3D打印技（jì）術正在快速改變傳統的生產方式和生活方式，作為戰略性新興產業，美（měi）國、德國等發達國家高度重視並積極推（tuī）廣該技術。當然我國的3D打印技術也在不斷的發展，在2017年的達沃斯論壇中國國家主席就在發表題為《共（gòng）擔時代責（zé）任 共促全球（qiú）發展》的（de）主旨演講中就提到（dào）3D打（dǎ）印、人工（gōng）智能等新技（jì）術不（bú）斷湧現，但尚未形成新的經濟增長（zhǎng）點。不少專家（jiā）認為，以數字化、網絡（luò）化、個性化、定製化為特（tè）點的3D打印技術為代表的新製造（zào）技術將推動第三次工業革（gé）命。金屬（shǔ）零件3D打印技術作為整個3D打印體係中最為前沿和最（zuì）有潛力的技術，是先進製造技術的重要發展方向。隨著科技發展及推廣應用的需求（qiú），利用快速成型直接製造金屬功能零件成（chéng）為了（le）快速成型主要的發展方（fāng）向。目前可用於直接製造金屬功能零件的快速（sù）成型方法主（zhǔ）要有：包括選區激（jī）光燒結（Selective Laser Sintering， SLS）技術、直接金（jīn）屬粉末激光燒結（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、選區激（jī）光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技（jì）術、激（jī）光近淨成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術和電子束選區熔化（huà）（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術等。

 

國外對金（jīn）屬零件3D打印技術的理論與工藝研究相對較早。雖然我國在（zài）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，一些廠家也都推出了自己的商品化的金屬3D打印機，接下來（lái）小編就直（zhí）接製造金屬功能零件的快速成型的主要方法進行了歸納總（zǒng）結。

選區激（jī）光燒結（SLS） 

選擇性激光燒結技術（SLS）最初是由美國德克薩斯大學奧斯（sī）汀分校的Carl Deckard於1989年在其碩士論文中提出的， 選區激光燒結（jié），顧名思義，所采用的冶金機製為液相燒結機製，成形過（guò）程中（zhōng）粉體材料發生部分熔化，粉體顆粒保（bǎo）留（liú）其固（gù）相核心，並通過後續的固相顆粒重排、液相凝固粘接實現粉體（tǐ）致密化。美國DTM公司於1992年推出了該工藝的商業化生產設備SinterSation。德國的EOS公司在這一（yī）領域也做了（le）很（hěn）多研究工作，並開發了相應的係列成型（xíng）設備。國內有（yǒu）如華中（zhōng）科技大學、南京航（háng）空航天大學、西（xī）北工業大學、中北大學和北京隆（lóng）源自動成型（xíng）有限公司等，多（duō）家單位進（jìn）行SLS的相關研究工作，也取得了重大成果（guǒ）。 

SLS 技術原理及（jí）其特（tè）點 

整個工藝裝置由（yóu）粉末缸和成型缸組成，工作粉末缸活塞（sāi）（送（sòng）粉（fěn）活（huó）塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞（sāi）（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光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層麵。完成一層後，工作（zuò）活塞下降（jiàng）一個層厚，鋪粉係統鋪上新粉，控製（zhì）激光束再掃描燒（shāo）結新層。如此（cǐ）循（xún）環往複，層層疊（dié）加，直到三維零（líng）件成型。

 

SLS工藝采用半固態（tài）液相燒結機製，粉體未發生完全熔化，雖可在一定程度上降低成形材料積聚的（de）熱應力，但（dàn）成形（xíng）件中含有未熔固相（xiàng）顆粒，直接導致孔（kǒng）隙率（lǜ）高、致密度低、拉伸（shēn）強度差、表麵粗糙度高等工藝（yì）缺陷，在SLS 半固態成形體係中，固液混合體係粘度通常較高，導致熔融材料流動性差（chà），將出現 SLS 快速成形工藝特有（yǒu）的冶金缺（quē）陷——“球化”效應。球化現象不僅會增（zēng）加成形件表（biǎo）麵粗糙度，更會導致鋪粉裝置難以在已燒結層表麵（miàn）均勻（yún）鋪粉後（hòu）續粉層（céng），從而阻礙SLS 過程（chéng）順利開展。

由於燒結好的零件強度較低，需要經過後處理才能達到較高的強度並且製造的三維零件普（pǔ）遍存在強（qiáng）度不高、精度較低及表麵質量較差等問題。在SLS出現初期，相對於其他發展（zhǎn）比較（jiào）成熟的快速成型方法（fǎ），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（無需支撐）等優點（diǎn）。但由於成型過程中的能（néng）量來源為激光，激光器的應用（yòng）使其成型設備的成本較高，隨（suí）著2000 年（nián）之後激（jī）光快速成形設備的長足進步（表現為（wéi）先進（jìn）高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提高（gāo）等），粉體完全熔化的冶金（jīn）機製被用於金屬構件的激光快速成形。選擇性激光燒結技術（SLS）已（yǐ）被類似更為先（xiān）進的技術代替。 

直接金屬激光成形（DMLS）

SLS製造金屬零部件，通常有兩（liǎng）種（zhǒng）方法（fǎ），其一為間接法，即聚合物覆膜金屬粉末的SLS；其二為直接法，即直接金屬粉末激光燒結（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自（zì）從（cóng）1991年金屬粉末直接激光燒（shāo）結研究（jiū）在Leuvne的Chatofci大學開展以（yǐ）來，利用（yòng）SLS工藝直接燒結金（jīn）屬粉末成形三維零部件是快速原型製造（zào）的最終目標之一。與（yǔ）間接SLS技術相比，DMLS工藝最主要的優（yōu）點是取消了昂貴且費時的預處理和後處理工藝步驟。  

