3D打印技術(shù)正在快速改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，美國、德國等發(fā)達(dá)國家高度重視并積極推廣該技術(shù)。當(dāng)然我國的3D打印技術(shù)也在不斷的發(fā)展，在2017年的達(dá)沃斯****中國國家主席就在發(fā)表題為《共擔(dān)時代責(zé)任 共促全球發(fā)展》的主旨演講中就提到3D打印、人工智能等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但尚未形成新的經(jīng)濟(jì)增長點。不少專家認(rèn)為，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化、定制化為特點的3D打印技術(shù)為代表的新制造技術(shù)將推動第三次工業(yè)革命。金屬零件3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：包括選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering， SLS）技術(shù)、直接金屬粉末激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術(shù)、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術(shù)和電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術(shù)等。
國外對金屬零件3D打印技術(shù)的理論與工藝研究相對較早。雖然我國在技術(shù)上落后于這些歐美大國，但是經(jīng)過這些年國內(nèi)的技術(shù)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(jī)，接下來小編就直接制造金屬功能零件的快速成型的主要方法進(jìn)行了歸納總結(jié)。
選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）
選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）最初是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其碩士論文中提出的， 選區(qū)激光燒結(jié)，顧名思義，所采用的冶金機(jī)制為液相燒結(jié)機(jī)制，成形過程中粉體材料發(fā)生部分熔化，粉體顆粒保留其固相核心，并通過后續(xù)的固相顆粒重排、液相凝固粘接實現(xiàn)粉體致密化。美國DTM公司于1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterSation。德國的EOS公司在這一領(lǐng)域也做了很多研究工作，并開發(fā)了相應(yīng)的系列成型設(shè)備。國內(nèi)有如華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中北大學(xué)和北京隆源自動成型有限公司等，多家單位進(jìn)行SLS的相關(guān)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缸和成型缸組成，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）上均勻鋪上一層，計算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個層面。完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉，控制激光束再掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維零件成型。
SLS工藝采用半固態(tài)液相燒結(jié)機(jī)制，粉體未發(fā)生完全熔化，雖可在一定程度上降低成形材料積聚的熱應(yīng)力，但成形件中含有未熔固相顆粒，直接導(dǎo)致孔隙率高、致密度低、拉伸強(qiáng)度差、表面粗糙度高等工藝缺陷，在SLS 半固態(tài)成形體系中，固液混合體系粘度通常較高，導(dǎo)致熔融材料流動性差，將出現(xiàn) SLS 快速成形工藝特有的冶金缺陷——“球化”效應(yīng)。球化現(xiàn)象不僅會增加成形件表面粗糙度，更會導(dǎo)致鋪粉裝置難以在已燒結(jié)層表面均勻鋪粉后續(xù)粉層，從而阻礙SLS 過程順利開展。
由于燒結(jié)好的零件強(qiáng)度較低，需要經(jīng)過后處理才能達(dá)到較高的強(qiáng)度并且制造的三維零件普遍存在強(qiáng)度不高、精度較低及表面質(zhì)量較差等問題。在SLS出現(xiàn)初期，相對于其他發(fā)展比較成熟的快速成型方法，選擇性激光燒結(jié)具有成型材料選擇范圍廣，成型工藝比較簡單（無需支撐）等優(yōu)點。但由于成型過程中的能量來源為激光，激光器的應(yīng)用使其成型設(shè)備的成本較高，隨著2000 年之后激光快速成形設(shè)備的長足進(jìn)步（表現(xiàn)為先進(jìn)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(jī)制被用于金屬構(gòu)件的激光快速成形。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）已被類似更為先進(jìn)的技術(shù)代替。
