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詳解5種金屬3D打印技術原理和特點對比！

2020-07-31

隨著科技發展及推廣應用的需求，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展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的主要金屬3D打印工藝有：包括選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering， SLS）技術、直接金屬粉末激光燒結（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選擇性激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術和電子束選擇性熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技術等。

一、選擇性激光燒結（SLS）

選擇性激光燒結，顧名思義，所采用的冶金機制為液相燒結機制，成形過程中粉體材料發生部分熔化，粉體顆粒保留其固相核心，并通過后續的固相顆粒重排、液相凝固粘接實現粉體致密化。

SLS 技術原理及其特點

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，計算機根據原型的切片模型控制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面。完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統鋪上新粉，控制激光束再掃描燒結新層。如此循環往復，層層疊加，直到三維零件成型。

SLS工藝采用半固態液相燒結機制，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熱應力，但成形件中含有未熔固相顆粒，直接導致孔隙率高、致密度低、拉伸強度差、表面粗糙度高等工藝缺陷，在SLS 半固態成形體系中，固液混合體系粘度通常較高，導致熔融材料流動性差，將出現 SLS 快速成形工藝特有的冶金缺陷——“球化”效應。球化現象不僅會增加成形件表面粗糙度，更會導致鋪粉裝置難以在已燒結層表面均勻鋪粉后續粉層，從而阻礙SLS 過程順利開展。

由于燒結好的零件強度較低，需要經過后處理才能達到較高的強度并且制造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表面質量較差等問題。在SLS出現初期，相對于其他發展比較成熟的快速成型方法，選擇性激光燒結具有成型材料選擇范圍廣，成型工藝比較簡單（無需支撐）等優點。但由于成型過程中的能量來源為激光，激光器的應用使其成型設備的成本較高，隨著2000 年之后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、鋪粉精度的提高等），粉體完全熔化的冶金機制被用于金屬構件的激光快速成形。選擇性激光燒結技術（SLS）已被類似更為先進的技術代替。

二、選擇性激光熔化（SLM）

選擇性激光熔化的原理:

SLM技術是在SLS基礎上發展起來的，二者的基本原理類似。SLM技術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，然后激光束將按當前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層的輪廓，然后可升降系統下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，以避免金屬在高溫下與其他氣體發生反應。

選擇性激光熔化技術的優勢

在原理上，選擇性激光熔化與選擇性激光燒結相似，但因為采用了較高的激光能量密度和更細小的光斑直徑，成型件的力學性能、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。選擇性激光熔化技術的優點可歸納如下：

1．直接制造金屬功能件件，無需中間工序；

2．良好的光束質量，可獲得細微聚焦光斑，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合組織，致密度較高，具有較好的力學性能，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。選擇性激光燒結成型件的致密度、力學性能較差；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，選擇性激光熔化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，是近年來快速成型的主要研究熱點和發展趨勢。

三、電子束熔化（EBM）

電子束選擇性熔化（EBSM）原理

類似激光選擇性燒結和激光選擇性熔化工藝，電子束選擇性熔化技術（EBSM）是一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成形的快速制造技術。EBSM技術的工藝過程為：先在鋪粉平面上鋪展一層粉末；然后，電子束在計算機的控制下按照截面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被熔化在一起，并與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三維產品。上位機的實時掃描信號經數模轉換及功率放大后傳遞給偏轉線圈，電子束在對應的偏轉電壓產生的磁場作用下偏轉，達到選擇性熔化。經過十幾年的研究發現對于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、掃描方式進行正交實驗。作用時間對成型影響最大。

電子束選擇性熔化的優勢

電子束直接金屬成形技術采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可通過操縱磁偏轉線圈進行，沒有機械慣性，且電子束具有的真空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，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、穩定及運行維護成本低等優點。EBM技術優點是成型過程效率高，零件變形小，成型過程不需要金屬支撐，微觀組織更致密等電子束的偏轉聚焦控制更加快速、靈敏。激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，振鏡需要更復雜的冷卻系統，而振鏡的重量也顯著增加。因而在使用較大功率掃描時，激光的掃描速度將受到限制。在掃描較大成形范圍時，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制電子束的偏轉量和聚焦長度。電子束偏轉聚焦系統不會被金屬蒸鍍干擾。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，并在接觸的任何物體表面鍍上金屬薄膜。電子束偏轉聚焦都是在磁場中完成，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污染。

四、激光熔覆式成型技術（LMD）

激光熔化沉積（Laser Metal Deposition，LMD）于上世紀90年代由美國Sandia國家實驗室首次提出，隨后在全世界很多地方相繼發展起來，由于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，雖然名字不盡相同，但是他們的原理基本相同，成型過程中，通過噴嘴將粉末聚集到工作平面上，同時激光束也聚集到該點，將粉光作用點重合，通過工作臺或噴嘴移動，獲得堆積的熔覆實體。

LENS技術使用的是千瓦級的激光器，由于采用的激光聚焦光斑較大，一般在1mm以上，雖然可以得到冶金結合的致密金屬實體，但其尺寸精度和表面光潔度都不太好，需進一步進行機加工后才能使用。激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程，熔覆過程中的參數對熔覆件的質量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、掃描速度、熔池溫度等，他們的對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。同時，各參數之間也相互影響，是一個非常復雜的過程。必須采用合適的控制方法將各種影響因素控制在溶覆工藝允許的范圍內。

五、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（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自從1991年金屬粉末直接激光燒結研究在Leuvne的Chatofci大學開展以來，利用SLS工藝直接燒結金屬粉末成形三維零部件是快速原型制造的最終目標之一。與間接SLS技術相比，DMLS工藝最主要的優點是取消了昂貴且費時的預處理和后處理工藝步驟。

直接金屬粉末激光燒結（DMLS）的特點

DMLS技術作為SLS技術的一個分支，原理基本相同。但DMLS技術精確成形形狀復雜的金屬零部件有較大難度，歸根結底，主要是由于金屬粉末在DMLS中的“球化”效應和燒結變形，球化現象，是為使熔化的金屬液表面與周邊介質表面構成的體系具有最小自由能，在液態金屬與周邊介質的界面張力作用下，金屬液表面形狀向球形表面轉變的一種現象．球化會使金屬粉末熔化后無法凝固形成連續平滑的熔池，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階段的粘度相對較高，故“球化”效應尤為嚴重，且球形直徑往往大于粉末顆粒直徑，這會導致大量孔隙存在于燒結件中，因此，單組元金屬粉末的DMLS具有明顯的工藝缺陷，往往需要后續處理，不是真正意義上的“直接燒結”。

為克服單組元金屬粉末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合金粉末來實現。多組分金屬粉末體系一般由高熔點金屬、低熔點金屬及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，能在 DMLS 中保留其固相核心；低熔點金屬粉末作為粘結金屬，在 DMLS 中熔化形成液相，生成的液相包覆、潤濕和粘結固相金屬顆粒，以此實現燒結致密化。

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