微尺度SLM 金屬3D打印技術(shù)發(fā)展介紹

來(lái)源：AMLetters

增材制造(Additive Manufacturing)正在制造業(yè)中獲得越來(lái)越多的關(guān)注，它使用各種材料制造具有復(fù)雜幾何形狀的組件,。選擇性激光熔煉(SLM)是一種常用的基于粉末床(PBF)的金屬增材工藝,，但目前主流的SLM技術(shù)只專(zhuān)注于制造宏觀和中尺度組件。
近年來(lái)，在電子,、醫(yī)療,、汽車(chē)、生物技術(shù),、能源,、通信和光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，為滿足微型化發(fā)展的需要,，對(duì)微型化增材技術(shù)的需求不斷增加,。眾多的產(chǎn)品和組件，包括微驅(qū)動(dòng)器,、微機(jī)械設(shè)備,、傳感器和探針、微流體組件,、醫(yī)療植入物,、微開(kāi)關(guān)、光學(xué)設(shè)備,、存儲(chǔ)芯片,、微型電機(jī)、磁頭,、計(jì)算機(jī)處理器,、噴墨打印頭、引線框架,、電連接器,、微燃料電池等等，都迫切的需要微尺度SLM技術(shù),。

本期AMLetters帶大家了解一下微尺度SLM技術(shù)的具體情況,，主要內(nèi)容如下所示：

1、SLM設(shè)備原理

選擇性激光熔化（SLM）設(shè)備的工作過(guò)程如上圖所示,。首先在基板上鋪一層粉末,，然后激光束根據(jù)所需的幾何形狀將粉末熔化或燒結(jié)。然后,，鋪粉機(jī)構(gòu)（刮刀）將下一層粉末鋪在固化的零件上,，接著進(jìn)行激光熔化/燒結(jié)，如此反復(fù),，直至零件加工完成,。
SLM工藝，激光與粉末之間的相互作用時(shí)間較短,，加熱和冷卻速率很高,。熔池的幾何形狀和最后形成的顯微組織與傳統(tǒng)的鑄鍛等工藝有較大差異,，導(dǎo)致SLM制備產(chǎn)品的力學(xué)性能與傳統(tǒng)工藝有所不同。

2,、SLM核心參數(shù)
與粉體有關(guān)的工藝參數(shù),，如粉體的化學(xué)成分、顆粒的大小和形狀,、表面形貌等,，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中大多是不變量。
與激光系統(tǒng)相關(guān)參數(shù),，包括激光類(lèi)型(即連續(xù)波或脈沖),、激光功率和光斑大小、掃描策略,、掃描線間距,、掃描速度等。
與粉床相關(guān)的參數(shù),，送粉機(jī)構(gòu),、刮刀、層厚,、保護(hù)氣體,、風(fēng)場(chǎng)。

3,、微尺度SLM定義
常規(guī)的SLM設(shè)備和工藝,，光斑直徑在60-100μm范圍；粉末粒徑在15-53μm范圍,，鋪粉層厚在20-100μm范圍,。
實(shí)現(xiàn)微尺度的SΜM打印，主要是從這三個(gè)參數(shù)著手,，獲得更小的光斑,、更細(xì)的粉末、更薄的層厚,。
因此我們把微尺度SLM定義為：光斑直徑< 20 μm,，層厚< 10 μm，粉末粒徑< 10 μm的SLM打印,。

4,、微尺度SLM研究非常有限

微觀結(jié)構(gòu)方面

SLM中微觀組織的形成受多種機(jī)制的影響,，包括傳熱,、材料的熱物理性能和相變。熔池的溫度梯度和凝固速率控制著熔池的凝固模式和生成的微觀組織,。在SLM中,，因?yàn)榧庸み^(guò)程通常在相鄰層之間進(jìn)行快速加熱,、凝固和再加熱，所以通常觀察到的微觀組織是柱狀枝晶,。柱狀枝晶的形成主要?dú)w因于沿成形方向（Z軸）的較大溫度梯度,。雖然化學(xué)成分、打印方向,、零件結(jié)構(gòu)等也對(duì)微觀結(jié)構(gòu)有影響,，但主要還是受激光功率、掃描策略控制,。
盡管有大量的文獻(xiàn)報(bào)道了傳統(tǒng)SLM中所得到的微觀結(jié)構(gòu),，但在微觀SLM中還沒(méi)有類(lèi)似的研究報(bào)道。

