5種金屬3D打印技術(shù)詳解對比

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)沃斯論壇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，南極熊之前就對國內(nèi)外的金屬3D打印機廠商進(jìn)行過盤點，
盤點：全球金屬3D打印公司及核心技術(shù)
國內(nèi)外3D金屬打印企業(yè)匯總
接下來南極熊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，所采用的冶金機制為液相燒結(jié)機制，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)�結(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)好的零件強度較低,需要經(jīng)過后處理才能達(dá)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(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(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制已轉(zhuǎn)變?yōu)榉垠w完全熔化機制。

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�；�體元素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強的親和性，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。 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和發(fā)展趨勢。  


選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究展望  
（1）實現(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理、激光熔池非平衡傳熱傳質(zhì)機制、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)計制備—零件結(jié)構(gòu)設(shè)計—SLM成形工藝—組織及性能評價的一體化研究，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，是實現(xiàn)激光快速成形技術(shù)走向工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。

選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究工作
大量學(xué)者和研究團(tuán)隊對選區(qū)激光熔化技術(shù)進(jìn)行了大量的工作。RehmeO等對選區(qū)激光熔化成型過程的重要參數(shù)進(jìn)行分析并歸類，研究了掃描線長度、掃描間距、層厚、成型方向等參數(shù)對零件的致密度和殘余應(yīng)力的影響。KozoOsakada等研究了鎳基合金、鐵基合金和純鈦材料的選區(qū)激光熔化成型特性，分析成型件的熱應(yīng)力分布，通過掃描策略和預(yù)熱等方法減小熱應(yīng)力，并直接制造出致密度90%以上的金屬模具。J.P.Kruth等利用Rayleigh不穩(wěn)定性原理解釋鐵基合金的球化現(xiàn)象，并提出利用掃描策略和控制氧含量的方法消除球化，同時研究不同的元素會對激光吸收率、熱傳導(dǎo)性、熔液的潤濕及鋪展性、氧含量以及Rayleigh不穩(wěn)定性等的影響。I.Shishkovsky等對鋁鋯陶瓷材料的選區(qū)激光熔化成型特性進(jìn)行了分析，研究成型件的組織結(jié)構(gòu)及成份，并發(fā)現(xiàn)在空氣中成型的零件是具有致密組織結(jié)構(gòu)和規(guī)則穩(wěn)定相分布的。

M.Badrossamay等對不銹鋼和工具鋼進(jìn)行了研究，研究了掃描策略、激光功率等參數(shù)對成型質(zhì)量的影響，其研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼和工具鋼有著類似的成型規(guī)律，并且成型質(zhì)量和掃描速度之間不是呈線性關(guān)系，由此推測掃描速度對粉床熱量的損失量有影響。I.Yadroitsev等采用不銹鋼等原材料對選區(qū)激光熔化成型工藝開展了很多工作，研究了掃描策略對致密度的影響、掃描角度對力學(xué)性能的影響，采用“填充后再填充的掃描策略”可獲得高致密度成型件，同時發(fā)現(xiàn)掃描傾斜角度對成型件的屈服強度和抗拉強度影響不大；另外，通過工藝實驗，采用優(yōu)化工藝參數(shù)成型出厚度為140μm的連續(xù)薄壁。Gusarov等利用熱力學(xué)分析選區(qū)激光熔化成型過程的熔池穩(wěn)定性，采用Rayleigh不穩(wěn)定性原理解釋高掃描速度下的球化現(xiàn)象，并提出適合連續(xù)熔池的較優(yōu)熔池形狀，即減小熔池長寬比并增加熔池與基板的接觸線寬度。

KamranAamirMumtaz等研究了鎳合金的單道熔池，分析掃描策略對致密度的影響，并提出改善表面質(zhì)量的方法，即采用“填充后再填充的掃描策略”可防止因相鄰熔池搭接而導(dǎo)致熱變形，同時成型出致密度達(dá)99.7%的合金零件。Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等[33-35]還對選區(qū)激光熔化直接成型功能性材料進(jìn)行了初步探索，并取得一些成果，如：Julio等采用選區(qū)激光熔化直接制造出具有散熱功能管材料；Rehme等采用選區(qū)激光熔化直接制造出具有胞元結(jié)構(gòu)的多孔醫(yī)用植入體材料，而McKown等則直接制造出網(wǎng)格狀材料；Yadroitsev等則研究了選區(qū)激光熔化直接制造具有微孔結(jié)構(gòu)的過濾材料零件。

