3D打印技術正在快速改變傳統的（de）生產方式和生活方式，作為戰略性新興產業，美國、德國（guó）等發達（dá）國（guó）家高度重視並積極推廣該技術。當然我國的3D打印技術也在（zài）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《共擔時代責（zé）任 共促全球發展》的（de）主旨演講（jiǎng）中（zhōng）就提到3D打印、人工智能等新技術不斷湧現，但尚未形（xíng）成（chéng）新的經濟增長點。不少專家（jiā）認為，以數字化、網絡化、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命。金屬零件3D打印技（jì）術作（zuò）為整個3D打印體係中（zhōng）最為前沿和最有潛力的（de）技術，是先進製造技術（shù）的重要發展方向。隨著科技發展及（jí）推廣應用的需求，利用快速成型直接製（zhì）造金屬功能（néng）零件成（chéng）為了快速成型主要的發展方（fāng）向。目前可用於直接製（zhì）造（zào）金屬功能零件的快速成型方法主要有：包括選區激光燒結（Selective Laser Sintering， SLS）技術、直接金屬粉末激光燒結（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、選區（qū）激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技（jì）術、激（jī）光（guāng）近淨成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術和電子束選（xuǎn）區熔化（huà）（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術等（děng）。

 

國（guó）外對（duì）金屬零（líng）件3D打（dǎ）印技術的理論與工藝研究相對較早。雖然我國在技術上落（luò）後於這些歐美大國，但是經過這些年（nián）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，接下來小編就直（zhí）接製造金屬功能零件的快速（sù）成（chéng）型的主要方法進行了歸納總結。

選區激光燒結（SLS） 

選擇性激光燒結技術（SLS）最初是由美國德克薩斯大學奧（ào）斯（sī）汀分校的Carl Deckard於1989年（nián）在其（qí）碩士論文中提出的， 選區激光燒結，顧名思義，所采用的冶金機製為液相燒結機（jī）製，成形過程中粉體材料發生部分熔化，粉體顆粒保（bǎo）留其固相核（hé）心，並通過後續的固相顆粒重排、液相凝固（gù）粘接實（shí）現粉體（tǐ）致密化。美國DTM公司於1992年推（tuī）出了該工藝的商業化生產設備SinterSation。德國的EOS公司在這一領域也做了很多研究工作，並開發了相應（yīng）的係列成型設備。國內有如華中科技大學、南京（jīng）航空航天大學、西北工業大學、中北大學和（hé）北京隆源自動成型有限公司等，多家單位進行SLS的相關研究工作，也取得了重大成果。 

SLS 技術（shù）原理及其特點 

整個工藝裝置由粉末（mò）缸和成型缸組（zǔ）成，工作粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均勻鋪上一（yī）層，計算（suàn）機根據原型的切片模型控製激光束（shù）的二維掃（sǎo）描軌跡，有選擇地燒結（jié）固體粉末材（cái）料（liào）以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（xì）統鋪上新粉，控製激光束再掃描燒結新層。如此循環（huán）往複，層層疊加，直到（dào）三維零件成型。

 

SLS工藝采用半固態液相（xiàng）燒結機製（zhì），粉體未發生完全熔化（huà），雖可在（zài）一定程度上降低成形材料積聚（jù）的熱應力，但成形件中含有未熔固相顆（kē）粒，直接導致（zhì）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（bàn）固態（tài）成形體係中，固液混合體係粘度通（tōng）常較高，導（dǎo）致熔融材（cái）料流動性差，將出現（xiàn） SLS 快速成形工藝特有的冶金缺陷（xiàn）——“球化”效應。球化現（xiàn）象不（bú）僅會增加成形件表麵粗糙度，更會導致鋪（pù）粉裝置難以在（zài）已燒結（jié）層表麵均勻鋪粉後續粉層，從而阻礙SLS 過程順利（lì）開展。

由於燒結（jié）好的零件強度較低，需要經過後處理才能達到較高（gāo）的（de）強度並（bìng）且製造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表麵質量較差等問題。在SLS出現初期，相對於其他發展比較成熟的快速（sù）成型方法，選擇性激光燒結（jié）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（yōu）點。但由於成型過程中的能量來源為激光，激光（guāng）器的應用使其成型設備的成本較高，隨著2000 年之後激光快速成形（xíng）設備（bèi）的長足進步（表現為先進高能光（guāng）纖激光器的使用、鋪粉精度的提（tí）高（gāo）等），粉體完全熔化的冶金機製被用於金屬構件的激光快（kuài）速成形。選擇性激光燒結技術（SLS）已被類似更為（wéi）先進的技術代替。 

直（zhí）接金（jīn）屬（shǔ）激光（guāng）成形（DMLS）

SLS製造（zào）金屬零（líng）部件（jiàn），通常有兩種方法，其一為（wéi）間接法，即聚合物（wù）覆膜金屬粉末的SLS；其二為直接法，即直接金屬粉（fěn）末激光燒結（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自從1991年金（jīn）屬粉末直接激光燒結（jié）研究在Leuvne的Chatofci大學開展以來，利用SLS工藝直（zhí）接燒結金屬粉末成形三維零（líng）部件是快速原型製造（zào）的最終目標之一。與間接SLS技術（shù）相比，DMLS工藝最主要的優點是取消了昂貴且費時的預（yù）處理和後處（chù）理工藝步驟。  

 

