相比於大數據、VR、人工智能，如今的（de）3D打印其實算不上（shàng）很新的技術了，這項技術已經走（zǒu）過了30多年的曆史。

 

         那（nà）麽金屬3D打印裏麵到底有幾多千秋？不同的金屬3D打印技術又在打印材料和冶金領域有著怎樣（yàng）的差異？本期，3D科學穀與穀友一起來領略金屬D打印的冶金（jīn）和加工科學。

 

         與金屬增材製造相關的最早的一項3D打印技術是SLS-選擇（zé）性激光燒結技術，當時是用來燒結塑料粉末。而在1990年，Manriquez-Frayre和Bourell實現了通過SLS技術打印金屬製品的應（yīng）用。

 

         發展（zhǎn）到今天，當我們一提起金屬3D打印的（de）時候，通常指的是SLM-選擇性（xìng）激光融化（huà）技術，而SLS技術更（gèng）多的用來燒結金（jīn）屬之外的其他材料。

 

         SLM技術是如此的讓人著迷，以至於我們忽略了另外一項金屬3D打印技術DED-直接能量沉積技術（shù），通過電子束、等離子或者是激光將金屬絲/粉末融化通過焊接的方式將金屬產（chǎn）品以近淨形的方式製造出來。

 

         選擇性激光燒（shāo）結（SLS）技術是德（dé）克薩（sà）斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard博士和學院顧（gù）問Joe Beanman博士在1984年申請的（de）。3D Systems通過（guò）收購的方式從DTM手中獲得了此項技術，但在2014年（nián）專利（lì）過期後，新湧現的3D打印機製造商旨在使SLS這一昂貴的（de）工業打印（yìn）工藝走下了神壇。

 

         SLM選擇性激（jī）光熔化的（de）創（chuàng）始專（zhuān）利來源於德國Fraunhofer Institute所（suǒ）有的激光技術研究院，而該專利的到期日是2016年12月。EOS在1995年推（tuī）出了第一台商（shāng）業（yè）SLM設備，並且通（tōng）過（guò）取得（dé）3D Systems專利授權的方式獲得了SLS技術專利的使用權（quán）利。另外一家公司，Arcam在2000年（nián）通過Adersson&Larsson的專利獲得了EBM技術（shù）的使用權利，並與2002年推出了第一台商業化EBM打印設備（bèi）。

 

          隨著最初的3D打印設備專利全麵（miàn）到期，以及金屬加工的過程中控製，粉末技術的發展，並（bìng）且隨著（zhe）GE收（shōu）購Arcam和Concept laser,金屬3D打印也迎來了走向成（chéng）熟的時（shí）期。根據（jù）GE增材製造負責人Greg Morris，GE將在2到3年內提高3D打印（yìn）的速度，他們未來希望達到現在速度的100倍。而隨著設備加工技術的提升，加之材料的配（pèi）合以及價格（gé）的合理化，金屬3D打印勢必在產業化領域的道路越來越（yuè）寬。而對於（yú）加工應用（yòng）方來（lái）說，要迎（yíng）接這樣的技術浪潮，了解金屬3D打印（yìn）的冶金加工學就（jiù）成為（wéi）必修課。

 

           的確，在金屬加工過程中，發生著許（xǔ）多微妙的事情。就拿SLM選擇性激光（guāng）融化技術來說，在激光對（duì）粉（fěn）末的（de）融化加工過（guò）程中，每個激光點創建了（le）一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結（jié）構，光斑的大小以及功率帶（dài）來的（de）熱量的大小決定了這個微型熔池的大（dà）小（xiǎo），從（cóng）而影響著零件的微（wēi）晶結構。並且，為了融化粉末（mò），必須有充足的激光能量被轉移到材料中（zhōng），以熔化中（zhōng）心區的粉（fěn）末（mò），從而創建完全致密的部分，但同時熱（rè）量的傳導超出（chū）了激光光斑（bān）周長，影響到周圍的粉末，出現半融化的粉末，從而產生孔隙的現象。

 

          從設（shè）備領域，為了達（dá）到激光定位與聚焦，根據3D科學穀的市場研究大多數激光熔化係統使用電流（liú）計（jì）掃描振鏡，最新出現的技術是（shì）動態聚焦係統（tǒng）係統，通過在galva振鏡的上遊激光光束線中放置更小的鏡頭，來（lái）調（diào）整光學係統焦距的變化（huà）。

 

        對於應用端來說，除了設備的配置這樣的剛性條件，冶（yě）金性能方麵還與金屬3D打印過程的諸多條件相關。加工參數的設置、粉末的質量與顆粒情況、加工（gōng）中惰性氛（fēn）圍的控製（zhì）、激光掃描策略、激光光斑大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控（kòng）製情況等等都帶來了不同的冶金結果。

 

        通常（cháng）來說加（jiā）工（gōng）越快，表麵粗（cū）糙度越高，這是兩個此起彼長的相關變量。另外，殘餘應力是DED以及SLM加工技術（shù）所麵臨的（de）共同話（huà）題，殘餘應（yīng）力將影響後處理和機械性能參數（shù）。不過，根（gēn）據3D科學穀的市場研究，根據對冶金方麵的駕馭（yù）能力，殘餘應力也（yě）可（kě）以用來幫助促進再結（jié）晶和細（xì）小（xiǎo）的等軸晶（jīng）組織的（de）形成。

 

        在過去的五年裏,對於金屬打印過程中微觀結構的理解和新合金（jīn）的加工性能已經獲得了不少的進步。同時還觀察到微觀結構的非（fēi）均質性，在這方麵通過表征工作（柱狀（zhuàng）晶、高取向、孔隙度等（děng））獲取對加工冶（yě）金學的進一（yī）步理解，從而不僅提高金屬3D打（dǎ）印的工藝（yì）控製能力，還為材料製（zhì）備以及後處理提出了新的要求。