國內(nèi)對選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究工作雖然起步較晚，但至今也取得了很大的進(jìn)展。主要的研究單位有：華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校以及其他一些科研單位。其中華南理工大學(xué)在不銹鋼、銅合金、鎳合金和鈦合金等開展了大量的工藝實驗，研究了激光功率、掃描速度、掃描間距、掃描策略等對致密度、尺寸精度、內(nèi)部組織等的影響；華中科技大學(xué)也對不銹鋼的成型工藝進(jìn)行了一些探討，采用正交實驗方法優(yōu)化工藝參數(shù)；南京航空航天大學(xué)除了對一些常用材料進(jìn)行研究外，還采用選區(qū)激光熔化直接制造復(fù)合材料功能件；上海交通大學(xué)采用316L不銹鋼研究了選區(qū)激光熔化成型件的表面質(zhì)量和內(nèi)部微觀組織，并得到高致密度的功能件。

電子束熔化(EBM)
1994年瑞典 ARCAM 公司申請的一份專利，所開發(fā)的技術(shù)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制造商業(yè)化的公司，并于2003 年推出第一代設(shè)備，此后美國麻省理工學(xué)院、美國航空航天局、北京航空制造工程研究所和我國清華大學(xué)均開發(fā)出了各自的基于電子束的快速制造系統(tǒng)。美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的電子束實體自由成形技術(shù)（ 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金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作臺移動，與激光近形制造技術(shù)類似，電子束熔絲沉積快速制造時，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、工件運動速度、送絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材伸出長度等。這些因素共同作用影響熔積體截面幾何參量，確區(qū)分單一因素的作用十分困難；瑞典 ARCAM 公司與清華大學(xué)電子束開發(fā)的選區(qū)熔化（EBSM）利用電子束熔化鋪在工作臺面上的金屬粉末，與激光選區(qū)熔化技術(shù)類似，利用電子束實時偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)熔化成形，該技術(shù)不需要二維運動部件，可以實現(xiàn)金屬粉末的快速掃描成形。

電子束選區(qū)熔化(EBSM)原理
  類似激光選區(qū)燒結(jié)和激光選區(qū)熔化工藝,電子束選區(qū)熔化技術(shù)(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(shù)。EBSM技術(shù)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(jìn)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(chǎn)品。上位機的實時掃描信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換及功率放大后傳遞給偏轉(zhuǎn)線圈，電子束在對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)電壓產(chǎn)生的磁場作用下偏轉(zhuǎn)，達(dá)到選擇性熔化。經(jīng)過十幾年的研究發(fā)現(xiàn)對于一些工藝參數(shù)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(jìn)行正交實驗。作用時間對成型影響最大。

電子束選區(qū)熔化的優(yōu)勢
電子束直接金屬成形技術(shù)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(zhuǎn)線圈進(jìn)行，沒有機械慣性，且電子束具有的真空環(huán)境還可避免金屬粉末在液相燒結(jié)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(wěn)定及運行維護(hù)成本低等優(yōu)點。EBM技術(shù)優(yōu)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(zhuǎn)聚焦控制更加快速、靈敏。激光的偏轉(zhuǎn)需要使用振鏡，在激光進(jìn)行高速掃描時振鏡的轉(zhuǎn)速很高。在激光功率較大時，振鏡需要更復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)量和聚焦長度。   電子束偏轉(zhuǎn)聚焦系統(tǒng)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(zhuǎn)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(xué)器件則容易受到蒸鍍污染。