直接金屬粉末激光燒結（DMLS）的（de）特點  

DMLS技（jì）術作為SLS技術的一個分支，原理基本（běn）相同。但DMLS技術精確成形（xíng）形狀（zhuàng）複（fù）雜的金屬零部件有（yǒu）較大難度，歸根結底，主要是由於金屬粉末（mò）在DMLS中（zhōng）的“球化”效應和燒結變形，球化現象，是為使熔化的金屬液表麵與周邊介質表麵構成的體係具有最小自由能，在液態（tài）金屬（shǔ）與周邊介（jiè）質的界麵張力作用下，金屬液表麵形狀向球形表麵轉變（biàn）的一種現象．球化會使金屬粉（fěn）末（mò）熔化後無法凝固形成連續平滑的熔池（chí），因而形成的零件疏鬆多孔（kǒng），致使成型失敗，由（yóu）於單組元金屬粉末在液相燒結（jié）階段的粘度相對較高，故“球化”效應尤為嚴重，且球形直（zhí）徑往往大於（yú）粉末顆粒直徑，這會導致（zhì）大量孔隙存在於燒結（jié）件中，因此，單組元金（jīn）屬（shǔ）粉末的DMLS具有（yǒu）明顯的工藝缺陷，往往需要後續處理，不是真正意義上的“直接燒結”。

為克服單組（zǔ）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（dù）疏鬆等工藝缺陷，目前一般可以通過使用熔點不同的（de）多組元金屬粉末或使用預（yù）合金粉末來實現。多組分金屬（shǔ）粉（fěn）末體係一（yī）般由高熔點金屬、低（dī）熔點金屬及（jí）某些添加元素混合而成，其中高熔點金屬粉末作為骨架金屬（shǔ），能在 DMLS 中保留其固相（xiàng）核心；低熔（róng）點金屬粉末作為粘結金屬，在 DMLS 中熔（róng）化形成液（yè）相，生成的液相包覆（fù）、潤濕和粘結固相金屬顆粒，以此實現燒結致密化。  

直接金屬粉末激光燒結（DMLS）的問題  

作為SLS技術的一個重要分支（zhī）的DMLS技術尚處（chù）在不斷發展（zhǎn）和完善的過程（chéng）之中，其燒結的物理過程及燒結致（zhì）密化機理仍不明了，不同金（jīn）屬粉末體係的激光燒結工（gōng）藝參數仍需摸索，專用粉末的研製與開發還（hái）有待突破。因此，建立金屬粉末直接激光燒結過程的數學、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構（gòu）變化，成為（wéi）粉末冶金科學與工程研究中的（de）重要（yào）內（nèi）容之一。DMLS中，金屬粉末的物性對於燒結（jié）質量有著及其重（chóng）要的影響，相（xiàng）同的工藝（yì）參數條件下，不同的粉末體（tǐ）係的燒結效果（guǒ）往往有很（hěn）大的區別。把握粉末體係（xì）的物性，為（wéi）其選擇最優化的工藝參（cān）數，是DMLS的最基本、最（zuì）重要的要求。大量（liàng）研究（jiū）表明，影響DMLS質量的三個關鍵（jiàn）物性參數（shù）主要為（wéi）：燒結特性、攤鋪特性和穩定性。

1486966999070012318.png

選區激（jī）光熔（róng）化（SLM） 

SLM 的（de）思想最初由德國Fraunhofer研究所於（yú）1995年提出，2002年該研究所對SLM 技術的（de）研究取得巨大的成功（gōng）。世界上（shàng）第一台SLM設備由英國MCP集團公（gōng）司下轄的德國 MCP－HEK 分公司已於（yú） 2003 年底推出。為（wéi）獲取全致密的激（jī）光（guāng）成（chéng）形件，同時（shí）也（yě）受益於2000年（nián）之後激光快速成形設備的長足進步（表現為先進高能光纖激光器的使用、鋪粉（fěn）精度的提（tí）高等（děng）），粉體完全熔化的冶金機製被用（yòng）於金屬構件的激光快速成形。例如，德國著名的快速成形公司EOS公（gōng）司，是世界（jiè）上較早開展（zhǎn）金屬粉（fěn）末激光燒結的專業化公司，主（zhǔ）要從事SLS金（jīn）屬粉末、工藝及設備研發。而（ér）該公司新近研發的EOSINTM270／280型設備，雖繼續沿用“燒結”這（zhè）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（xíng）金屬構件，成形性能得以顯著提高（gāo）。目前（qián），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。即便繼續沿用“選區激光燒結”（SLS）這一表述，實（shí）際所采用的成形機製已（yǐ）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）基本原理類似。SLM技術需要使金屬粉末完全（quán）熔化，直接成型金屬件（jiàn），因此需要高功率密度激光器激光束開始掃描前，水平鋪粉輥先（xiān）把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然後激光束將按當前層的輪廓信息選擇性地（dì）熔化基板上的粉末（mò），加（jiā）工出（chū）當前層的輪廓，然後（hòu）可升降係統下降一個圖層厚度的距離，滾（gǔn）動鋪粉輥再在已加（jiā）工好的（de）當前層上鋪金屬粉末，設備調入下一圖層進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在抽真空或通有氣體保護的加工室中進行，以（yǐ）避免金屬（shǔ）在高溫下與其他氣體發生反應。SLM與DMLS的界限目前（qián）很模糊，區別不明顯， DMLS技術雖翻譯為金（jīn）屬的燒結（jié），實際成型過程中多數時候已將（jiāng）金屬粉末完全（quán）熔化。DMLS技（jì）術（shù）使用材料都為不同金屬組成的混合物（wù），各成分在燒結（熔化）過程中相互補償（cháng），有利於保證製作精度。而SLM技術使用材（cái）料主要為單一組分的粉末，激光束快速（sù）熔化金屬粉末並獲得連續的掃描線（xiàn）。  

 