 

直接（jiē）金屬粉（fěn）末激光燒結（DMLS）的特點  

DMLS技術作（zuò）為SLS技術的一個分支，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較大難度，歸根結底，主要是由於金屬粉末在DMLS中的“球化”效應和燒結變（biàn）形，球化現象，是為使熔化的金屬液表（biǎo）麵與周邊介質表麵構成的體係（xì）具有最（zuì）小自（zì）由能，在液態金屬與周邊介質的界麵（miàn）張力作用下（xià），金屬液表麵形狀向球形表麵轉變的一種現象（xiàng）．球化會（huì）使金屬粉末熔化後無法凝固（gù）形成連續平滑的熔池，因（yīn）而形成的零件疏鬆多孔，致使（shǐ）成型失敗（bài），由於單組元金屬粉末在液相燒結階段的粘度相（xiàng）對較高，故“球化”效應尤為嚴重，且球形直徑往往（wǎng）大於粉末顆粒直徑，這會導致大（dà）量孔（kǒng）隙存在於燒結件中（zhōng），因（yīn）此（cǐ），單組元金屬粉末的（de）DMLS具有明顯的（de）工藝（yì）缺陷（xiàn），往往需要（yào）後續（xù）處理，不是真（zhēn）正（zhèng）意義上的（de）“直接燒結”。

為克服（fú）單組元金屬粉末DMLS中的“球化”現象，以及由此造成的燒結變形、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（shǐ）用預合金粉末來實現。多組分金屬粉末體係一般由高熔點（diǎn）金屬、低熔點金屬及某些添加元素混合而（ér）成，其中高熔點金屬粉末作為骨架金屬，能在 DMLS 中保留其（qí）固相（xiàng）核心；低熔點金屬粉末作為粘結金屬，在 DMLS 中熔化形成液（yè）相，生（shēng）成的液相包覆、潤濕和粘結固相金屬顆粒，以此實現燒結致密化。  

直接金屬粉末激（jī）光燒結（DMLS）的問題  

作為SLS技術的一個重（chóng）要分支的DMLS技術尚處在不斷發展和完善的過程（chéng）之中，其（qí）燒結的（de）物理過程及燒結致密（mì）化機（jī）理仍不明了，不同金屬粉末體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（zhí）接激光燒結過程（chéng）的（de）數學、物（wù）理模型，定量研（yán）究DMLS燒結致密化（huà）過程中的燒結行為和組織結構（gòu）變（biàn）化，成為粉末（mò）冶（yě）金科學與工程研究中的重要內容之一。DMLS中，金屬粉末的物（wù）性對（duì）於燒結質量有著及其重要（yào）的影（yǐng）響，相同的工藝參數條件下，不同的粉末體（tǐ）係的燒結效果（guǒ）往往有很大的區別。把握粉末體係的物（wù）性，為其選擇最優化的工（gōng）藝參數，是DMLS的最基本、最重要的要求。大量研究（jiū）表明，影響DMLS質量的三個關鍵物性（xìng）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（sī）想最初由德國Fraunhofer研究所於1995年提出，2002年該研（yán）究所對（duì）SLM 技術的研究取（qǔ）得巨大的成功。世界（jiè）上第一台SLM設備由英國MCP集團公司下轄的德（dé）國 MCP－HEK 分公（gōng）司已於 2003 年底推出。為獲取（qǔ）全致密的激光成形件，同時也受益於2000年之後激光快速成形設備的長足進步（表（biǎo）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於金屬（shǔ）構件的激（jī）光快速成形（xíng）。例如，德國著名的快速成形公司EOS公（gōng）司，是世（shì）界上較早開展金屬粉末激光燒結的專業化公司，主要從事SLS金屬粉（fěn）末、工（gōng）藝（yì）及設備研發。而該公司新近研發的EOSINTM270／280型設備（bèi），雖繼續沿（yán）用“燒結（jié）”這一（yī）表述，但已裝配200W光纖激光器，並采用完全熔化的冶金機（jī）製成形金（jīn）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（guó）等歐洲國家蓬勃發展。即（jí）便繼續沿用“選區激光燒結”（SLS）這一表述，實際所采用的成形機（jī）製已轉變為粉體完全熔化機製。 

選區激光熔化的原理  

SLM技術是在SLS基礎上發展起來的，二者的（de）基（jī）本原理類似。SLM技術需要使金屬（shǔ）粉末完全熔化，直接成型金屬件，因此需要高功率密度激光（guāng）器激光束開（kāi）始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然（rán）後激（jī）光束將按當前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上（shàng）的粉末，加工出當前層的輪廓，然後可升降係統下（xià）降一個圖層厚度的距離，滾動鋪粉輥再在已加工好的當前層上鋪金屬粉末，設備調入下一圖層進行加工，如此（cǐ）層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在抽真空（kōng）或通有氣體保護的加工室中（zhōng）進行（háng），以避免金（jīn）屬在高溫下與其他氣體發（fā）生反應（yīng）。SLM與DMLS的界限（xiàn）目前很模糊（hú），區別不明顯， DMLS技術雖翻譯為金屬的（de）燒結，實際成型過程中多數時候已將金屬粉（fěn）末完全熔化。DMLS技術使用材料都為（wéi）不同金屬組成的混合物，各成分在燒結（熔化）過程中相互補償（cháng），有利於（yú）保證製作精度（dù）。而SLM技（jì）術使用材料主要（yào）為單（dān）一組分的粉末，激光束快（kuài）速熔化金屬粉末並獲得連（lián）續的掃描線（xiàn）。  

 

