電子束熔化金（jīn）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麵（miàn）鍍上金屬薄膜。電（diàn）子束偏（piān）轉聚焦都是在（zài）磁場中完成，因而不（bú）會受（shòu）到金屬蒸鍍的影響；激光器振鏡等光學器件則容易受到蒸鍍汙染。

 

電（diàn）子束選區熔化的主要問題

真空（kōng）室抽氣過程中粉末（mò）容易被氣流帶走，造成真空係統的汙（wū）染；但其存在一個比較特殊的（de）問（wèn）題即粉（fěn）末潰散現象，其原因是電子束具有較大動能，當高速轟（hōng）擊金屬原子使之加熱、升溫時，電子的部分動能也直接轉化為粉末（mò）微（wēi）粒的動能。當（dāng）粉末流動性（xìng）較好時，粉末顆（kē）粒會被電子束推開形成潰散現象。防止炊粉的基本原則是提高粉床（chuáng）的穩定性，克服（fú）電子束的（de）推力，主要有四項（xiàng）措施：降低粉末的（de）流動性，對粉末（mò）進行預熱（rè），對成（chéng）型（xíng）底（dǐ）板進行預熱，優（yōu）化電子束（shù）掃描方式。因（yīn）此，粉末材料一直很難成為真空電子束設備（bèi）的加工對象，工藝（yì）參數（shù）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，提不同粉末體係所能承受的電子束（shù）域值電流（潰散電流）和電子束（shù）掃描域值速度（潰散速度（dù））判據，並在（zài）此基礎上研究出混合（hé）粉（fěn）末；  EBM技術成（chéng）型室中必（bì）須（xū）為高真空，才能保證設備正常工作，這使得EBM技術整機複（fù）雜度提高。還因在真空度下粉末容易揚起而造成係統汙染。此外，EBM技術需要將係統預熱到800℃以上，使（shǐ）得粉末在成型（xíng）室內預先燒結固化在一起，高預熱溫度對係統的整體結（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。 

電子束無（wú）法比較難像激光束一樣聚焦出細微的光斑因此成型件難（nán）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係統采用磁偏轉線圈產（chǎn）生磁場，使電子偏轉。由於偏轉的非（fēi）線性以（yǐ）及磁場的非均（jun1）勻性，電子束（shù）在大範圍掃描時會出現枕形失真。大偏角時的散焦。EBSM係統采用聚焦線圈使電子束聚焦。若聚焦（jiāo）線圈中的電流恒定，電子束的聚（jù）焦麵為球麵，而（ér）電子束在平麵上掃描。因此，電子束（shù）在不（bú）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 至今，ARCAM 推出了三款（kuǎn）成形設備。在新一代成形設備 A1、A2成形設備（bèi）中，成形零件的最大尺寸（cùn）和精度都有較大的提高，並且在成形零件的冷卻（què）中實（shí）現（xiàn）了自動（dòng）冷卻。在成形和冷卻（què）的過（guò）程中在真空室充入一定壓強的氦氣，可以加速成形後的冷卻速率，同時保持更低的氧（yǎng）含量。A1、A2 設備的（de）應用領域（yù）也更加明（míng）確，A1 主要用來成形骨骼植入物，成形材料也主要為（wéi）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（jiàn），也製作其它領域成形複雜度高的（de）小（xiǎo）批量金（jīn）屬件。ARCAM 采用最新生產的 A1 和 A2 設備，生產了（le）大量精度和強度更加優良的零件，其中利用 A1 生產的合金（jīn）骨骼早已通過了 CE 認證（zhèng），迄（qì）今在歐洲大（dà）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（zhèng）。利用 A2 生產的航空和（hé）國防領域的（de）產品（pǐn）也取得（dé）了顯著的（de）成果，除了具有以上所說的表麵光滑（huá），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（jiàng）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（gōng）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，效率提高了數十倍。利用該項技術完成了F－22 上鈦合金（jīn）支座的直接製造（zào），該零件成功通過了（le）兩個周期的最大載荷全譜疲勞（láo）測試，並未發現永久變形。在國內清華大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（zhì） 230mm×230mm×250mm。該課題組使（shǐ）用自行開發的設備，對電子束（shù）選區（qū）熔化工藝的多個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（zuò），包括成形控製係統開發（fā）、粉末預熱工藝、掃描路徑規劃、成形件的機械性能等。 