選區激光熔化技術的發（fā）展問題（tí） 

激光選區成形件中，Fe基合金（主要是鋼）SLM成形研究較多，但SLM成形工藝尚需（xū）優化、成形（xíng）性能尚需進一步提高；對SLM成形性能（特別是占基礎地位的致密度），目前SLM成形的鋼構件通常難以實現全（quán）致密。解決鋼材料SLM成形的致（zhì）密化問題，是快速成形研究的關鍵性瓶頸問題。鋼材料（liào）激（jī）光成形的難度，主（zhǔ）要取決於鋼（gāng）中主要元素的化學特性。基體元（yuán）素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強的親和性，在（zài）常規粉末處理和激光成形條件下（xià）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（wù）等汙染層的存在（zài），將顯著降低潤濕性，引起激光熔化特有的冶金缺陷球化效應及凝固微裂（liè）紋（wén），從而顯著降低激光（guāng）成形致密度及（jí）相應的機械性能。另一方（fāng）麵，鋼中C含量是決定激（jī）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，熔體表麵C元素層（céng）的厚度亦會增加。這與氧化層的不利影響類似（sì），也會降低潤濕性，導致熔體鋪展性降低，並引起球化效應。此外，在晶界上形成的複雜碳化物會增大鋼材（cái）料激光成形件（jiàn）的脆性。因此，通常對鋼材料SLM成（chéng）形，需提高（gāo）激光能量密度及SLM成形溫度，可促進碳化物的溶（róng）解，也可使合金元素均勻化。

通過粉體材料（liào）及SLM工藝優化，包括：

1，嚴格控製原始（shǐ）粉體材料及激（jī）光成形係統中的氧含量以改善潤濕性；

2，合理調（diào）控輸（shū）入激光能量密度以獲取適宜的液相粘度及其流變特性（xìng），可有效抑製球化效應及微裂紋形成，進而獲取近全致（zhì）密結構。

對於以Al合金為代表的輕（qīng）合金零件激光快（kuài）速成形，先前絕大（dà）多數研究報道（dào）是基（jī）於SLS半固態燒結成形（xíng）機製，但因嚴重（chóng）的（de）球化（huà）效應及孔（kǒng）隙缺（quē）陷，故研究進展不大；而SLM技術（shù）可望為高性能複雜（zá）結構Al合金零件近淨成（chéng）形與快速製造提供嶄新的技術途徑。Al基合（hé）金零件SLM成形（xíng）具有高難度，是由材料自身特殊物理特性本質所決定的。一方麵，，通常低功率CO2激光難以使Al合金粉體發（fā）生有效熔化，而要求使用能量密度更高的光纖或Nd：YAG激光，這無疑對激光器性能提出了更苛刻的（de）要求。另一方麵，Al合金材（cái）料熱導率高，SLM成形過程中激光能量輸（shū）入極（jí）易沿基板或在粉床中傳遞消耗，導（dǎo）致激（jī）光熔池溫度降低，熔體粘度（dù）增加且（qiě）流動性降低（dī），故其難（nán）以有效潤濕（shī）基體材料，導致（zhì）SLM成形球化效應及內部孔隙、裂紋等缺陷。其三，從成（chéng）形工（gōng）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（chéng）形機製，雖能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表麵（miàn）光潔度，但因成形過程中粉末發生（shēng）完全熔化／凝固，故在固液轉變過程中將出現明顯的收縮變形（xíng），致使成（chéng）形件中積聚較（jiào）大的熱應力，並將在冷卻過程（chéng）中得以釋（shì）放，使得成形件（jiàn）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量大，需要在整個成形平麵鋪設金屬粉末，因而不（bú）適宜成形貴重的金（jīn）屬（shǔ）；整個成形平台較大，惰性氣體保護（hù）效果較（jiào）差，因而也不（bú）適（shì）宜成形易氧化的金屬粉末。

1486967179375093404.png

選區激（jī）光熔化技術的優勢  

在原理上，選區激光熔化與（yǔ）選區激光燒結相似，但因為采用了較高的激（jī）光能量密度和更細小的光斑直徑，成（chéng）型件的力學性能、尺寸精度等均較好，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）納如下：

1．直接製造金屬功（gōng）能件件，無需中間工序； 

2．良好的光束質量，可獲得細微聚焦光斑，從而可以直接（jiē）製造出較（jiào）高（gāo）尺寸精度（dù）和較（jiào）好表麵（miàn）粗糙度的功能件（jiàn）；

3．金屬粉末完全（quán）熔（róng）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（xìng）能，無需後處理；

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

5．可直接製造出複雜幾何形狀的功能件；

6．特別適合於單件或小批量的功能件製造。選區激光（guāng）燒結成型件的致密度、力學性能較差；電子束熔融（róng）成（chéng）型和激光熔覆製（zhì）造難以獲（huò）得較高尺寸精度（dù）的零件；相比（bǐ）之下，選區激光熔化成型技術（shù）可以獲得冶金結合（hé）、致密組織、高尺寸精度和良好（hǎo）力學（xué）性能的成型（xíng）件，是近年（nián）來快速成型的主要研究熱點和發展趨（qū）勢。  

選區激光熔化技術的研究展望  

（1）實（shí）現激光快速（sù）成形專用金屬粉（fěn）體材（cái）料係列化與專業化。重視粉體材料對改善激光快速成形性能的（de）物質基礎作用，深入定量研究適於選區激光熔化成形工藝的粉體化學成分、物性指標、製備技術（shù）及表征（zhēng）方法，實現激光快速成形專用金屬及合（hé）金粉體材料的專業化和係列化。  

（2）深入定量研究金屬及合金粉體激光成形冶金本質及其機（jī）理。緊扣金屬（shǔ）及（jí）合金粉體激光快（kuài）速成形關鍵科學問題，包括激光（guāng）束—金屬粉體交互作用機（jī）理、激（jī）光熔池非平衡（héng）傳（chuán）熱傳質機製、超高溫度（dù）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（tǐ）激光熔化成形全過程及各類型內應力（lì）演變等冶金（jīn）、物理（lǐ）、化學及熱（rè）力耦合問題，為改善金屬及（jí）合金粉體激光快速成形組織和性能提供科學理論基礎（chǔ）。  