選區激光熔化技術的發展問題 

激光選區成形件中，Fe基合金（主要（yào）是鋼）SLM成形（xíng）研究較多，但SLM成形工藝尚（shàng）需優化、成（chéng）形性能尚需進一步（bù）提高；對SLM成形性能（特別是占基（jī）礎（chǔ）地位的致密度），目前SLM成形的鋼構件通常難以實現（xiàn）全致密。解決鋼材料SLM成（chéng）形的致密化問題，是快速成形研究的關鍵性瓶頸問題。鋼材料（liào）激光成形的難度，主要取決於鋼中主要元素的化學特性。基體（tǐ）元素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強的親（qīn）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過程中，鋼熔體表麵氧化物等汙染層的存在，將顯著降低（dī）潤濕性（xìng），引（yǐn）起激光熔化特有的冶金缺陷球化效（xiào）應及凝固微裂紋，從而顯著降低激光成形致密度及（jí）相應的機械（xiè）性能。另一方麵，鋼（gāng）中C含量是決定激光成形性能的又一個關鍵因素。通常，過高的C含量將對激光成形性產生不利，隨C含量升高，熔體（tǐ）表麵C元素層的厚度亦會增加。這與氧化層的不利影響類（lèi）似，也會降低潤（rùn）濕性（xìng），導（dǎo）致熔體鋪展（zhǎn）性降低，並引起球（qiú）化效應。此（cǐ）外，在晶界上形成的（de）複雜碳化物會增大鋼材料激光成形件的脆性。因此，通常（cháng）對鋼（gāng）材料SLM成形，需提（tí）高激光能量密（mì）度及SLM成形溫度（dù），可促進碳化物的溶解，也可使合（hé）金元素均勻化。

通過粉體材料及SLM工藝（yì）優（yōu）化（huà），包（bāo）括：

1，嚴格控製原始粉體材料及激光成形係統中的氧含量以改善（shàn）潤濕性；

2，合理調控（kòng）輸（shū）入激光能量密度以獲取（qǔ）適（shì）宜的液相粘度及其（qí）流變（biàn）特性，可有效抑製球化效應及微裂（liè）紋形成，進而獲取近（jìn）全（quán）致密結構（gòu）。

對於以（yǐ）Al合金為（wéi）代（dài）表的輕合金零（líng）件激（jī）光快速成形，先前絕大多數研究報（bào）道是基於SLS半固態（tài）燒結成形機（jī）製，但因（yīn）嚴重的球（qiú）化效應及孔隙缺陷，故研究進展不大（dà）；而SLM技術可望為（wéi）高性能複雜結構Al合金零件近淨成形與快速製造提供嶄（zhǎn）新的技術途徑。Al基合金零件SLM成形具有高難（nán）度，是由材料（liào）自身特殊物理特性本質所決定的。一方麵，，通常低功率（lǜ）CO2激光難以使Al合金粉體發生有效（xiào）熔化，而要求使用能量密度更高的光纖（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。另一方（fāng）麵，Al合金材料熱導率高，SLM成形過程中（zhōng）激光能量輸入極易沿基（jī）板或在（zài）粉床中傳遞消（xiāo）耗（hào），導致激光熔池（chí）溫度降低（dī），熔體粘度增加且流動性降低，故（gù）其難以有效潤濕基體（tǐ）材料，導致SLM成形球化效應及內（nèi）部孔隙（xì）、裂紋等缺陷。其三，從成（chéng）形工藝角（jiǎo）度，Al合（hé）金材料密度（dù）較低，粉體（tǐ）流（liú）動性（xìng）差。 

需指出的是，基於SLM／SLRM成形（xíng）機製，雖能在一定程度上（shàng）改善激光（guāng）成形件的致密度和表麵光潔（jié）度（dù），但因成形過（guò）程中粉末（mò）發生完全熔化／凝（níng）固，故在固液轉變過程中將出（chū）現明顯的收縮變形，致使成形件中積聚較（jiào）大的熱應力，並將在冷卻過程中得以釋放，使得成形件發生（shēng）變形、甚至開裂。由於激光選區熔化成形技術成形粉末需求（qiú）量大，需要（yào）在整個成形平麵鋪設金屬粉末，因而不適宜（yí）成（chéng）形貴重的（de）金屬；整個成形平台較大（dà），惰性氣體（tǐ）保護效果較差，因（yīn）而也不適宜成形易氧化的金屬粉末。

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選（xuǎn）區激光熔化技術的（de）優勢  

在原理上，選區激光熔（róng）化與（yǔ）選區激光燒（shāo）結相似，但（dàn）因為采用（yòng）了較（jiào）高的激光能量密度和更細（xì）小的光斑直徑，成型件的力（lì）學性能、尺（chǐ）寸精度等均（jun1）較好（hǎo），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納如下：

1．直接製造金屬功能件件，無需中（zhōng）間工序； 

2．良（liáng）好的光束質量，可獲得細（xì）微聚焦光斑（bān），從而可以直接（jiē）製造出較高尺寸精度和較好表麵粗糙度的功能件；

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

4．粉末材料可為單一材（cái）料（liào）也可為多組元材料，原材（cái）料無需特（tè）別配製；

5．可直接製造出複雜（zá）幾何形狀的功能件；

6．特別（bié）適合（hé）於單件或小批量（liàng）的功能件製（zhì）造。選區激光燒結成型（xíng）件的致密度、力學性（xìng）能較差；電子束熔融成（chéng）型和激光熔覆製造難以獲得較高尺寸精（jīng）度的（de）零（líng）件；相比之下，選區激光熔化（huà）成型技術可以獲得冶金結合、致密組織、高尺寸精度和良好力學性能的成型件，是近年（nián）來快速成型的主要研究熱點和發（fā）展趨勢。  