電子束選區(qū)熔化的主要問題
真空室抽氣過程中粉末容易被氣流帶走，造成真空系統(tǒng)的污染；但其存在一個比較特殊的問題即粉末潰散現(xiàn)象，其原因是電子束具有較大動能，當(dāng)高速轟擊金屬原子使之加熱、升溫時，電子的部分動能也直接轉(zhuǎn)化為粉末微粒的動能。當(dāng)粉末流動性較好時，粉末顆粒會被電子束推開形成潰散現(xiàn)象。防止炊粉的基本原則是提高粉床的穩(wěn)定性，克服電子束的推力，主要有四項措施：降低粉末的流動性，對粉末進(jìn)行預(yù)熱，對成型底板進(jìn)行預(yù)熱，優(yōu)化電子束掃描方式。因此，粉末材料一直很難成為真空電子束設(shè)備的加工對象，工藝參數(shù)方面的研究更是鮮有報導(dǎo)。針對粉末在電子束作用下容易潰散的現(xiàn)象，提不同粉末體系所能承受的電子束域值電流(潰散電流)和電子束掃描域值速度(潰散速度)判據(jù)，并在此基礎(chǔ)上研究出混合粉末；  EBM技術(shù)成型室中必須為高真空,才能保證設(shè)備正常工作,這使得EBM技術(shù)整機復(fù)雜度提高。還因在真空度下粉末容易揚起而造成系統(tǒng)污染。此外,EBM技術(shù)需要將系統(tǒng)預(yù)熱到800℃以上,使得粉末在成型室內(nèi)預(yù)先燒結(jié)固化在一起,高預(yù)熱溫度對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)提出非常高的要求,加工結(jié)束后零件需要在真空成型室中冷卻相當(dāng)長一段時間,降低了零件的生產(chǎn)效率。

電子束無法比較難像激光束一樣聚焦出細(xì)微的光斑因此成型件難以達(dá)到較高的尺寸精度。因此，對于精密或有細(xì)微結(jié)構(gòu)的功能件，電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)是難以直接制造出來的。  電子束偏轉(zhuǎn)誤差。EBSM系統(tǒng)采用磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場,使電子偏轉(zhuǎn)。由于偏轉(zhuǎn)的非線性以及磁場的非均勻性,電子束在大范圍掃描時會出現(xiàn)枕形失真。大偏角時的散焦。EBSM系統(tǒng)采用聚焦線圈使電子束聚焦。若聚焦線圈中的電流恒定,電子束的聚焦面為球面,而電子束在平面上掃描。因此,電子束在不偏轉(zhuǎn)時聚焦,而在大角度偏轉(zhuǎn)時出現(xiàn)散焦。  

國內(nèi)外研究狀況
從 2003 年推出第一臺設(shè)備 S12 至今，ARCAM 推出了三款成形設(shè)備。在新一代成形設(shè)備 A1、A2成形設(shè)備中，成形零件的最大尺寸和精度都有較大的提高，并且在成形零件的冷卻中實現(xiàn)了自動冷卻。在成形和冷卻的過程中在真空室充入一定壓強的氦氣，可以加速成形后的冷卻速率，同時保持更低的氧含量。A1、A2 設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域也更加明確，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 主要用于成形航天航空領(lǐng)域和國防領(lǐng)域需要的零件，也制作其它領(lǐng)域成形復(fù)雜度高的小批量金屬件。ARCAM 采用最新生產(chǎn)的 A1 和 A2 設(shè)備，生產(chǎn)了大量精度和強度更加優(yōu)良的零件，其中利用 A1 生產(chǎn)的合金骨骼早已通過了 CE 認(rèn)證，迄今在歐洲大陸已經(jīng)造福超過 10,000 名患者，在 2011 年初也通過了美國 FDA 的認(rèn)證。利用 A2 生產(chǎn)的航空和國防領(lǐng)域的產(chǎn)品也取得了顯著的成果，除了具有以上所說的表面光滑，可加工復(fù)雜形狀，還將原材料到最終產(chǎn)品質(zhì)量的比率由 15~20 降到了約為 1，大大的降低了成本。  