（3）高性能複雜（zá）結構金屬及合金零件激光控形控性淨（jìng）形製造。以激光快速成形專用高流動性金屬粉體設（shè）計製備為物質基礎（chǔ），以激光非平衡熔池冶金熱力學和動力（lì）學（xué）行（háng）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（lǜ）多尺度預測（cè）為理論基礎（chǔ），通過粉體設計製備—零（líng）件結構設（shè）計—SLM成形工藝—組織及性能評價的一體化（huà）研究，麵向航空航天、生物醫藥、模具製造等領域應用需求（qiú），實現高性能複雜結構金屬及合金關（guān）鍵零件激光控形控性直接精密（mì）淨成形製造（zào）。對於金屬零件選區激光熔化（huà）快（kuài）速成形的材料、工藝及理論的研究，尚有很（hěn）多方麵未獲得本質突破。對（duì）於該領域諸多新材料、新（xīn）工（gōng）藝、新現象及新理論的深入研究與發掘，是實現激光快速成（chéng）形技術走向工程應用的基礎。 

選區激光熔化技術的研（yán）究工作 

大量（liàng）學者和研究團隊對選區激光熔化技術進行了大（dà）量的工作。RehmeO等（děng）對選區激光熔化成型過程的重要參數進行分析並歸類（lèi），研究了（le）掃描線長度（dù）、掃描間距、層厚、成型方向等參數對零件的致密度和殘（cán）餘應力的影響。KozoOsakada等研究（jiū）了鎳基合金、鐵基合金和純鈦材料的選區激光熔化成（chéng）型特性，分析成型件的熱應力分布，通過掃描策略和預熱等方法減小熱應力，並直接製造出致密度90％以上的金屬模具。J．P．Kruth等利用Rayleigh不穩定性原（yuán）理解釋鐵基合金的球化現（xiàn）象，並提（tí）出利（lì）用掃描策略和控製氧含量的方法消除球化，同（tóng）時（shí）研究不同的元（yuán）素會對激光吸收率、熱傳導性、熔液的潤濕及鋪展性、氧含量以及Rayleigh不穩定性（xìng）等的影響。I．Shishkovsky等對鋁鋯（gào）陶瓷材料的選區激光熔化成型特性進行（háng）了（le）分析，研究成型件的組織（zhī）結構及成份，並發現在空氣中成型的零件是具有致密組織結構和規則穩定（dìng）相分布的。

1486967207205083450.png

 

M．Badrossamay等對不鏽鋼和工具鋼進行了研（yán）究，研究了（le）掃描策略、激光功率等參（cān）數對成型質量（liàng）的（de）影響，其研究發現，不鏽鋼和工具鋼有著類似的成型規律，並且成型質（zhì）量（liàng）和掃描速（sù）度之間（jiān）不是呈線（xiàn）性關係，由此推測掃描速度對粉床熱量的損失量有影響。I．Yadroitsev等采用不鏽鋼等原材料對選區激光熔化（huà）成型工藝開展了很多（duō）工作，研究了掃（sǎo）描策略對致密（mì）度的影響、掃描角度對力學性能的影響，采用“填充後再填充的掃描策略”可獲得高致密度成型件，同時發現掃描傾斜角度對成型件的屈服強度和抗拉強度（dù）影響不大；另外，通過工藝實驗，采（cǎi）用（yòng）優化（huà）工藝參數成型出厚度為140μm的連續薄壁。Gusarov等利用熱力學（xué）分析選（xuǎn）區激光熔化成型過程的熔池穩（wěn）定性，采用Rayleigh不穩定性原理解釋高掃描速度（dù）下的球化現象，並提出適（shì）合連續熔池的較優熔池形狀，即減小熔池長寬比（bǐ）並增加熔池與基板的接觸線寬度。

KamranAamirMumtaz等研究了鎳合金的（de）單（dān）道（dào）熔池，分析（xī）掃描策略對致密（mì）度的影響，並提出改善表麵（miàn）質量的方（fāng）法，即采用“填充後再（zài）填充的掃描策略（luè）”可防止因相鄰熔池搭接而導致熱變形，同時成型出致密度達99．7％的合金零件。Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等［33－35］還對選（xuǎn）區激光熔化（huà）直接成型功能性材料進行了初步（bù）探索，並取得一些成果，如：Julio等采用選區激光熔化直接製造出具有散熱功能管材料（liào）；Rehme等采用選區激光熔化直接製造出具有胞元結構的多孔醫用植入體材料，而McKown等則直接製造出網格狀材料；Yadroitsev等（děng）則（zé）研究了選區激光熔化直接製造具有微孔結構的過濾材料零（líng）件。

國內對選區激光熔化技術的研究工作雖（suī）然起步較晚，但（dàn）至今也取得了很（hěn）大的（de）進展。主要的研究單位有：華南理工大學、華中科技大（dà）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）。其中華南（nán）理工大學在不鏽鋼、銅合金、鎳合（hé）金和鈦合金等開展了大量的工藝實驗，研究了激光功率、掃（sǎo）描速度、掃描間距、掃描策略等對致密度、尺寸精度、內部組織等的影響；華中科技大學也對不（bú）鏽鋼的成（chéng）型工藝進行了一些探討，采用正交實驗方法優化工藝參數；南京航空航天大學除了對一些常用材料進行研究外，還采用（yòng）選區激（jī）光熔（róng）化（huà）直接製造複合材料功能（néng）件；上海交通（tōng）大（dà）學采用（yòng）316L不（bú）鏽鋼研究了選區激光熔化成（chéng）型件的表麵質量和內部微觀組織，並得到高致密度的功能件。