選（xuǎn）區激光（guāng）熔化技術的研（yán）究展望  

（1）實現激光快速成形專用金屬粉體材料係（xì）列化與專業化。重視粉體材料對改善激光快速成形性能的物質基礎作用，深入定量研究適於選區激光熔化成（chéng）形工（gōng）藝的粉體化學（xué）成分、物性指標、製備（bèi）技術及表（biǎo）征方法，實現激光快（kuài）速成形專用金（jīn）屬及合金粉體材料的（de）專業化和係列化。  

（2）深入定量（liàng）研究（jiū）金屬及合金粉體激光成形冶金本質及其機理。緊（jǐn）扣金屬及合金粉體激光快（kuài）速成形關鍵科學問題，包括激光束—金屬粉體交互作用機理、激光熔池非平衡傳熱傳（chuán）質機製、超（chāo）高溫度梯度下金屬熔體快速凝固及內（nèi）部冶金缺陷和顯微組織（zhī）調控、金屬粉體激光（guāng）熔化成形（xíng）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激光快（kuài）速成形組織和性能提供科學理論（lùn）基礎。  

（3）高性（xìng）能複雜（zá）結構金屬及合金零件激光控（kòng）形控性淨形（xíng）製造。以激光快速成形專用高流動性金屬粉體設計製（zhì）備為物質基礎，以激光非平衡熔池冶金熱（rè）力學和動力學行為、激光成形顯微組織調控機製、激光成形件內應力演化規（guī）律（lǜ）多尺度預測為理論基（jī）礎，通過粉體設計製備—零件結構設計—SLM成形工藝—組織及性能評（píng）價的一體化研究，麵向航空航天（tiān）、生物醫藥、模具製（zhì）造等領域應用需求（qiú），實現高性能複雜結（jié）構金（jīn）屬及合金（jīn）關鍵零件激光（guāng）控形控性直接精密淨成（chéng）形製造。對於金屬零件選（xuǎn）區激光熔化快速成形的材料（liào）、工藝及理論的研究，尚有很多方麵未獲得本質突破。對於該領域諸多新材料、新工藝、新現象及新理論的深入（rù）研究與發掘，是（shì）實現激光快速成形技術走向工程應用（yòng）的基礎。 

選區激光熔化技術的研究工作（zuò） 

大量學者和研究團隊對選區激光熔化技術進行了大量（liàng）的工作。RehmeO等對選區激光熔化成型過程的重（chóng）要參（cān）數進行分析並歸類，研究了（le）掃描線長度（dù）、掃描（miáo）間距、層厚、成型方向等參數對零（líng）件（jiàn）的致密度和（hé）殘餘應力的影響。KozoOsakada等研究了鎳基合金、鐵基合金和純鈦材料（liào）的選（xuǎn）區激（jī）光（guāng）熔化成（chéng）型特性，分析成型件（jiàn）的（de）熱（rè）應力分布，通過掃描策略和預熱等（děng）方法減小熱應力（lì），並直接製造出致密度90％以（yǐ）上的金屬模具。J．P．Kruth等利用Rayleigh不穩定性原理解釋（shì）鐵基合金的球（qiú）化現象（xiàng），並提出利用（yòng）掃描（miáo）策（cè）略和控製氧含（hán）量的方法消除球化，同時研究不同的元素會對激（jī）光吸收率、熱傳導性、熔液的潤濕及鋪展性、氧含量以及（jí）Rayleigh不穩定性等的影響。I．Shishkovsky等對鋁鋯陶瓷材料的（de）選區（qū）激（jī）光熔化成型特（tè）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（qì）中成型的零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進行了研究，研究了掃描策（cè）略、激（jī）光功率等參數對成型質量的影響，其（qí）研究發現，不（bú）鏽鋼和工具鋼有（yǒu）著類似的成（chéng）型規律，並（bìng）且成型質量和掃描速度之間不是呈（chéng）線性關係，由此推測掃描速度對粉床熱量的損失量有影響（xiǎng）。I．Yadroitsev等采用不鏽（xiù）鋼等原材料對選區激光熔化成型工藝開展了很多工作，研究了掃描（miáo）策略（luè）對致密（mì）度的影響、掃描角度對（duì）力（lì）學性能的影響，采用（yòng）“填充後再填充的掃描策略”可獲得高致密（mì）度成型件，同時發現掃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（wài），通過工藝實驗，采用（yòng）優化（huà）工藝參（cān）數（shù）成（chéng）型出厚度為140μm的連續（xù）薄壁。Gusarov等利用熱力學分析選區激光熔化成型過（guò）程的熔池穩定性，采用Rayleigh不穩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較優熔池形狀，即減小（xiǎo）熔池長（zhǎng）寬比並增加熔池與（yǔ）基板的接觸線寬度。

KamranAamirMumtaz等研究了鎳合金的單道熔池，分析掃描策（cè）略對致密度的影響，並提出改善表麵質量的方法（fǎ），即采用“填充後再填充的掃描策略”可防止因（yīn）相鄰（lín）熔池搭接（jiē）而導致熱變形，同時成型出致密度達99．7％的合金零件（jiàn）。Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等［33－35］還對選（xuǎn）區激（jī）光熔化直接成型功能性材料（liào）進行了初（chū）步探索，並取得一些成果，如：Julio等（děng）采用選區激光（guāng）熔化直接製（zhì）造出（chū）具（jù）有散熱功能管材料；Rehme等采用選區（qū）激光熔化直接製（zhì）造（zào）出具有胞元結構的多孔（kǒng）醫用植入體材料，而McKown等則直接製（zhì）造出網格狀材料；Yadroitsev等則研究了選區激光熔化直接製造具（jù）有微孔結構的過濾材（cái）料零件。