美國 NASA  Langley  Research  Center、Sciaky 公司、Lockheed Martin 公司等研究單位針對航空航天鈦合金、鋁合金結(jié)構(gòu)開展了大量研究，最大成型速度達(dá)到了 3500cm3/h，較之其它的金屬快速成型技術(shù)，效率提高了數(shù)十倍。利用該項技術(shù)完成了F-22 上鈦合金支座的直接制造，該零件成功通過了兩個周期的最大載荷全譜疲勞測試，并未發(fā)現(xiàn)永久變形。  在國內(nèi)清華大學(xué)機械系獨立的開發(fā)了電子束選區(qū)熔化設(shè)備，在 2004 年推出第一臺電子束選區(qū)熔化成形設(shè)備 EBSM150，并于 2008 年升級到第二代設(shè)備EBSM250，成形零件最大尺寸增大至 230mm×230mm×250mm。該課題組使用自行開發(fā)的設(shè)備，對電子束選區(qū)熔化工藝的多個關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入的研究，在近十年的時間內(nèi)，做了大量研發(fā)工作，包括成形控制系統(tǒng)開發(fā)、粉末預(yù)熱工藝、掃描路徑規(guī)劃、成形件的機械性能等。

激光熔覆式成型技術(shù)（LMD）
激光熔化沉積（Laser  Metal  Deposition，LMD）于上世紀(jì)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(fā)展起來，由于許多大學(xué)和機構(gòu)是分別獨立進(jìn)行研究的，因此這一技術(shù)的名稱繁多。例如，美國Sandia國家實驗室的激光近凈成形技術(shù)LENS（LaserEngineeredNetShaping），美國Michigan大學(xué)的直接金屬沉積DMD（DirectMetalDeposition），英國伯明翰大學(xué)的直接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西北工業(yè)大學(xué)的激光快速成形LRF(LaserRapidForming)等。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(shù)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(jié)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(jìn)一步進(jìn)行機加工后才能使用。  激光熔覆是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程，熔覆過程中的參數(shù)對熔覆件的質(zhì)量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數(shù)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(shù)之間也相互影響,是一個非常復(fù)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(nèi)。

同軸送粉和側(cè)向送粉的區(qū)別
激光同步熔覆金屬粉末工藝中，常見的有同軸送粉和側(cè)向送粉兩種方式，側(cè)向送粉方式設(shè)計簡單、便于調(diào)節(jié)，但也有很多不足之處。首先，由于激光束沿平面曲線任意曲線形狀掃描時，曲線上各點的粉末運動方向與激光束掃描速度方向間的夾角不一致，導(dǎo)致熔覆層各點的粉末堆積形狀發(fā)生變化，直接影響熔覆層的表面精度和均勻一致性，造成熔覆軌跡的粗糙與熔覆厚度和寬度的不均，很難保證最終零件的形狀和尺寸符合要求。其次，送粉位置與激光光斑中心很難對準(zhǔn)，這種對位是很重要的，少量的偏差將會導(dǎo)致粉末利用率下降和熔覆質(zhì)量的惡化。再次，采用側(cè)向送粉方式，激光束起不到粉末預(yù)熱和預(yù)熔化的作用，激光能量不能被充分利用，容易出現(xiàn)粘粉、欠熔覆、非冶金結(jié)合等缺陷。還有，側(cè)向送粉方式只適合于線性熔覆軌跡的場合，如只沿著X方向或Y方向運動，不適合復(fù)雜軌跡的運動。

另外，側(cè)向送粉只適合于制造一些壁厚零件，這是由于側(cè)向送粉噴嘴噴出的粉末是發(fā)散的，而不是匯聚的，不利于保證成型薄壁零件的精度。當(dāng)粉末輸送方向與基材運動方向相同與相反時的熔覆狀況，熔覆層形狀明顯受粉末輸送方向與基材運動方向的影響。此外，如果粉末輸送方向與基材運動方向垂直，熔覆層形狀會與兩者方向平行時得到的形狀差別更大。因此，側(cè)向送粉具有明顯的方向性，熔覆層幾何形狀隨運動方向不同而發(fā)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于同一軸線上，這樣盡管掃描速度方向發(fā)生變化，但是粉末流相對工件的空間分布始終是一致的，能得到各向一致的熔覆層，還由于粉末的進(jìn)給和激光束是同軸的，故能很好地適應(yīng)掃描方向的變化，消除粉末輸送方向?qū)θ鄹矊有螤钣绊懀�確保制造零件的精度，而且粉末噴出后呈匯聚狀，因此可以制造一些薄壁試件，解決了熔覆成型零件尺寸精度的問題，這在薄壁零件的熔覆過程中優(yōu)勢非常明顯。由此可見，同軸送粉方式有利于提高粉末流量和熔覆層形狀的穩(wěn)定性與均勻性，從而改善金屬成型件的精度和質(zhì)量。