激光熔覆式成（chéng）型（xíng）技術（LMD）

激光熔化沉（chén）積（Laser  Metal  Deposition，LMD）於上世紀90年（nián）代由美國Sandia國家實驗室首次提出，隨後在全世界很（hěn）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，因此這一技術（shù）的名稱繁多。例如，美國Sandia國（guó）家實（shí）驗室的激光近淨成形技（jì）術LENS（LaserEngineeredNetShaping），美國Michigan大學（xué）的直接（jiē）金（jīn）屬（shǔ）沉積DMD（DirectMetalDeposition），英國伯明翰大學的直接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西北工業（yè）大學的激光快速成形LRF（LaserRapidForming）等。雖然名（míng）字不盡相（xiàng）同，但是他們（men）的原理基本相同，成（chéng）型過程中，通過噴嘴將粉末聚集到工（gōng）作平麵上（shàng），同時激光束也聚集到該點，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（fù）實體。

LENS技術使用的是千瓦級的激光器，由於采用的激光聚焦光斑較大，一般（bān）在1mm以上（shàng），雖然可以得（dé）到冶（yě）金結（jié）合的致密金屬實體，但其尺寸精度和表麵光潔度都不太好，需進一步進行機加工後才能使（shǐ）用。激（jī）光熔覆是一（yī）個複雜的物理、化學冶金過（guò）程，熔覆過程中的參數對熔覆件的（de）質量有很大的影響。激（jī）光熔覆中的過程參數（shù）主要有激光功率（lǜ）、光斑直徑、離焦量、送粉速度、掃描速（sù）度、熔池溫度（dù）等，他們的對熔覆層（céng）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，各參數之間也相互影響，是一個非常複雜的過程。必須采用合適的控製方法將各種影響（xiǎng）因素控（kòng）製在溶覆工藝允（yǔn）許的範圍內。

詳解（jiě）5種金屬3D打印技術

同軸送粉和側向送粉（fěn）的區別 

激光（guāng）同步熔（róng）覆金屬粉末工藝中，常見的有同軸送粉和側向送粉兩種方式，側向送粉方式設計簡單、便於調（diào）節，但也（yě）有（yǒu）很多不足之處。首先，由於激光束沿（yán）平麵曲線任意曲線形狀掃描時，曲線上各點（diǎn）的粉末運動方向與激光束掃描速度（dù）方向間的夾角不一致，導致熔（róng）覆層（céng）各點的（de）粉末堆積形狀發生變化，直接影響熔覆層的表麵精度和均勻一致性，造成熔覆軌（guǐ）跡的粗糙與熔覆厚度和寬度的不（bú）均（jun1），很難保證最終零件的形（xíng）狀和尺寸符合要求。其次，送粉位置與激光光斑中心（xīn）很（hěn）難對準，這種對位是很重要的（de），少量的偏差將會導致粉末利用率下降和熔覆質量的（de）惡化（huà）。再次（cì），采用側向送粉方式，激光（guāng）束（shù）起不到粉末預熱和預熔化的作用，激光能量不能被（bèi）充分利用，容易出現粘粉、欠熔覆、非冶金結合等缺陷。還有，側向送粉（fěn）方式隻適（shì）合（hé）於線性熔覆（fù）軌跡的場合，如（rú）隻沿著X方向或Y方向運動，不（bú）適合（hé）複雜（zá）軌跡的運動。