直接金屬激光成形（DMLS）
SLS制造金屬零部件，通常有兩種方法，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(jié)（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自從1991年金屬粉末直接激光燒結(jié)研究在Leuvne的Chatofci大學(xué)開展以來，利用SLS工藝直接燒結(jié)金屬粉末成形三維零部件是快速原型制造的最終目標(biāo)之一。與間接SLS技術(shù)相比，DMLS工藝最主要的優(yōu)點是取消了昂貴且費時的預(yù)處理和后處理工藝步驟。
直接金屬粉末激光燒結(jié)（DMLS）的特點
DMLS技術(shù)作為SLS技術(shù)的一個分支，原理基本相同。但DMLS技術(shù)精確成形形狀復(fù)雜的金屬零部件有較大難度，歸根結(jié)底，主要是由于金屬粉末在DMLS中的“球化”效應(yīng)和燒結(jié)變形，球化現(xiàn)象，是為使熔化的金屬液表面與周邊介質(zhì)表面構(gòu)成的體系具有最小自由能，在液態(tài)金屬與周邊介質(zhì)的界面張力作用下，金屬液表面形狀向球形表面轉(zhuǎn)變的一種現(xiàn)象．球化會使金屬粉末熔化后無法凝固形成連續(xù)平滑的熔池，因而形成的零件疏松多孔，致使成型失敗，由于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(yīng)尤為嚴(yán)重，且球形直徑往往大于粉末顆粒直徑，這會導(dǎo)致大量孔隙存在于燒結(jié)件中，因此，單組元金屬粉末的DMLS具有明顯的工藝缺陷，往往需要后續(xù)處理，不是真正意義上的“直接燒結(jié)”。
為克服單組元金屬粉末DMLS中的“球化”現(xiàn)象，以及由此造成的燒結(jié)變形、密度疏松等工藝缺陷，目前一般可以通過使用熔點不同的多組元金屬粉末或使用預(yù)合金粉末來實現(xiàn)。多組分金屬粉末體系一般由高熔****屬、低熔****屬及某些添加元素混合而成，其中高熔****屬粉末作為骨架金屬，能在 DMLS 中保留其固相核心；低熔****屬粉末作為粘結(jié)金屬，在 DMLS 中熔化形成液相，生成的液相包覆、潤濕和粘結(jié)固相金屬顆粒，以此實現(xiàn)燒結(jié)致密化。
直接金屬粉末激光燒結(jié)（DMLS）的問題
作為SLS技術(shù)的一個重要分支的DMLS技術(shù)尚處在不斷發(fā)展和完善的過程之中，其燒結(jié)的物理過程及燒結(jié)致密化機(jī)理仍不明了，不同金屬粉末體系的激光燒結(jié)工藝參數(shù)仍需摸索，專用粉末的研制與開發(fā)還有待突破。因此，建立金屬粉末直接激光燒結(jié)過程的數(shù)學(xué)、物理模型，定量研究DMLS燒結(jié)致密化過程中的燒結(jié)行為和組織結(jié)構(gòu)變化，成為粉末冶金科學(xué)與工程研究中的重要內(nèi)容之一。DMLS中，金屬粉末的物性對于燒結(jié)質(zhì)量有著及其重要的影響，相同的工藝參數(shù)條件下，不同的粉末體系的燒結(jié)效果往往有很大的區(qū)別。把握粉末體系的物性，為其選擇最優(yōu)化的工藝參數(shù)，是DMLS的最基本、最重要的要求。大量研究表明，影響DMLS質(zhì)量的三個關(guān)鍵物性參數(shù)主要為：燒結(jié)特性、攤鋪特性和穩(wěn)定性。
選區(qū)激光熔化（SLM）
SLM 的思想最初由德國Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年該研究所對SLM 技術(shù)的研究取得巨大的成功。世界上第一臺SLM設(shè)備由英國MCP集團(tuán)公司下轄的德國 MCP－HEK 分公司已于 2003 年底推出。為獲取全致密的激光成形件，同時也受益于2000年之后激光快速成形設(shè)備的長足進(jìn)步（表現(xiàn)為先進(jìn)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(jī)制被用于金屬構(gòu)件的激光快速成形。例如，德國著名的快速成形公司EOS公司，是世界上較早開展金屬粉末激光燒結(jié)的專業(yè)化公司，主要從事SLS金屬粉末、工藝及設(shè)備研發(fā)。而該公司新近研發(fā)的EOSINTM270／280型設(shè)備，雖繼續(xù)沿用“燒結(jié)”這一表述，但已裝配200W光纖激光器，并采用完全熔化的冶金機(jī)制成形金屬構(gòu)件，成形性能得以顯著提高。目前，作為SLS技術(shù)的延伸，SLM術(shù)正在德國、英國等歐洲國家蓬勃發(fā)展。即便繼續(xù)沿用“選區(qū)激光燒結(jié)”（SLS）這一表述，實際所采用的成形機(jī)制已轉(zhuǎn)變?yōu)榉垠w完全熔化機(jī)制。
選區(qū)激光熔化的原理