電子束熔化（EBM）

1994年瑞典 ARCAM 公司申請的一份專（zhuān）利，所開發的技（jì）術稱為電子束熔化成形技術（shù）（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（chū）第一代設備，此（cǐ）後美國麻省理工學院、美國航空航天局（jú）、北京航空製造工程研究所和我國清（qīng）華大學均開發出了各自的基於電子束的快速製造係統。美國麻省理工（gōng）學院開發（fā）的電子（zǐ）束實體自由成形技（jì）術（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication，EBSFF）。EBSFF 技術（shù）采用送絲方式供給成形材料前兩種利用電子束熔化（huà）金屬絲材（cái），電子束固定不動，金屬絲材通（tōng）過送絲裝置和（hé）工作台移動，與（yǔ）激光近形製造技（jì）術類似，電子束熔絲沉積（jī）快速製造時，影響因素較多，如電子束流、加速電壓、聚焦電流、偏擺掃描、工作距離（lí）、工件運動速度、送絲速度、送（sòng）絲方（fāng）位、送絲角度、絲（sī）端距工件的（de）高度、絲材伸出長度等。這些因（yīn）素共同作用影響（xiǎng）熔積（jī）體截（jié）麵幾何參量，確區分單一因素的（de）作用十分困難；瑞典（diǎn） ARCAM 公司與清華大學電子束開發的選區熔化（EBSM）利用電子（zǐ）束熔化鋪在工（gōng）作台麵上的金屬粉末，與激光選區熔化（huà）技術類似，利用電子束實時偏轉（zhuǎn）實（shí）現熔化成形，該技術不需要二維（wéi）運（yùn）動部件，可以實現金屬粉末的快速掃描成（chéng）形（xíng）。

 

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（huà）工藝，電子束選區熔化技術（EBSM）是一種采用高能高速的電（diàn）子束選擇性（xìng）地（dì）轟擊（jī）金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成形的快速製造技（jì）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（hòu），電子束在（zài）計算機的控製下按照截麵輪（lún）廓的信息進（jìn）行有選擇的熔化（huà），金屬粉末在電子束的轟擊（jī）下被熔化在一起，並與下麵已成形的部分粘（zhān）接，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最（zuì）後，去除多餘的粉末便得到所（suǒ）需（xū）的三維產品。上位機的實時（shí）掃描信號經數模轉換及功率放大後傳遞給（gěi）偏轉線圈，電子束在對應的（de）偏轉電壓產生的（de）磁場作用下偏轉，達到選擇性熔化。經過（guò）十幾年的研究發現對於一些（xiē）工藝參數如電子（zǐ）束電流、聚焦電流（liú）、作用時間、粉末厚度、加速電壓、掃（sǎo）描方（fāng）式（shì）進行正交實驗。作用時間對（duì）成型影響最大。 

電（diàn）子束選區熔化的優勢

電子束直接金屬成形技術采用高能電子束（shù）作為加工熱源，掃描成形可通過操縱磁（cí）偏（piān）轉（zhuǎn）線圈進行，沒有機械慣性，且電子（zǐ）束具有的真空環境還可避免金屬（shǔ）粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。  電子束與激光相比，具有能量利用率高、作（zuò）用深度大、材料吸收率高、穩定及運行維護成本低等優點。EBM技（jì）術優（yōu）點是成型過程效率（lǜ）高，零件變形小，成型（xíng）過程不（bú）需要金屬支撐，微觀組織更致（zhì）密等  電子束的偏轉聚焦控製更加（jiā）快速、靈敏。激光的偏轉需要使用振鏡，在激光進行高速掃描（miáo）時振（zhèn）鏡的轉速很高。在激光功率較大時，振鏡需要更複雜的冷卻（què）係統，而振鏡的重量也顯著增加。因而在使用較大功率掃描（miáo）時（shí），激光的掃描速度將受到限製。在掃描較大成形範圍（wéi）時，激光的焦距也很難快速的改（gǎi）變。電子束的偏轉和聚焦利用磁場完成，可以通過改變電信號的強度和方向快速靈敏的控製電子束的偏轉量和聚（jù）焦長度。電子束（shù）偏（piān）轉聚焦係統不會被金（jīn）屬（shǔ）蒸鍍幹擾。用激光和電子束熔化金屬的時候，金（jīn）屬蒸汽會彌散在整個成形空間（jiān），並在接觸的任何物體表麵鍍上金屬薄膜。電子束偏轉聚焦都是（shì）在磁場中完成，因而不會受到金屬蒸鍍的影響；激光器振鏡等光學器件則容易受到蒸鍍汙染。

 

電子束（shù）選區熔化的主要問題

真空室抽氣過程中粉末容（róng）易被氣流帶（dài）走，造成真空係統的汙染；但其存在一個比較特（tè）殊的問題即粉末潰散現象，其原因是電（diàn）子束具有較大動能，當高速（sù）轟擊金屬原子使之加熱、升溫時，電子的部分動能也直接轉化（huà）為粉末微粒的動能。當粉末流動性較好時，粉末顆粒會被（bèi）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的穩定性，克服電子束的（de）推力，主要有四項措施：降低粉末的流動性，對粉末進行預熱，對成型（xíng）底（dǐ）板進行預熱，優化（huà）電（diàn）子束掃描（miáo）方式。因此，粉末材料一直很難成為真空電子束設備的加工（gōng）對象，工藝參數方麵的研究更是鮮有報導。針對粉末在電（diàn）子束作用下容易潰散的現象，提（tí）不同粉末體係所（suǒ）能承（chéng）受的電子束域值電流（潰散電流）和電子束掃（sǎo）描域（yù）值速度（潰散速度）判據，並在此基礎上研究（jiū）出混合粉末；  EBM技術成型室中必須為高（gāo）真（zhēn）空，才能保證設備正常工作，這使得EBM技（jì）術整機複雜度提高。還因在真空（kōng）度下粉末容易揚（yáng）起而造成係統汙染。此（cǐ）外，EBM技術需要（yào）將係統預熱到800℃以上，使得（dé）粉末在成型室內預先燒結固化在一起，高預熱溫度對係統的整體結構提出非常高的（de）要求，加工結束後零件（jiàn）需要在真空成型室中冷卻相當長一段時間，降低了零件的生產效率。 