另外，側向送粉隻適合於製造一些壁厚零件，這是由於側向送粉噴嘴噴出的粉（fěn）末是發散的，而不是匯聚的，不利於保證成型（xíng）薄壁零件（jiàn）的精度。當粉末輸送方向與基（jī）材運動方（fāng）向相同與相反時的熔覆狀況，熔覆層形狀（zhuàng）明顯受粉末輸送方向與基材運（yùn）動方向的影響。此外（wài），如（rú）果粉末（mò）輸送方向與基材運動（dòng）方向垂（chuí）直，熔覆層形狀會與兩者方向平行（háng）時得到的形（xíng）狀差別更大。因此，側向送粉（fěn）具有明顯的方向性（xìng），熔覆層幾何形狀隨運動方（fāng）向不同而發生改變。  同軸送粉則克服了上述（shù）的缺點，激光束和噴嘴中心線於（yú）同一軸線上，這樣盡管掃描速度方向發生變（biàn）化，但是（shì）粉末流相對工件的空間分布始終是一致的，能得到（dào）各向一致的熔（róng）覆層，還由於粉末的進給和激光束是同軸的，故能很好地（dì）適應掃描方向的變化（huà），消除粉（fěn）末輸送方（fāng）向對熔覆層形狀影響，確保製（zhì）造零件的精（jīng）度，而且粉末噴出後呈匯聚狀，因此可以製造一些薄壁試件，解決了熔覆成型零件尺寸精度的問題，這在薄壁零件（jiàn）的熔覆過程中優勢非常明顯。由（yóu）此可見，同軸送粉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，從而改善金屬成（chéng）型件的精度和質（zhì）量。 

激光熔覆式快速成型技術的發展 

美國對激光熔覆製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（èr）十世紀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（děng）領域的功能件直接製造。國內對激光熔覆製造（zào）技術的研究較為成（chéng）熟。如北京有色金屬研究院采用（yòng）激光熔覆（fù）製造（zào）技術直接製造出組織致（zhì）密的（de）663錫青銅合金零件，零（líng）件的力學性能滿足實際使用要（yào）求。西北工業大學在（zài）二十世紀九十（shí）年代即開始了激光（guāng）熔覆製造技術的探索研究，在後期開發（fā）出激光立體成型係統，並針對（duì）鎳基高溫合金、不鏽鋼、鈦合金等（děng）材料的成型工藝特性進行了大量的工藝實（shí）驗，獲（huò）得了具有複雜形狀的金屬功能件。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致密、力學性能良好的（de）金屬功能件，但是受到激光光斑大小和工作台運動精度等因（yīn）素的限製，所（suǒ）直（zhí）接（jiē）製造的功能件的尺寸（cùn）精度和表麵粗糙度較差，往往需要後續的（de）機加工才（cái）能滿足使用要求。  而激（jī）光熔化沉積（LMD）的發（fā）展稍微晚點，其中美國軍方對這一技術給予了大力的關注（zhù）和（hé）支持，在其支持下，美國率先進行（háng）了該技術實用化的研究。

1997年，美國MTS公司成立專門從事鈦合金（jīn）飛機結構件激光熔化沉積技術開發應用的AeroMet公司（sī），在（zài）美國空（kōng）軍、陸軍及國防部有關（guān）研（yán）究計劃支持下，進行激光熔化沉積鈦合金飛機結構件的研究；2000年，完成了鈦合金飛機機翼的靜載強度測（cè）試試驗。2001年，其生產的三（sān）個鈦（tài）合金次承力結構件獲準在飛機上使用，其性能超過了傳統的製造工藝，同時由於材（cái）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％。但由（yóu）於在鈦合金主（zhǔ）承力結構件的疲勞性能（néng）未超過鍛件標準，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（rú）此，具有低成本、短（duǎn）周期、高性能特點的激光增材製造技術仍在美國的航空航天、國防工業中發揮著重要的作（zuò）用。  

 

激光熔覆式快（kuài）速成型技術的（de）問題 

然而，由於LMD的層層添加性，沉積材料在不同的區域（yù）重複經曆著複雜的（de）熱循（xún）環過程。LMD熱循環（huán）過程涉及到熔化和（hé）在較（jiào）低溫度眾（zhòng）多的再加熱周期過程，這種複雜（zá）的熱行為導致了複雜相變和微觀結構的變化。因此，控（kòng）製成形零件（jiàn）所需要的成分和結構存在較大的難度（dù）。另一方（fāng）麵，采用（yòng）細小的激光束快速形成熔池導致較高的（de）凝固速率和熔體的不（bú）穩定性。由於零件凝固成形過程中熱量的瞬（shùn）態變化，容易（yì）產生複雜的殘餘應力。殘餘應力的存在必然導致變形的產（chǎn）生，甚至在LMD成形件中產生裂紋。成分、微觀結（jié）構的不可控性及殘（cán）餘應力的形成是LMD技術麵臨的主要困境。