國內對選區（qū）激（jī）光（guāng）熔化技術（shù）的研究工作（zuò）雖然起步較晚，但（dàn）至今也（yě）取得了很大的（de）進展。主要的研究單位有：華南理工大學、華中科技大學、南京航空航天（tiān）大學、上海交通大學等高校以及其他一些（xiē）科（kē）研單位（wèi）。其中華南理工大（dà）學在不鏽鋼、銅（tóng）合金、鎳合金（jīn）和鈦合金等開展了（le）大量的工藝實驗，研究了激光功率、掃描速度、掃描間距、掃描策略等對致密度、尺寸精度、內部組織（zhī）等（děng）的影響；華中科技大學也對不鏽鋼的成型工藝進行了一些探討，采（cǎi）用正交（jiāo）實驗方法優化工藝參（cān）數；南京航空（kōng）航天大學除了（le）對一些（xiē）常用材料進行研究外，還（hái）采用選區激光（guāng）熔化直接製造複合材料功能件；上海交（jiāo）通大學采用316L不鏽鋼研究了選（xuǎn）區激光熔化成型件的表麵質量和內部微觀組織，並得到高致密度的（de）功能件。

電子束熔化（huà）（EBM）

1994年瑞典（diǎn） ARCAM 公司申請的一份專利，所開發的技術稱（chēng）為電子束熔化成形技（jì）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 年推出第一代設備，此後美國麻省理工學院、美國航空航天局、北京航空製造工程研究所（suǒ）和我國清華大學均開發出（chū）了各自的基於電子束的快速製造係統。美國麻省理工學院開發的電子束（shù）實體自由成形技術（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication，EBSFF）。EBSFF 技術采用（yòng）送絲方式供給成形（xíng）材料前兩種利用（yòng）電子（zǐ）束熔化金屬絲材，電子束固定（dìng）不動（dòng），金屬絲材通過送絲裝置和工（gōng）作台移動，與激光（guāng）近形製造技術類似，電子束（shù）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、聚焦電流、偏擺掃描、工作距離、工件運動速度（dù）、送絲速（sù）度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材（cái）伸出長度等。這些因素（sù）共同作用影響熔積體（tǐ）截麵幾何參量，確區分單一因素的作用十分困難；瑞典 ARCAM 公（gōng）司與清華大學電子束開發的選區熔化（EBSM）利用電子束熔化鋪在工作（zuò）台麵上的金屬粉末，與激光選區（qū）熔化（huà）技術類似，利用電子（zǐ）束實時偏轉實現熔化成形，該技（jì）術不需要二維運動部件，可以實（shí）現金屬粉末的快速掃描成形。

 

電子束選區熔化（EBSM）原理

類似激光選區燒結和激光選區熔化工藝，電子（zǐ）束選區熔化技術（EBSM）是一種采用高能高速的電子束（shù）選擇性地轟擊金屬粉（fěn）末，從而使（shǐ）得粉末材料熔化成形的快速製造技術。EBSM技術（shù）的工藝過（guò）程為：先在鋪粉平麵上（shàng）鋪展一層（céng）粉末；然後，電子束在計算機的控製下按照（zhào）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下（xià）被（bèi）熔化在一起，並與下麵已成形（xíng）的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最後（hòu），去除（chú）多（duō）餘的粉末便得到所需（xū）的三維產品（pǐn）。上位機的實時掃描信（xìn）號經數模轉換（huàn）及功率放大後傳遞給偏（piān）轉線圈，電子束在對應（yīng）的偏轉電壓產（chǎn）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（fā）現（xiàn）對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（miáo）方式（shì）進行正交實驗。作用時間對成型影響最大。 

電子（zǐ）束（shù）選（xuǎn）區熔化的優勢

電子束直接金屬成形技（jì）術采用高能電子（zǐ）束作為加工熱源，掃描成形可通過（guò）操縱磁偏轉線圈進行，沒有機械慣性，且電子束具有的（de）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氧化。  電子束與激光相比，具有能量（liàng）利用率高、作用（yòng）深度大、材料吸收率高、穩定及運行維護成本低等優點（diǎn）。EBM技術優點（diǎn）是成型過程效率高，零件變形小，成型過程不需要（yào）金屬支撐，微（wēi）觀（guān）組（zǔ）織更致密等  電子束的偏轉聚焦控製更加快速、靈敏。激（jī）光的偏轉需要使用振鏡，在激光進行高速掃描時振鏡的轉速很高。在激光功率較大時（shí），振鏡需要更複雜的冷卻係（xì）統（tǒng），而振鏡的重量也顯著增加。因而在使用較大功率掃描時，激光的掃（sǎo）描速度將受到限製。在掃描（miáo）較大成形範圍時，激光的焦距也很難快速的改變。電子束的偏轉和聚焦利用（yòng）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（zhì）電子束的偏（piān）轉量和聚焦長度。電子（zǐ）束偏轉聚焦係統不會被金屬蒸鍍幹擾。用激光和電子束熔化金屬的時候，金屬蒸汽會彌散在整個成形空間，並在（zài）接觸的任何（hé）物體表麵鍍上（shàng）金屬薄膜。電子束偏轉聚焦都是在磁場中完成，因（yīn）而不會（huì）受到金屬蒸鍍的影響；激（jī）光器振鏡等光學（xué）器件則容易受到蒸鍍汙染。

 