力學(xué)性能方面

最近幾年也有不少人對(duì)光斑大�,。ɑ螂x焦量）與力學(xué)性能之間的關(guān)系展開(kāi)了深入研究,，得出的結(jié)論是光斑大小（離焦量）對(duì)SLM的工藝特性有重要影響,，這從邏輯上也是顯而易見(jiàn)的,。
由于微尺度SLM中的光斑尺寸更小，層厚更小,，粉末更細(xì),，成形過(guò)程的機(jī)制更加復(fù)雜。關(guān)于微尺度SΜM加工的各種材料的硬度,、拉伸和疲勞性能都需要進(jìn)一步的研究,。然而，目前這方面的研究還很少,。這與微型SLM設(shè)備的市場(chǎng)化進(jìn)度緩慢有直接關(guān)系,。

熱處理方面

SLM成形過(guò)程中快速的熔化和凝固速度，導(dǎo)致成形零件內(nèi)部積累了大量的殘余內(nèi)應(yīng)力,，這些內(nèi)應(yīng)力需要通過(guò)后續(xù)的熱處理消除或減緩,。SLM常見(jiàn)的熱處理有：去應(yīng)力退火、時(shí)效,、固溶,、熱等靜壓。
（1） 熱處理的動(dòng)機(jī)是減少或消除缺陷,，控制組織,，提高性能，減輕殘余應(yīng)力
（2） HIP通常用于封閉內(nèi)部孔隙和裂紋
（3） 再結(jié)晶則將組織細(xì)化為等軸細(xì)小晶粒
（4） 時(shí)效控制析出相的形成
由于SLM產(chǎn)生的顯微組織與傳統(tǒng)工藝形成的顯微組織不同,，因此熱處理策略也不同,。正如前面所討論的，微尺度SLM的微觀結(jié)構(gòu)與常規(guī)SLM又有不同,，因此,，未來(lái)對(duì)微尺度SΜM熱處理的研究將具有重要的價(jià)值,，這對(duì)于拓展微尺度SΜM的應(yīng)用也是必要的。

5,、國(guó)外微尺度SLM設(shè)備對(duì)比

除了德國(guó)企業(yè)3D MicroPrint 生產(chǎn)的EOSINT μ60設(shè)備外,，其他的微型SLM設(shè)備采用的層厚仍然在10-50μm范圍，不能實(shí)現(xiàn)亞微米尺寸的微特征,。
由于SLM以一層一層的方式打印零件,，因此有必要實(shí)現(xiàn)盡可能小的層厚度，弱化臺(tái)階效應(yīng),，實(shí)現(xiàn)高的成形精度,。獲得高質(zhì)量的小層厚鋪粉需要新的鋪粉工藝和更細(xì)的粉末，這也是微尺度SLM設(shè)備需要攻克的眾多難題之一,。關(guān)于現(xiàn)有鋪粉技術(shù)的介紹篇幅較大,，這里不展開(kāi)，后續(xù)文章再系統(tǒng)介紹,。

