主流金屬3D打印機(jī)技術(shù)

     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 SelectiveMelting， EBSM）技術(shù),，其中選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting,， SLM）技術(shù)為現(xiàn)今3D金屬打印機(jī)最主流的使用技術(shù)。

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 分公司于 2003 年底推出。為獲取全致密的激光成形件,，同時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)零件加工完畢。整個(gè)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(shí)際成型過程中多數(shù)時(shí)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?yàn)椴捎昧溯^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(diǎn)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,。選區(qū)激光燒結(jié)成型件的致密度、力學(xué)性能較差,；電子束熔融成型和激光熔覆制造難以獲得較高尺寸精度的零件,；相比之下，選區(qū)激光熔化成型技術(shù)可以獲得冶金結(jié)合,、致密組織,、高尺寸精度和良好力學(xué)性能的成型件,，是近年來快速成型的主要研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

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(shí)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,�,；�體元素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(gè)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(bào)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(gè)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(gè)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)的研究展望  

（1）實(shí)現(xiàn)激光快速成形專用金屬粉體材料系列化與專業(yè)化,。重視粉體材料對改善激光快速成形性能的物質(zhì)基礎(chǔ)作用,，深入定量研究適于選區(qū)激光熔化成形工藝的粉體化學(xué)成分、物性指標(biāo),、制備技術(shù)及表征方法,，實(shí)現(xiàn)激光快速成形專用金屬及合金粉體材料的專業(yè)化和系列化。

（2）深入定量研究金屬及合金粉體激光成形冶金本質(zhì)及其機(jī)理,。緊扣金屬及合金粉體激光快速成形關(guān)鍵科學(xué)問題,，包括激光束—金屬粉體交互作用機(jī)理、激光熔池非平衡傳熱傳質(zhì)機(jī)制,、超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調(diào)控,、金屬粉體激光熔化成形全過程及各類型內(nèi)應(yīng)力演變等冶金、物理,、化學(xué)及熱力耦合問題,，為改善金屬及合金粉體激光快速成形組織和性能提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。

（3）高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬及合金零件激光控形控性凈形制造,。以激光快速成形專用高流動性金屬粉體設(shè)計(jì)制備為物質(zhì)基礎(chǔ),，以激光非平衡熔池冶金熱力學(xué)和動力學(xué)行為、激光成形顯微組織調(diào)控機(jī)制,、激光成形件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律多尺度預(yù)測為理論基礎(chǔ),，通過粉體設(shè)計(jì)制備—零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—SLM成形工藝—組織及性能評價(jià)的一體化研究，面向航空航天,、生物醫(yī)藥,、模具制造等領(lǐng)域應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬及合金關(guān)鍵零件激光控形控性直接精密凈成形制造,。對于金屬零件選區(qū)激光熔化快速成形的材料,、工藝及理論的研究，尚有很多方面未獲得本質(zhì)突破,。對于該領(lǐng)域諸多新材料,、新工藝、新現(xiàn)象及新理論的深入研究與發(fā)掘,，是實(shí)現(xiàn)激光快速成形技術(shù)走向工程應(yīng)用的基礎(chǔ),。