電子束選區熔（róng）化的主要問題

真空室抽氣過程中粉末容易被氣（qì）流帶走，造成真空係統的汙染；但其存在一個比較特殊的（de）問題即粉末潰散現象，其原因是電子束具有較大動能，當高速轟擊金屬原子使之加（jiā）熱、升溫時，電子（zǐ）的部分動能也直接轉化為粉末微粒的動能。當粉末（mò）流動性較好時，粉末顆粒會（huì）被電子束推開形成潰（kuì）散現象。防止炊粉的基本原則是提高粉床的（de）穩定性，克服電子束的推力，主（zhǔ）要有四項措施：降（jiàng）低粉末的流（liú）動性，對粉末進行預熱，對成型底（dǐ）板進（jìn）行預熱，優化電子（zǐ）束掃描方式。因此，粉末材料一直很難成為真空電子束（shù）設備（bèi）的加工對象，工藝（yì）參（cān）數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（xiàn）象，提不同粉末體係所能承受的電子（zǐ）束域值電流（潰散電（diàn）流）和電子束掃描域值速度（dù）（潰（kuì）散速度）判據，並在此基礎（chǔ）上研究出混合粉末（mò）；  EBM技術成型室中必須為高真空，才能保證設備正（zhèng）常工（gōng）作，這使得EBM技術整機複雜度提高。還因在（zài）真空度下粉末容（róng）易揚起而造（zào）成係統汙染。此外（wài），EBM技術（shù）需要將係統預熱到800℃以上，使得粉末在成型室內預先燒結固化在（zài）一起，高預熱溫度對係統的整體結構提（tí）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（dāng）長一段（duàn）時（shí）間，降低了零件的（de）生產效率。 

電子束無法比較（jiào）難像激光束一樣聚焦（jiāo）出細微的光斑因此（cǐ）成（chéng）型件難以達到較高的尺寸精度。因此，對於精密或有細微結構的功（gōng）能件，電子束選區熔化成型技術是（shì）難以直接（jiē）製造出來的。  電子束偏轉誤差。EBSM係統采用（yòng）磁（cí）偏轉線圈產生磁場，使電（diàn）子偏（piān）轉。由於偏轉的（de）非線性以及磁場的非均勻性，電子束在大範圍掃描時會（huì）出現枕形失（shī）真。大偏（piān）角（jiǎo）時的散焦。EBSM係（xì）統采用聚焦線圈使電子束聚焦。若聚焦線圈中的電流（liú）恒定（dìng），電子束的聚焦麵為球麵，而電子（zǐ）束在平麵上掃描（miáo）。因此，電子束在不偏轉時聚焦，而在大角度偏轉時出現（xiàn）散焦。  

國內外研究狀況 

從 2003 年推出第一台設備 S12 至今（jīn），ARCAM 推出了（le）三款成形設備。在新一代成形設備 A1、A2成形（xíng）設備中（zhōng），成形零件的最大尺寸和精度都有較大的提高，並且在成形零件的冷卻中實現了（le）自動冷（lěng）卻。在成形和冷卻的過程中在真空室充入一定（dìng）壓強（qiáng）的氦氣，可（kě）以加速成形（xíng）後的冷卻速（sù）率，同時保持更低（dī）的氧含量。A1、A2 設備的應用領域也更加明確，A1 主要用來（lái）成形骨骼植入物，成形材（cái）料也主要為鈦、鈷（gǔ）合金；A2 主要用於成形航天航空領域和（hé）國防領域需要的（de）零件，也製作其它領域成形複雜度高的小批量金屬件。ARCAM 采（cǎi）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（de）零件，其中利用 A1 生產的合金骨（gǔ）骼早已通過了 CE 認證，迄今在歐洲大陸（lù）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（yòng） A2 生產的航空和國防領域的產品也取得了顯著的成果，除了具有以（yǐ）上所說的表（biǎo）麵光滑，可加工複雜形狀，還將原材料到最終（zhōng）產品質量的（de）比率由 15～20 降（jiàng）到了約為 1，大（dà）大的降低了成本。  

美國 NASA  Langley  Research  Center、Sciaky 公司、Lockheed Martin 公司等研究單（dān）位針（zhēn）對航空航天鈦合金、鋁合金結構開展了大（dà）量研究，最大成型速度達到了 3500cm3／h，較之其它（tā）的金（jīn）屬快速成型技術，效率提高了數十倍。利用該項技術完成（chéng）了（le）F－22 上鈦合金支座的直接製造，該零件（jiàn）成功通過了兩個周期（qī）的最大載荷全譜疲勞測試，並未發現永久變形。在國內清華大學機械係獨立的開發了電子束選區（qū）熔化設備，在（zài） 2004 年推出第一台電（diàn）子束選區熔化成形設（shè）備（bèi） EBSM150，並於（yú） 2008 年升級到第二代設備EBSM250，成形零件最大尺（chǐ）寸增大至 230mm×230mm×250mm。該課題組（zǔ）使用自行開發的（de）設備，對電子束選區熔化工藝的多個關鍵問（wèn）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，包括（kuò）成形控製係統開發、粉末預熱工藝、掃描路徑規劃（huá）、成形件的機械性能等。 

激光熔覆式成（chéng）型技術（shù）（LMD）

激光熔化沉（chén）積（jī）（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（shì）界很多地方相繼發展起來，由於許（xǔ）多大學和機構是分別獨立進（jìn）行研究的，因此這一技術的名稱（chēng）繁多。例如，美國Sandia國家實驗室的激光近淨成形技術LENS（LaserEngineeredNetShaping），美國Michigan大學的直接金屬沉積DMD（DirectMetalDeposition），英國伯明翰大學的直接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西北工業大學的激光快速成（chéng）形LRF（LaserRapidForming）等。雖然名（míng）字不盡（jìn）相同，但是（shì）他們的（de）原理基本相（xiàng）同，成型過程中，通過噴嘴將粉末聚集到工作（zuò）平（píng）麵上，同時激（jī）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，獲得堆積的熔覆實體。