6,、微尺度SLM面臨的具體技術(shù)問(wèn)題

6-1硬件問(wèn)題

（1）對(duì)于微型SLM系統(tǒng)，打印平臺(tái)的尺寸和整個(gè)設(shè)備占地面積更小,。
（2）為實(shí)現(xiàn)精細(xì)光斑尺寸,，光學(xué)系統(tǒng)必須從新調(diào)教。
（3）為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的小層厚,，需要新的鋪粉（刮刀）機(jī)構(gòu),。
（4）亞微米級(jí)細(xì)粉，引入安全和健康風(fēng)險(xiǎn),，設(shè)備的防護(hù)設(shè)計(jì)要進(jìn)一步加強(qiáng),，盡量避免人員直接接觸粉末。
（5）微尺度的產(chǎn)品,，使用傳統(tǒng)的熱處理工藝會(huì)不會(huì)發(fā)生變形等問(wèn)題,？
（6）微尺度薄壁結(jié)構(gòu)可能無(wú)法加工，表面附著的粉末顆粒如何去除,？

6-2效率問(wèn)題

小光斑,、細(xì)粉末、小層厚,、更窄的掃描線間距,，必然導(dǎo)致加工時(shí)間的增加。有學(xué)者報(bào)道,，當(dāng)層厚和粉末粒徑減小一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí),，微尺度SLM打印相同部件的加工時(shí)間增加了12倍。研發(fā)具有更快的掃描速度的新工藝是提供加工速度的關(guān)鍵。

6-3支撐問(wèn)題

SLM的支撐結(jié)構(gòu)與零件之間是冶金結(jié)合的狀態(tài),，常規(guī)SLM成形的零件可以通過(guò)鉗工去除，但微尺度產(chǎn)品的支撐去除,，可能會(huì)影響零件的尺寸精度,。

6-4細(xì)粉團(tuán)聚問(wèn)題

為了制造亞微米的特性，10μm以內(nèi)的超細(xì)粉是必要的,。然而,，超細(xì)粉較高的比表面積會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚和氧化。在這個(gè)尺度上,，范德華力對(duì)粉末的支配權(quán)重將超過(guò)重力,。團(tuán)聚增加了顆粒間的摩擦，降低了粉末的流動(dòng)性,，導(dǎo)致鋪粉層厚不均勻,。進(jìn)一步的影響包括球化效應(yīng)和孔隙度的增加。

6-5反射問(wèn)題

細(xì)粉的反射率較高,，降低了激光輻照的吸收率,。

6-6吹粉問(wèn)題

細(xì)粉容易被惰性氣體流帶走，發(fā)生更加嚴(yán)重的吹粉現(xiàn)象,。

6-7氣化問(wèn)題

細(xì)粉更易在高能量密度下汽化,。

6-8安全問(wèn)題

細(xì)粉活性高，需要在處理和運(yùn)輸過(guò)程中采取額外的安全措施,。

7,、國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
7-1北京工業(yè)大學(xué) 張冬云 教授

7-2北京機(jī)科國(guó)創(chuàng) 王淼輝 研究員

7-3云耀深維（江蘇）科技有限公司

8、AMLetters評(píng)論
雖然微尺度SLM領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究有限,，但市場(chǎng)上已經(jīng)有一些商業(yè)微型SLM系統(tǒng),，德國(guó)有3D MicroPrint，國(guó)內(nèi)的云耀深維,。國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)界目前除了北京工業(yè)大學(xué)的 張冬云教授和北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院 王淼輝 研究員在此領(lǐng)域有相關(guān)的公開(kāi)報(bào)道外,，還未見(jiàn)其他高校、研究所涉足此領(lǐng)域,。放眼全球?qū)W術(shù)界,，對(duì)微尺度SLM的研究都非常有限�,？梢哉f(shuō),，我國(guó)在微尺度SLM商業(yè)化設(shè)備和微尺度SLM研究這兩個(gè)方面都是走在世界前列的。
隨著精密工程,、生物醫(yī)學(xué),、牙科、珠寶等各個(gè)領(lǐng)域?qū)�具有精�?xì)特征的金屬微件的應(yīng)用需求日益廣泛,，微尺度SLM的進(jìn)一步完善必將進(jìn)一步擴(kuò)大金屬增材制造的應(yīng)用范圍,。