激光熔覆式快速成型技術的優勢 

DMD／LENS的（de）實質是計算機控製下金屬熔體的三維堆積（jī）成形。與DMLS和SLM／SLRM不同的是，金屬粉末在噴嘴中即已處於（yú）加熱熔融狀態，故其特別適於高熔點金屬的（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下，在LENS開發初期，就將其定位於直接精密製造航空航天、軍事裝備（bèi）領域的複雜（zá）形狀高熔點（diǎn）金屬零部件；並以此為基礎，將成形（xíng）材料體係拓展為工具鋼，不鏽鋼，鈦合金（jīn），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；但限於國防安全保密，目（mù）前相（xiàng）關技術細節很少有公開報道（dào）。特別需要說明的是，通過調節送粉裝置、逐（zhú）漸改變粉末成分，可（kě）在同一零件的不同位置實現材料（liào）成分的連續變化，因此LENS在加（jiā）工異質材料（liào）（如功能梯度材料）方麵具有獨特優勢（shì）。  

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送絲式激光熔覆式快速成型技術 

由於粉末激光增材（cái）製造中不（bú）可避免（miǎn）的缺陷，比如粉末的利用率很低（20～30％），粉末的汙染問題，粉末（mò）相對昂貴的（de）價格等。而送絲式激光增（zēng）材製造不僅材料利（lì）用（yòng）率很高（幾乎100％），沒有粉塵汙染（rǎn），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轉（zhuǎn）移到送絲的增材製造技（jì）術研（yán）究上來。目前，應用最多的還是采（cǎi）用TIG電弧熔絲的方式，而（ér）用激光的（de）很少（shǎo）。綜（zōng）上所述（shù），目前（qián）國外關於送絲式的激光增材（cái）製（zhì）造研究比較少，而采用TIG電弧熔絲的方式研究較多，國內在這方麵的研究還未有報道。一般的，采用TIG電弧熔絲方法製備的抗拉強（qiáng）度（dù）和屈服強度低於激（jī）光增材製（zhì）造技術，而延伸率要（yào）比激光的（de）要高。組織上，TIG電弧熔絲方法製備的鈦合金主要以網籃組（zǔ）織（zhī）為主，而激光增材製造的（de）以魏氏組織為主，這是由於兩種方（fāng）式（shì）不同（tóng）的能量特點和輸入造成的。

送粉式與送（sòng）絲式激光熔覆式快速成型技術對比（bǐ）

送粉式在工藝窗口（kǒu）和內部缺陷等方麵均（jun1）優於送絲式，送粉式的激光增材製造大大減少了所需的激光功率閾值。采用送絲式時隨著增大激光功率，沉積層的高度呈線性下降，影響成形效率，此時必（bì）須加大送絲速度，但送絲速度的增加又會帶了送絲（sī）穩定性的問題。因此，送絲成形對激（jī）光（guāng）功率、送絲速度、掃描（miáo）速度這三者之間的參（cān）數匹配很（hěn）重要。而送（sòng）粉式在增大功率（lǜ）時，高度基本不變。  尺寸精度方麵，送粉（fěn）式在厚度方向除了底部較窄（zhǎi）外（wài），其他地方（fāng）厚薄均勻，側壁非常平直；長度方向上，熔池未下淌，成形較（jiào）平直。送絲式在厚度方（fāng）向上厚薄較均勻，但由於（yú）絲的（de）剛性擾動和絲與（yǔ）光的對中性要求比較（jiào）苛刻，因而容易出現絲和光的微小偏離，從而使側壁（bì）成形不是（shì）很平（píng）直，出現了（le）彎曲；在長度方向（xiàng）上，在激光開始和結束的地方，出現了沉（chén）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（yú）激光停止出光前就先停止送絲，因而在收尾處激光單純的作用在沉積層上，造成沉積層熔池的下淌（tǎng）。  綜上所述，在工藝窗（chuāng）口、內部缺陷、尺寸精度（dù）和表麵精度方麵，送粉式的要優於送絲（sī）式的；在效率和經濟性方麵，送絲式具有突出性的優勢。

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