激光熔覆式快速成型技術(shù)的發(fā)展
美國對激光熔覆制造技術(shù)的研究起步較早，在二十世紀(jì)八十年代即展開研究，至二十世紀(jì)九十年代末已建立起一系列的激光熔覆制造工藝并應(yīng)用于模具等領(lǐng)域的功能件直接制造。國內(nèi)對激光熔覆制造技術(shù)的研究較為成熟。如北京有色金屬研究院采用激光熔覆制造技術(shù)直接制造出組織致密的663錫青銅合金零件，零件的力學(xué)性能滿足實際使用要求。西北工業(yè)大學(xué)在二十世紀(jì)九十年代即開始了激光熔覆制造技術(shù)的探索研究，在后期開發(fā)出激光立體成型系統(tǒng)，并針對鎳基高溫合金、不銹鋼、鈦合金等材料的成型工藝特性進(jìn)行了大量的工藝實驗，獲得了具有復(fù)雜形狀的金屬功能件。與電子束選區(qū)熔化類似，激光熔覆制造技術(shù)可直接制造出組織致密、力學(xué)性能良好的金屬功能件，但是受到激光光斑大小和工作臺運動精度等因素的限制，所直接制造的功能件的尺寸精度和表面粗糙度較差，往往需要后續(xù)的機加工才能滿足使用要求。  而激光熔化沉積（LMD）的發(fā)展稍微晚點，其中美國軍方對這一技術(shù)給予了大力的關(guān)注和支持，在其支持下，美國率先進(jìn)行了該技術(shù)實用化的研究。


1997年，美國MTS公司成立專門從事鈦合金飛機結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的AeroMet公司，在美國空軍、陸軍及國防部有關(guān)研究計劃支持下，進(jìn)行激光熔化沉積鈦合金飛機結(jié)構(gòu)件的研究；2000年，完成了鈦合金飛機機翼的靜載強度測試試驗。2001年，其生產(chǎn)的三個鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件獲準(zhǔn)在飛機上使用，其性能超過了傳統(tǒng)的制造工藝，同時由于材料和切削加工的節(jié)省，其制造成本降低20~40%，生產(chǎn)周期也縮短80%。但由于在鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件的疲勞性能未超過鍛件標(biāo)準(zhǔn)，最終未能實現(xiàn)該技術(shù)在飛機大型構(gòu)件上的應(yīng)用，公司于2005年關(guān)閉。盡管如此，具有低成本、短周期、高性能特點的激光增材制造技術(shù)仍在美國的航空航天、國防工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。  

激光熔覆式快速成型技術(shù)的問題
然而，由于LMD的層層添加性，沉積材料在不同的區(qū)域重復(fù)經(jīng)歷著復(fù)雜的熱循環(huán)過程。LMD熱循環(huán)過程涉及到熔化和在較低溫度眾多的再加熱周期過程，這種復(fù)雜的熱行為導(dǎo)致了復(fù)雜相變和微觀結(jié)構(gòu)的變化。因此，控制成形零件所需要的成分和結(jié)構(gòu)存在較大的難度。  另一方面，采用細(xì)小的激光束快速形成熔池導(dǎo)致較高的凝固速率和熔體的不穩(wěn)定性。由于零件凝固成形過程中熱量的瞬態(tài)變化，容易產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在必然導(dǎo)致變形的產(chǎn)生，甚至在LMD成形件中產(chǎn)生裂紋。成分、微觀結(jié)構(gòu)的不可控性及殘余應(yīng)力的形成是LMD技術(shù)面臨的主要困境。