電子束無法比較難（nán）像激光（guāng）束一樣聚焦出細微的（de）光斑因此成型件難以（yǐ）達到（dào）較高的尺寸精度。因此，對於（yú）精密或有細微（wēi）結構的功（gōng）能（néng）件，電子束選區熔化成型技術是難以直接製造出來的（de）。  電（diàn）子束偏轉誤差。EBSM係統采用磁偏轉線圈產生磁場，使電子偏轉。由於偏轉的非線（xiàn）性以及磁場的（de）非均勻性，電子束在大範圍掃描時會出現枕形失真。大（dà）偏角時的散焦（jiāo）。EBSM係統采用聚焦線圈使（shǐ）電子束聚焦。若聚焦（jiāo）線圈中的電流恒定，電子束的聚焦麵為（wéi）球麵，而電子束在平麵上掃描。因此，電子束在（zài）不偏轉時聚焦，而在大角度偏轉時（shí）出現散焦。  

國內外研究狀況 

從 2003 年推出第一台設（shè）備 S12 至今，ARCAM 推出了三款成形設備。在新一代成形設（shè）備 A1、A2成形設備中（zhōng），成形零件的最大尺寸和精度（dù）都有較（jiào）大（dà）的提高，並且在（zài）成形零件的冷卻（què）中實現了自動冷卻。在成形和冷卻的過程中在真空（kōng）室充入一定壓強（qiáng）的氦氣，可以加速成形後（hòu）的冷卻速率，同時保持（chí）更低的氧含量。A1、A2 設備的應用領域也更（gèng）加明確，A1 主要用來成形骨骼植入物，成形材料也主要為鈦、鈷合金；A2 主要用於成形航天航空（kōng）領域（yù）和國防領域（yù）需要的零件，也製作其它領域成形複雜度高（gāo）的小批量金屬件。ARCAM 采用最新生產的 A1 和 A2 設備（bèi），生產了大量精度（dù）和強度更加優良的零件，其中利用 A1 生（shēng）產的合金骨骼早已通過了 CE 認證，迄今在歐洲大陸（lù）已經造福（fú）超過 10，000 名患者，在 2011 年初也通過了美國 FDA 的認證。利用 A2 生（shēng）產的航空和國防領域的產品（pǐn）也取得了顯著的（de）成果，除了具有以（yǐ）上所說的表麵光滑（huá），可（kě）加工複雜（zá）形狀，還將原材料到最終產品質（zhì）量的比率由 15～20 降到（dào）了約為 1，大大的降低（dī）了成本。  

美國 NASA  Langley  Research  Center、Sciaky 公司（sī）、Lockheed Martin 公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（jiū），最大成型速度達到了 3500cm3／h，較之其它的金屬快速成型技術（shù），效率提高了數十倍。利用該項技術完成了F－22 上鈦合金支座的直接製造，該零件成功通過了兩個（gè）周期的最大載荷全譜疲勞測試，並未發現（xiàn）永久變形。在國內清華大學（xué）機械係獨立的開發了電子束選區熔化設備，在（zài） 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。該課題組使用自行開發的設備，對電子束選區熔化工藝的多（duō）個（gè）關鍵問題進行了深入（rù）的研究，在近十年的時間內，做了大量研發工作，包括成形控（kòng）製係統開發、粉末預熱工藝、掃描路徑規劃、成形件的機（jī）械（xiè）性能等。 

激光熔（róng）覆式成型技術（LMD）

激光熔化沉積（jī）（Laser  Metal  Deposition，LMD）於上世紀90年代由美國Sandia國家實驗室首次提出，隨後在全世界很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，因此這一技術的名稱繁多。例如，美國Sandia國家實驗室的激光近淨成（chéng）形技術LENS（LaserEngineeredNetShaping），美國Michigan大學的直接金屬沉積DMD（DirectMetalDeposition），英（yīng）國伯明翰大（dà）學的直接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西北工業大學的激光快速成形LRF（LaserRapidForming）等。雖然名字不盡相同，但（dàn）是他們的原理（lǐ）基本相同，成型過程中，通過噴嘴將粉末（mò）聚集到工（gōng）作平麵上，同時激光束（shù）也聚集到該點，將粉光作用點重合，通過（guò）工作台或噴嘴移動，獲得堆（duī）積（jī）的熔覆實體。

LENS技術使用的是千（qiān）瓦級的激光器，由於采（cǎi）用的激光聚焦光斑較大，一般在1mm以上，雖（suī）然可（kě）以得到冶金結合的致密金屬實體，但其尺寸精度和（hé）表麵光潔度都不太好，需進一步進行機加工後才能（néng）使用。激光熔（róng）覆是一（yī）個複（fù）雜的物理、化學冶金過程，熔覆過程（chéng）中的參數對熔覆件的質量有很大的影響（xiǎng）。激光熔覆中的（de）過程參數主要（yào）有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、掃描速度、熔池（chí）溫度等（děng），他們的對熔覆層的稀（xī）釋率、裂紋、表麵粗（cū）糙度以及熔覆零件（jiàn）的致密性都有著很大（dà）影響。同時，各參數之間也相互影響，是一個非常複雜的（de）過程。必須采用合適的控（kòng）製（zhì）方法將各種影響因素（sù）控製在溶覆工藝允許的範圍內。