LENS技術（shù）使用（yòng）的是千瓦級的激光（guāng）器，由於采用的激（jī）光聚焦光斑較大，一般在1mm以上，雖然可以得到（dào）冶金結合的致密金（jīn）屬實（shí）體，但其尺寸精度和表（biǎo）麵光潔度都不太好，需進一步進行機加工（gōng）後才能使用。激光熔覆是一個複（fù）雜的物理、化學冶金（jīn）過程，熔覆過程中的參數對熔覆件的質量有很大的影響（xiǎng）。激光熔覆中的過程參數主（zhǔ）要有激光功率（lǜ）、光斑直徑、離焦量、送粉（fěn）速度、掃描速度、熔池溫度（dù）等，他們的對熔覆層的稀釋率（lǜ）、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（tóng）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（kòng）製方法將各（gè）種影響因素控製在溶覆工藝允許的範圍內。

詳解5種金屬3D打印技術

同軸送粉（fěn）和（hé）側向送粉的區別 

激光同（tóng）步熔覆金（jīn）屬粉末工藝中，常見的有同（tóng）軸送粉和側向送粉兩（liǎng）種方式，側向（xiàng）送粉方式設計簡單、便於（yú）調節，但也有很多不足之（zhī）處。首先，由於激光束沿平麵（miàn）曲線任意曲（qǔ）線形狀掃描時，曲線上（shàng）各（gè）點的（de）粉末（mò）運動方向與激光束掃描速度方向間的夾角不一致，導（dǎo）致熔覆層各點的粉（fěn）末堆積形（xíng）狀發生變化（huà），直接影響熔覆層的表麵精度和均勻一致性，造成熔覆軌跡的粗糙與熔覆厚度和寬度的不均，很難保證最終零件的形狀和尺寸符合要求。其次，送粉位置與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（yòng）率下降和熔覆質量的惡（è）化。再次，采用側向（xiàng）送粉方式，激光束起不到粉末預熱和預（yù）熔化的作用，激光能量不能被充分（fèn）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）方式隻適合於線性熔覆軌跡的場合，如隻沿著X方向或Y方向運動，不適（shì）合複雜軌跡的運動。

另外，側向送粉隻適合於（yú）製造一些壁厚（hòu）零件，這是由（yóu）於側向送粉噴（pēn）嘴噴出的粉末是發散的，而不是匯聚的，不利於保證成型薄壁零件（jiàn）的精度。當（dāng）粉末輸送方向與基材運（yùn）動方向相同與相反時的熔覆狀況，熔覆層形狀明顯受粉末輸送方向與基材運動方向的影響。此外，如果粉末（mò）輸送方向與基材運動方（fāng）向垂直，熔覆層形狀會與兩者方向平行（háng）時得到的形狀差別更（gèng）大。因此，側向送粉具（jù）有明顯（xiǎn）的方向性（xìng），熔覆層幾何（hé）形狀隨運動方向不同而（ér）發生改變。  同軸送粉（fěn）則克服了上述的（de）缺點，激光束和噴嘴中心線於同一軸線上，這（zhè）樣盡管掃描速度方向發生變化（huà），但是粉末流相對工件的空間分布始終是（shì）一致的，能得到各向一致的熔（róng）覆（fù）層，還由於粉末的進給和（hé）激光束是同軸的，故能（néng）很好地（dì）適應掃描方向的變化，消除粉末輸送方向對熔覆層形狀影響，確保製造零件的精度（dù），而且（qiě）粉末（mò）噴出後呈匯聚（jù）狀，因此可以製造一些薄壁試件，解決了熔覆成型零件尺（chǐ）寸（cùn）精度的問題，這在薄壁零（líng）件的熔覆過（guò）程（chéng）中優（yōu）勢非常（cháng）明顯（xiǎn）。由此（cǐ）可見，同軸送粉方式有利於提高粉末流量和（hé）熔覆層形（xíng）狀的穩定性與（yǔ）均勻性，從而改善金屬成型件的精度和質量。 

激光熔覆（fù）式（shì）快速成型技術的發展 

美（měi）國對激光熔覆製造技術的研究起步較早（zǎo），在（zài）二十世紀八（bā）十年代即展開研究，至二十世紀九（jiǔ）十年代末已建立（lì）起一係列的激光熔覆製造工藝並應用於模具（jù）等領域的功能（néng）件直接製造。國內對激光熔覆製造技術（shù）的研究（jiū）較為成熟（shú）。如北京有色金屬研究院采用激光熔覆製造技術直接製造出（chū）組織致密的663錫（xī）青（qīng）銅（tóng）合（hé）金零件，零件的力學性能滿足實際使用要求。西北工業大（dà）學在二十世紀九十年代即開始了激光（guāng）熔覆製造技術的（de）探（tàn）索研究，在後期開發出激光立體成型係（xì）統，並（bìng）針（zhēn）對鎳基高溫合金、不鏽鋼（gāng）、鈦合金等材料的成型工藝特性進行了大量的工藝實驗，獲得了具有複（fù）雜形狀的金屬功能件。與電子束選區（qū）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（xué）性能良好的金屬功能件，但是受到激光光斑大小和工作台運動精度等因素的限製，所直（zhí）接製造的功能件（jiàn）的尺寸精度和表麵粗糙度較差，往往需要後續的機加工才能滿足（zú）使（shǐ）用要求。  而激光熔化沉積（LMD）的發展稍微晚點（diǎn），其中美國軍方對這一技術（shù）給予了大力的關注和支持，在其（qí）支持下，美國率先進行（háng）了該技術實用化的（de）研究。