SLM技術(shù)是在SLS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，二者的基本原理類似。SLM技術(shù)需要使金屬粉末完全熔化，直接成型金屬件，因此需要高功率密度激光器激光束開始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然后激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層的輪廓，然后可升降系統(tǒng)下降一個圖層厚度的距離，滾動鋪粉輥再在已加工好的當(dāng)前層上鋪金屬粉末，設(shè)備調(diào)入下一圖層進(jìn)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(hù)的加工室中進(jìn)行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。SLM與DMLS的界限目前很模糊，區(qū)別不明顯， DMLS技術(shù)雖翻譯為金屬的燒結(jié)，實際成型過程中多數(shù)時候已將金屬粉末完全熔化。DMLS技術(shù)使用材料都為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結(jié)（熔化）過程中相互補(bǔ)償，有利于保證制作精度。而SLM技術(shù)使用材料主要為單一組分的粉末，激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的掃描線。
選區(qū)激光熔化技術(shù)的發(fā)展問題
激光選區(qū)成形件中，F(xiàn)e基合金（主要是鋼）SLM成形研究較多，但SLM成形工藝尚需優(yōu)化、成形性能尚需進(jìn)一步提高；對SLM成形性能（特別是占基礎(chǔ)地位的致密度），目前SLM成形的鋼構(gòu)件通常難以實現(xiàn)全致密。解決鋼材料SLM成形的致密化問題，是快速成形研究的關(guān)鍵性瓶頸問題。鋼材料激光成形的難度，主要取決于鋼中主要元素的化學(xué)特性?；w元素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強(qiáng)的親和性，在常規(guī)粉末處理和激光成形條件下很難徹底避免氧化現(xiàn)象。因此，在SLM過程中，鋼熔體表面氧化物等污染層的存在，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(yīng)及凝固微裂紋，從而顯著降低激光成形致密度及相應(yīng)的機(jī)械性能。另一方面，鋼中C含量是決定激光成形性能的又一個關(guān)鍵因素。通常，過高的C含量將對激光成形性產(chǎn)生不利，隨C含量升高，熔體表面C元素層的厚度亦會增加。這與氧化層的不利影響類似，也會降低潤濕性，導(dǎo)致熔體鋪展性降低，并引起球化效應(yīng)。此外，在晶界上形成的復(fù)雜碳化物會增大鋼材料激光成形件的脆性。因此，通常對鋼材料SLM成形，需提高激光能量密度及SLM成形溫度，可促進(jìn)碳化物的溶解，也可使合金元素均勻化。
通過粉體材料及SLM工藝優(yōu)化，包括：
1，嚴(yán)格控制原始粉體材料及激光成形系統(tǒng)中的氧含量以改善潤濕性；
2，合理調(diào)控輸入激光能量密度以獲取適宜的液相粘度及其流變特性，可有效抑制球化效應(yīng)及微裂紋形成，進(jìn)而獲取近全致密結(jié)構(gòu)。
對于以Al合金為代表的輕合金零件激光快速成形，先前絕大多數(shù)研究報道是基于SLS半固態(tài)燒結(jié)成形機(jī)制，但因嚴(yán)重的球化效應(yīng)及孔隙缺陷，故研究進(jìn)展不大；而SLM技術(shù)可望為高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)Al合金零件近凈成形與快速制造提供嶄新的技術(shù)途徑。Al基合金零件SLM成形具有高難度，是由材料自身特殊物理特性本質(zhì)所決定的。一方面，，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要求。另一方面，Al合金材料熱導(dǎo)率高，SLM成形過程中激光能量輸入極易沿基板或在粉床中傳遞消耗，導(dǎo)致激光熔池溫度降低，熔體粘度增加且流動性降低，故其難以有效潤濕基體材料，導(dǎo)致SLM成形球化效應(yīng)及內(nèi)部孔隙、裂紋等缺陷。其三，從成形工藝角度，Al合金材料密度較低，粉體流動性差。
需指出的是，基于SLM／SLRM成形機(jī)制，雖能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光潔度，但因成形過程中粉末發(fā)生完全熔化／凝固，故在固液轉(zhuǎn)變過程中將出現(xiàn)明顯的收縮變形，致使成形件中積聚較大的熱應(yīng)力，并將在冷卻過程中得以釋放，使得成形件發(fā)生變形、甚至開裂。由于激光選區(qū)熔化成形技術(shù)成形粉末需求量大，需要在整個成形平面鋪設(shè)金屬粉末，因而不適宜成形貴重的金屬；整個成形平臺較大，惰性氣體保護(hù)效果較差，因而也不適宜成形易氧化的金屬粉末。
選區(qū)激光熔化技術(shù)的優(yōu)勢
在原理上，選區(qū)激光熔化與選區(qū)激光燒結(jié)相似，但因為采用了較高的激光能量密度和更細(xì)小的光斑直徑，成型件的力學(xué)性能、尺寸精度等均較好，只需簡單后處理即可投入使用，并且成型所用原材料無需特別配制。選區(qū)激光熔化技術(shù)的優(yōu)點可歸納如下：
1．直接制造金屬功能件件，無需中間工序；
2．良好的光束質(zhì)量，可獲得細(xì)微聚焦光斑，從而可以直接制造出較高尺寸精度和較好表面粗糙度的功能件；
3．金屬粉末完全熔化，所直接制造的金屬功能件具有冶金結(jié)合組織，致密度較高，具 有較好的力學(xué)性能，無需后處理；
4．粉末材料可為單一材料也可為多組元材料，原材料無需特別配制；
5．可直接制造出復(fù)雜幾何形狀的功能件；
6．特別適合于單件或小批量的功能件制造。