詳（xiáng）解5種金屬3D打印技術

同軸（zhóu）送粉和側向送粉的區別 

激光同步熔覆金屬粉末工藝中（zhōng），常見（jiàn）的有同軸送（sòng）粉和側向送粉兩種方式，側向（xiàng）送粉方式設計簡單、便於調（diào）節，但也有很多不足之處。首先（xiān），由於激光束沿平麵曲線任意曲線形狀掃描時，曲線上各點的（de）粉末運動方（fāng）向（xiàng）與激（jī）光束掃描速度方向間的夾角不一致，導致熔覆（fù）層各點的粉末堆積形狀發生變化，直接影響熔（róng）覆層的表麵精度和均（jun1）勻一致性（xìng），造成熔覆軌跡的粗糙與熔覆厚度（dù）和寬度的（de）不均，很難保證最終零件的形狀和尺寸符（fú）合要求。其（qí）次，送粉位置與激（jī）光光（guāng）斑中（zhōng）心很難對準，這種對位是（shì）很重要的，少量的偏（piān）差將會導致粉末利（lì）用率下降和熔覆質量的（de）惡化。再次，采用側向送粉方式，激光（guāng）束起不到粉末預（yù）熱和預熔化的作用，激光能量不（bú）能被充分（fèn）利（lì）用，容易出現粘（zhān）粉、欠熔覆、非冶金結合等缺陷。還有，側向（xiàng）送粉方式隻適合於線（xiàn）性熔覆軌跡的場（chǎng）合，如（rú）隻沿著X方向或Y方向運動，不（bú）適（shì）合複雜軌跡的運動。

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（de）粉（fěn）末是發散的，而不是匯聚的，不利於保證成型薄壁（bì）零件（jiàn）的精度。當（dāng）粉末輸送方向與基材運動方向（xiàng）相同與（yǔ）相反時的熔覆狀況，熔覆層形狀明顯受（shòu）粉末輸送方向與基材運動方向的影（yǐng）響。此外，如（rú）果粉末輸送方向與基材運動方向垂直（zhí），熔覆層形（xíng）狀會與兩者方向平行時得到的形狀差別更（gèng）大。因此，側向送粉具有明顯的（de）方向性，熔覆層幾何形狀隨（suí）運動方向不同而發生改變。  同軸送粉則克服了上述的缺點，激光束和噴嘴中心線於同一軸線上，這樣盡管掃描速度方向發生變化，但是粉末流相對工件的空間（jiān）分布始終是一致的，能得到各向一致的熔覆層，還由於粉末的進給和激光束是同軸的，故能很好地適應掃描方向的變化，消除粉末輸送方向（xiàng）對熔覆層形狀影響，確保製造零件的精（jīng）度，而且粉（fěn）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（de）問題，這在薄壁零（líng）件的熔覆過程中優勢非常明顯。由此可見，同軸送粉方式有（yǒu）利（lì）於（yú）提高粉（fěn）末流量和熔覆層形（xíng）狀的（de）穩定性與均勻性，從（cóng）而改善金屬成型件的精（jīng）度和質量。 

激光熔覆式快速成型（xíng）技術的發展 

美國對激光熔覆（fù）製（zhì）造技術的研究起步較（jiào）早，在（zài）二十世紀八（bā）十年代即展（zhǎn）開（kāi）研究，至二十世紀九十年代末已建立（lì）起一係列的激光熔覆製造工藝並應用於模具等領域的功（gōng）能件直（zhí）接製造（zào）。國內對（duì）激光熔覆製造技術（shù）的研究較為成熟。如北京有（yǒu）色（sè）金屬（shǔ）研究院采用激光熔覆（fù）製造技術直接（jiē）製造出組織致密的663錫青銅合金零件，零件的力學性能滿（mǎn）足（zú）實際使用（yòng）要求（qiú）。西北工業（yè）大學在二十世紀九十年（nián）代即開始（shǐ）了激光熔（róng）覆製造技術（shù）的探（tàn）索研（yán）究，在後期開發出激光立體成型係統，並針對鎳基高溫合金、不鏽鋼、鈦合金等材料的成型工藝特性進（jìn）行了大量的工藝實驗，獲（huò）得（dé）了具有複雜（zá）形狀的金屬功能件。與電子束選區熔化類似，激光熔覆（fù）製造技術可直接製造出組織致（zhì）密（mì）、力學性能良好的（de）金屬（shǔ）功能件，但是（shì）受到（dào）激光光斑（bān）大小和工（gōng）作台運動精度等因素（sù）的限（xiàn）製，所直接製造的功能件的尺寸（cùn）精度和表麵粗糙度較差，往往需要後續的機（jī）加工才能滿足使用要求。  而激光熔化沉（chén）積（LMD）的發展稍微（wēi）晚點（diǎn），其中美國軍方對這一技術給予了大力的關注和支持，在（zài）其支持（chí）下，美國率先（xiān）進行了（le）該技術實用化的研究。

1997年，美國MTS公司成（chéng）立專門從事鈦合金飛（fēi）機結構件激光熔化沉積（jī）技術開（kāi）發應用的AeroMet公司，在美國空軍、陸軍及國（guó）防部有關研究計劃支持下，進行激光熔化沉積鈦合金飛機結構件的研究；2000年，完（wán）成了鈦（tài）合金飛機機翼（yì）的靜載強度測試試驗。2001年（nián），其生產的三個鈦合金次承力結構件獲準在飛（fēi）機上使用，其性（xìng）能超過了傳統的製（zhì）造工藝，同時由於材（cái）料和切（qiē）削加工的節省，其製造成本降（jiàng）低20～40％，生產（chǎn）周期也縮短80％。但由於在鈦（tài）合金主承力結構件（jiàn）的疲勞性能未超過鍛件標準，最終未（wèi）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（jìn）管如此，具有低成本、短周期、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（gōng）業中發揮著重要（yào）的作用。  

