相比於（yú）大數據、VR、人（rén）工智能，如（rú）今的3D打印其實算不上很新的技術了，這項（xiàng）技（jì）術已經走過了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（yìn）材（cái）料（liào）和（hé）冶金領域有（yǒu）著怎樣的差異？本期，3D科學穀與穀友一起來領略（luè）金屬D打印的冶金和加工科學。

 

         與金屬增材製（zhì）造（zào）相關的最早（zǎo）的一項3D打印技術是（shì）SLS-選擇性激光燒（shāo）結技術，當時是用（yòng）來（lái）燒結（jié）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用。

 

         發展到今天，當我們一提起金屬3D打印的時候，通常指（zhǐ）的是SLM-選擇（zé）性激光（guāng）融化技術，而SLS技術（shù）更多的用來燒結金（jīn）屬之外的其他材料。

 

         SLM技術是如此的（de）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，通過電子束、等離子或者是激光將金屬絲/粉末融化通（tōng）過焊（hàn）接的方式將金屬產品以（yǐ）近淨形的方（fāng）式（shì）製造（zào）出（chū）來。

 

         選擇性激光燒結（jié）（SLS）技術是德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard博士和學院顧問Joe Beanman博士在1984年申請的。3D Systems通過收購的（de）方（fāng）式從DTM手中獲得了此（cǐ）項技術，但在2014年專利過期後，新湧現的3D打（dǎ）印機製造商旨在使SLS這一昂貴的工業打印工藝走下（xià）了神壇。

 

         SLM選擇性激光熔（róng）化的創始專利來源於德國Fraunhofer Institute所有的激光技（jì）術研（yán）究院，而該專利（lì）的到期日是2016年12月。EOS在1995年推出了第一台商業SLM設備，並且通過取得（dé）3D Systems專利授權的方式獲得了SLS技術專利的使用權利。另外一家公司（sī），Arcam在2000年通（tōng）過Adersson&Larsson的專利（lì）獲得了（le）EBM技術的使用權利，並與2002年推出了（le）第一台商（shāng）業化EBM打印設備。

 

          隨著最初的3D打印設備（bèi）專利全麵到期（qī），以及金屬加工的過程中控（kòng）製，粉末（mò）技術（shù）的發展，並且隨著GE收購Arcam和Concept laser,金屬3D打印（yìn）也迎來（lái）了走向（xiàng）成熟（shú）的時（shí）期。根據GE增材（cái）製造負責人Greg Morris，GE將在2到3年內提高3D打印的速度，他們未來希望達到現在（zài）速度的100倍。而隨著設備加工技術（shù）的提升，加之（zhī）材料的配合以及價格的合理化，金屬3D打印勢必在產業化領域的道路（lù）越來越寬。而對於加工應用方來說，要迎接這樣的技術浪潮（cháo），了解（jiě）金屬3D打印的冶金加工學就成為（wéi）必修課。

 

           的確，在金屬加工過（guò）程中，發生著許多微（wēi）妙的事情。就拿SLM選擇（zé）性（xìng）激（jī）光融化技術來說（shuō），在激光（guāng）對粉末的融化加工過程中，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（wéi）固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱（rè）量的大小（xiǎo）決定了這個微型熔（róng）池的大小，從而影響著零件的微晶（jīng）結（jié）構。並且，為了融化粉末（mò），必（bì）須有充足的激光能量被轉（zhuǎn）移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全致密的（de）部分，但同時熱量的（de）傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的（de）粉末，出現半融化（huà）的粉末，從而產生孔隙的現象。

 

          從設備領域，為了達到激光定位與聚焦，根據3D科學穀的市場研究大多數激光（guāng）熔化係統使用電流計掃描振鏡，最新出現（xiàn）的技術是動（dòng）態聚焦係統（tǒng）係統，通過在galva振鏡（jìng）的上（shàng）遊激光光束線（xiàn）中放置更小的鏡頭（tóu），來（lái）調整光學係統焦距的變化。

 

        對於應用端來說，除了設備的配置這樣的剛性條件，冶金性能方麵還與金屬3D打印過程的諸多（duō）條件相關。加工參數的設（shè）置、粉末的質量與顆粒情況、加工中惰性氛圍的控製、激光掃描策（cè）略、激（jī）光光斑大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控製情況（kuàng）等等都帶來（lái）了不同（tóng）的冶金結果（guǒ）。

 

        通常來說加工越快，表（biǎo）麵粗糙度越高，這是兩個此起彼長的相關變量。另外，殘餘（yú）應力是DED以及SLM加工技術所麵臨的共同話題，殘餘應力將影響後處理（lǐ）和機械性能參數。不過，根據3D科學穀的市場研（yán）究，根據對冶（yě）金方麵的駕馭（yù）能力，殘餘（yú）應（yīng）力也可以用（yòng）來幫助促進再結晶和細小的（de）等軸晶組織的形成。

 

        在（zài）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的加（jiā）工性能已經獲得了不少的進步。同時還觀察到微觀結構（gòu）的非（fēi）均質性，在這方麵通過表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學的（de）進一步理解，從而不僅提高金屬（shǔ）3D打印的工藝控製能力，還為材料製備以及後處理提（tí）出了新的要求。