激光熔覆式快速成型技術(shù)的優(yōu)勢
DMD/LENS的實質(zhì)是計算機控制下金屬熔體的三維堆積成形。與DMLS和SLM/SLRM不同的是，金屬粉末在噴嘴中即已處于加熱熔融狀態(tài)，故其特別適于高熔點金屬的激光快速成形。事實上，美國Sandia國家實驗室在美國能源部資助下，在LENS開發(fā)初期，就將其定位于直接精密制造航空航天、軍事裝備領(lǐng)域的復(fù)雜形狀高熔點金屬零部件；并以此為基礎(chǔ)，將成形材料體系拓展為工具鋼，不銹鋼，鈦合金，鎳基高溫合金等。美國Sandia國家實驗室開展的復(fù)雜零件LENS成形研究工作，成形零件綜合機械性能接近甚至優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制備的相關(guān)零件；但限于國防安全保密，目前相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)很少有公開報道。特別需要說明的是，通過調(diào)節(jié)送粉裝置、逐漸改變粉末成分，可在同一零件的不同位置實現(xiàn)材料成分的連續(xù)變化，因此LENS在加工異質(zhì)材料（如功能梯度材料）方面具有獨特優(yōu)勢。  

送絲式激光熔覆式快速成型技術(shù)
由于粉末激光增材制造中不可避免的缺陷，比如粉末的利用率很低（20~30%），粉末的污染問題，粉末相對昂貴的價格等。而送絲式激光增材制造不僅材料利用率很高（幾乎100%），沒有粉塵污染，對設(shè)備的要求比較低，更加具有經(jīng)濟性。因此，近些年來，一些機構(gòu)已經(jīng)開始將目光轉(zhuǎn)移到送絲的增材制造技術(shù)研究上來。目前，應(yīng)用最多的還是采用TIG電弧熔絲的方式，而用激光的很少。綜上所述，目前國外關(guān)于送絲式的激光增材制造研究比較少，而采用TIG電弧熔絲的方式研究較多，國內(nèi)在這方面的研究還未有報道。一般的，采用TIG電弧熔絲方法制備的抗拉強度和屈服強度低于激光增材制造技術(shù)，而延伸率要比激光的要高。組織上，TIG電弧熔絲方法制備的鈦合金主要以網(wǎng)籃組織為主，而激光增材制造的以魏氏組織為主，這是由于兩種方式不同的能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技術(shù)對比
送粉式在工藝窗口和內(nèi)部缺陷等方面均優(yōu)于送絲式，送粉式的激光增材制造大大減少了所需的激光功率閾值。采用送絲式時隨著增大激光功率，沉積層的高度呈線性下降，影響成形效率，此時必須加大送絲速度，但送絲速度的增加又會帶了送絲穩(wěn)定性的問題。因此，送絲成形對激光功率、送絲速度、掃描速度這三者之間的參數(shù)匹配很重要。而送粉式在增大功率時，高度基本不變。  尺寸精度方面，送粉式在厚度方向除了底部較窄外，其他地方厚薄均勻，側(cè)壁非常平直；長度方向上，熔池未下淌，成形較平直。送絲式在厚度方向上厚薄較均勻，但由于絲的剛性擾動和絲與光的對中性要求比較苛刻，因而容易出現(xiàn)絲和光的微小偏離，從而使側(cè)壁成形不是很平直，出現(xiàn)了彎曲；在長度方向上，在激光開始和結(jié)束的地方，出現(xiàn)了沉積層的傾斜與下淌，這是由于激光功率較送粉的大，同時由于激光停止出光前就先停止送絲，因而在收尾處激光單純的作用在沉積層上，造成沉積層熔池的下淌。  綜上所述，在工藝窗口、內(nèi)部缺陷、尺寸精度和表面精度方面，送粉式的要優(yōu)于送絲式的；在效率和經(jīng)濟性方面，送絲式具有突出性的優(yōu)勢。

部分文章來源于：金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院;楊永強  劉洋  宋長輝 ）

延伸閱讀：
金屬3D打印技術(shù)及其專用粉末的研究進(jìn)展
南極熊揭秘3D打印金屬粉末的制備方法

好文章。。。好吧，我承認(rèn)是來灌水了

gan19821226 發(fā)表于 2017-2-16 10:15
好文章。。。好吧，我承認(rèn)是來灌水了

LZ是專家，我們是Optomec LENS在中國的代理商，有機會交流下。