1997年，美國MTS公司（sī）成立專門從事鈦合金（jīn）飛機結構件激光熔化沉積技（jì）術開發應用的AeroMet公司，在美國空（kōng）軍、陸軍及國防部有（yǒu）關研究計劃支持下，進行激光熔化沉積鈦合金（jīn）飛機結構件的研究；2000年，完（wán）成了鈦（tài）合金飛機機翼（yì）的（de）靜載強度測試試驗。2001年，其生產的三（sān）個鈦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（shí）由於材料和切削加工的節省，其（qí）製造成本降低20～40％，生產周期也縮短（duǎn）80％。但由於在鈦合金主（zhǔ）承力結構件的疲勞性能未超過鍛件標準，最終未能實現該技術（shù）在飛（fēi）機大型構件上的應用，公司於2005年關閉。盡管如此，具有低成本、短周（zhōu）期、高性能特點的激光（guāng）增材製造技術仍在美國的（de）航空航天、國（guó）防工業中發揮著重要的作（zuò）用。  

 

激光熔覆（fù）式快速成型（xíng）技術的問題 

然（rán）而，由於LMD的層層添加性，沉積材料在不（bú）同的區域重複經曆著（zhe）複雜的熱循（xún）環過程。LMD熱循環過程涉及到熔（róng）化（huà）和在較低溫度眾多的再加熱周期過程，這（zhè）種複雜的（de）熱行為導致了複雜相變和微觀結構的變化。因此，控製成形零件（jiàn）所需要的成分和結構存（cún）在較大的難度。另一方麵，采用細小的激光束快速（sù）形成（chéng）熔池導致較高的凝固速（sù）率和熔體的不穩定性。由於零件凝固成形過程中熱量的瞬態變化（huà），容易（yì）產生複雜的殘餘應力。殘餘應力（lì）的存在（zài）必然導致變形的產（chǎn）生，甚（shèn）至在LMD成形件（jiàn）中（zhōng）產生裂紋（wén）。成分、微觀結構的不可控性（xìng）及殘餘應力（lì）的形（xíng）成是LMD技術麵（miàn）臨的（de）主要困境。

激光熔覆式快速（sù）成型技術的優勢 

DMD／LENS的（de）實質是計算機控（kòng）製下金屬（shǔ）熔體的三維堆積成形。與DMLS和SLM／SLRM不（bú）同的是，金屬粉末（mò）在噴嘴中即已處於加熱熔融狀態，故其特別適於（yú）高熔點金屬的激光快速成形。事實上，美國Sandia國（guó）家（jiā）實驗室在美（měi）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（zhuāng）備領域的複雜形狀高熔點金屬零（líng）部件；並以（yǐ）此為（wéi）基（jī）礎，將成形材料體係拓展為工具鋼，不鏽鋼，鈦合金，鎳基高溫合金等。美國Sandia國家實驗室開展的複雜（zá）零件LENS成形研究工作，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，目前相關（guān）技術細節很（hěn）少有公開報道。特別需要（yào）說明（míng）的是，通過調節送粉裝置、逐漸改變粉末成分，可在同一（yī）零件的不同位置實現材料成分（fèn）的連續變化，因此LENS在加工異質（zhì）材料（如功能梯度材料）方麵具（jù）有（yǒu）獨（dú）特（tè）優勢。  

詳解（jiě）5種金屬3D打印技（jì）術

送絲式激（jī）光熔（róng）覆式快（kuài）速成型技術 

由於粉末激光增材製造中不可避免（miǎn）的缺陷，比（bǐ）如粉（fěn）末（mò）的利用率很低（20～30％），粉末的汙染（rǎn）問（wèn）題，粉末相對昂貴的價格等。而送絲式激光增材製造不僅材料利用率很高（gāo）（幾乎（hū）100％），沒有粉塵汙染，對設備的要求比較低，更（gèng）加具有經濟性。因此，近些年來，一些機（jī）構已經開（kāi）始將目光轉移（yí）到送（sòng）絲（sī）的增材製（zhì）造技術研究上來。目前，應用最多的還是（shì）采用TIG電弧熔（róng）絲的方式，而（ér）用激（jī）光的很少。綜上所（suǒ）述，目前國外關於送絲式的激光增材製造研究比較少，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（hú）熔絲方法製備的鈦合金主（zhǔ）要以網籃組織為主，而激光增材製造的（de）以魏氏組（zǔ）織為主，這是由於兩種方式不同的能量特點和輸入（rù）造成的。

送粉式與送絲式激光（guāng）熔覆式快（kuài）速成型技術對比

送粉（fěn）式在（zài）工藝窗口（kǒu）和內部缺陷等方麵均優於送絲式，送粉式的激光（guāng）增材製造大大減少了所需的激光功率（lǜ）閾值。采用送絲式時隨著增（zēng）大激光功率，沉積層的高度呈線性下降，影響成形效率，此時必須加大送絲速度，但送絲速度的增（zēng）加又會帶了送（sòng）絲穩（wěn）定性的問題（tí）。因此，送絲成形對激光功率、送絲速度、掃描速度這三者之間的參數匹配很重（chóng）要。而送（sòng）粉式在增大功率時，高度基本不變。  尺（chǐ）寸（cùn）精度（dù）方麵，送粉式（shì）在厚度方向除了（le）底（dǐ）部較窄外，其他地方厚薄均勻，側壁（bì）非常（cháng）平直；長度方（fāng）向（xiàng）上，熔池未下（xià）淌，成形較平直。送絲式在厚度方（fāng）向上厚薄較均（jun1）勻，但由於絲的剛性擾動和絲與光的對中性要求比較苛刻，因而容易出現絲和光的微小偏離，從而使側壁成形不是很平直，出現了彎曲；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（ér）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。  綜上所述，在工（gōng）藝窗口、內部缺（quē）陷（xiàn）、尺寸精度和表麵精度方麵，送（sòng）粉式的要優於（yú）送絲式的；在效率和經濟性方麵，送絲式具有突出性的優勢。