相（xiàng）比於大數據、VR、人（rén）工智能，如（rú）今的3D打印其實算不上很（hěn）新的技術了，這項技術已經走過了30多年的曆史。

那麽金屬3D打（dǎ）印裏麵到底有幾多千秋？不（bú）同的（de）金屬（shǔ）3D打印技術又（yòu）在打印材料和冶金領（lǐng）域有著（zhe）怎樣的差異？本期，3D科學穀與（yǔ）穀友一起來領略金屬D打印的冶金（jīn）和加工科學（xué）。

金屬打印的

由來與下一步

與金屬增材製造相關的最早的（de）一（yī）項3D打（dǎ）印技術（shù）是SLS-選擇性激光燒結技術，當（dāng）時（shí）是用來燒結（jié）塑料粉末。而在1990年，Manriquez-Frayre和Bourell實現了（le）通過SLS技術打印金屬製品的應用。

發展到今天，當我們一提起金屬3D打印的時候，通常指的是SLM-選擇性激光融化技術，而SLS技術更（gèng）多的用來燒結（jié）金屬之外（wài）的其他材料（liào）。

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

選擇性激光燒結（SLS）技術是德克薩斯大學奧（ào）斯（sī）汀分校的Carl Deckard博士和學院（yuàn）顧問Joe Beanman博士在1984年申（shēn）請的。3D Systems通過收購的方式從DTM手中獲（huò）得了此項技術，但在2014年專利過期後，新湧現的3D打印機製造商旨在使SLS這一昂（áng）貴的工業打印工藝走下了神（shén）壇。

SLM選（xuǎn）擇性激光熔化的創始專利（lì）來源於德國Fraunhofer Institute所有的激光技（jì）術研究院，而該（gāi）專利的到期日是2016年12月。EOS在1995年推出了第一台商業SLM設備，並且通過取（qǔ）得3D Systems專利授權的方（fāng）式獲得了SLS技（jì）術專利的使用（yòng）權利。另外一家公司，Arcam在2000年通過Adersson&Larsson的專利獲（huò）得了EBM技術的（de）使用權利，並與2002年推出了第一台商業（yè）化EBM打印設備。

隨著最初的3D打印設備專利全麵到期，以及金屬加工的過程中控製，粉末技術的發展，並且隨著GE收購Arcam和Concept laser,金屬3D打（dǎ）印也迎來了走向成熟的時期。根據GE增材製造負責（zé）人Greg Morris，GE將在2到3年（nián）內提高3D打印的速度（dù），他們未來希望達到現在速度的100倍（bèi）。而隨著設備加工技術的提升，加之材料的配合以及價格的合理化，金屬3D打（dǎ）印（yìn）勢必在產（chǎn）業化領域的道路越來越寬。而對於加工應用方來說，要迎（yíng）接這樣的技術浪潮，了解金屬（shǔ）3D打印的冶金加工學就成為必（bì）修課。

的確，在（zài）金屬加工過程中，發（fā）生著許多微妙（miào）的事情。就拿SLM選擇性激光融化技術來說，在激光對粉末的融化加（jiā）工過程中，每個激光點創建了一個微型熔（róng）池（chí），從粉末融（róng）化到冷卻成為固體結構（gòu），光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大（dà）小，從而影響著零件（jiàn）的（de）微晶（jīng）結構。並且，為了融化粉末，必須（xū）有（yǒu）充足的激光能（néng）量被轉移（yí）到材料中，以（yǐ）熔化（huà）中心區的（de）粉末，從而創（chuàng）建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末，出現（xiàn）半融化的粉末，從而產（chǎn）生（shēng）孔隙的（de）現象。

從設（shè）備領（lǐng）域，為了達到激（jī）光定（dìng）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計掃描（miáo）振鏡（jìng），最新出現的技術是動態（tài）聚焦係統係統，通過在galva振鏡的上遊激光光束線中放置（zhì）更小（xiǎo）的鏡頭，來調整光學係統焦距的變化。

對於應（yīng）用端來說，除了設備的配置這樣的剛性條件，冶金性能（néng）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（mò）的質量與顆（kē）粒情況、加工中惰性（xìng）氛圍（wéi）的控製、激光掃描策略、激光光斑（bān）大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控製情（qíng）況等等都帶來（lái）了不同的冶金結果。

通常來說加工越快，表麵粗糙度越高，這是兩個此起彼長的相關變量。另外（wài），殘餘應力（lì）是DED以及SLM加工技術所（suǒ）麵（miàn）臨的共同話題，殘餘應力（lì）將影響（xiǎng）後處理和機械性能參數。不過，根據3D科學穀的市場研究，根據對冶金方麵的駕馭能力，殘餘應力也可以用來幫助（zhù）促進再結（jié）晶和細小的等軸晶組織的形成。

在過去的五年（nián）裏,對於金屬打印過程中（zhōng）微觀結構的理解和新合金的加工（gōng）性能已經（jīng）獲得了不少的進步。同時還觀察（chá）到微觀結構的非（fēi）均質性，在這方麵通（tōng）過表征工作（柱狀晶、高（gāo）取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學的進一（yī）步理解，從而（ér）不僅提高金屬3D打印的（de）工藝控製能力，還為材料製備以及後處理提出了（le）新的要（yào）求。