 

激光（guāng）熔覆式快速成（chéng）型（xíng）技術的（de）問題 

然而，由於LMD的層層（céng）添加性，沉積材料（liào）在不同的區域重複經曆著複雜的熱循環過程。LMD熱循環過程涉及（jí）到熔化和在較低溫（wēn）度眾多的再加熱周期過程（chéng），這種複雜的（de）熱行為導致了複雜相變和微觀結構的變（biàn）化。因此，控製成形零件所需要的成分和結構存在較大的（de）難度（dù）。另一方麵，采用細小的激光束快速形（xíng）成熔池（chí）導致較高的凝固速（sù）率和熔體（tǐ）的不穩定性。由於零（líng）件凝固成形過程中（zhōng）熱量（liàng）的瞬態變化，容易產生複雜的殘（cán）餘應力。殘餘應力的存在必然導（dǎo）致變形的產生，甚至在LMD成形件中（zhōng）產生裂紋。成分、微觀（guān）結構的不可控（kòng）性及殘餘（yú）應力的形成是LMD技術麵臨的（de）主要困境。

激光熔覆式快速成型技術的（de）優勢 

DMD／LENS的實質是計算機控（kòng）製下金屬熔體（tǐ）的三維堆積成形（xíng）。與DMLS和SLM／SLRM不同的是，金屬粉末在（zài）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激（jī）光快速成形。事（shì）實上，美國Sandia國家（jiā）實驗室在美國（guó）能源部（bù）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、軍事裝備領域的複雜形狀高熔點金屬零部件；並以此為（wéi）基礎，將成（chéng）形材料（liào）體係拓展為工具鋼，不鏽鋼（gāng），鈦合金，鎳基高溫合金等。美國Sandia國家實驗室（shì）開展的（de）複雜（zá）零件LENS成（chéng）形研究工作，成形零件綜合機械性（xìng）能（néng）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）前相關技術細節很少有公開報道。特（tè）別需要說明的是（shì），通過調節送粉裝（zhuāng）置、逐漸改變粉末（mò）成分，可在同一零件的不同位置實現材料成分的連續（xù）變化，因此LENS在加工異質（zhì）材料（liào）（如功能梯度材料）方（fāng）麵具（jù）有獨特優勢。  

詳解5種金屬3D打印技（jì）術

送絲式激光熔覆式快速成型技術 

由於粉（fěn）末激光增材製造中（zhōng）不可避免的（de）缺（quē）陷，比如（rú）粉末的利用率很低（20～30％），粉末的（de）汙染問（wèn）題，粉末相對昂貴的價格等（děng）。而送絲式激光增材製造不僅材料利用率很高（幾乎100％），沒有粉塵汙染，對設備的要求比較低，更加具有經濟性。因此，近（jìn）些年來，一些機構已經開始將目（mù）光轉移到送絲的增（zēng）材製造技術研究上來。目前，應用最多（duō）的還是采用TIG電弧熔絲的方式，而用激光的很少。綜上所述，目前國外關於送絲式的激光增材製造研（yán）究比較少，而采（cǎi）用TIG電弧熔絲的方式研究較多，國內在這方麵的研（yán）究還未（wèi）有報（bào）道。一般的，采用TIG電弧熔（róng）絲方（fāng）法製備的（de）抗拉強度和屈服強度低於激光增（zēng）材製造技術，而延伸率要（yào）比激光（guāng）的要高。組織上，TIG電弧熔絲方法製備的鈦合金主要以網籃組織為主，而激光增材製造的以魏氏組織為主，這是由於（yú）兩種方式不同的能（néng）量特點和輸入造成的。

送粉式與送絲式激光熔覆式快速成型（xíng）技術對比

送粉式在工藝窗口和內部缺陷（xiàn）等方麵均優於送絲式，送粉式的激光增材製造大大（dà）減少了所需的激光功率（lǜ）閾值。采用送絲式時隨著增大激（jī）光功率，沉積層的高度呈線（xiàn）性下降，影響成形效率，此（cǐ）時必須加大送絲速度，但送絲速度的增加又會帶了送絲穩定性的問題。因此，送絲成形對激光功（gōng）率、送絲速（sù）度、掃描速度這（zhè）三者之間的參數匹配很重要。而送粉式在增大功率（lǜ）時，高度基本不變。  尺寸精度方麵（miàn），送粉式在厚度（dù）方向除了（le）底部較（jiào）窄外，其他地方厚薄均勻，側壁（bì）非（fēi）常平直；長度（dù）方向（xiàng）上，熔池未下淌，成形（xíng）較平直。送絲式在厚度方向上（shàng）厚薄較均勻，但由於絲的剛性擾動和絲與光的對中性要求比較苛刻，因（yīn）而容易出現絲和光的微小偏離，從（cóng）而（ér）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（jié）束的地方（fāng），出現了（le）沉積層的傾斜與下淌，這是由於激（jī）光功率較送（sòng）粉的大，同時由於激光停止出光前就（jiù）先停止（zhǐ）送絲，因而在收尾處激光單純（chún）的作用在沉積層上，造成沉積層熔池（chí）的下淌。  綜上所述（shù），在工藝窗口、內部缺（quē）陷、尺寸精度（dù）和（hé）表麵精度方麵，送粉式的要優於送絲式的；在效（xiào）率和經濟性方麵，送絲式具有突出（chū）性的優勢。