由3D打印帶來的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及智能制造逐漸演變成一種潮流，并引發(fā)制造方式的轉(zhuǎn)變和制造體系轉(zhuǎn)型升級的思考。顛覆傳統(tǒng)制造模式的3D打印，為制造業(yè)發(fā)展開辟全新的廣闊天地。尤其是金屬3D打印，作為整個(gè)3D打印體系中最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：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。這些技術(shù)的工藝原理是什么，又各有何特點(diǎn)?本期筆者將給大家?guī)碓敱M解析。

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(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(shí)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(dòng)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。

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)原理及特點(diǎn)
SLS整個(gè)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(jì)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(gè)層面。完成一層后，工作活塞下降一個(gè)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。

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)存在的問題
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(dòng)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SLS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，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)逐漸被類似更為先進(jìn)的技術(shù)代替。

直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS)
DMLS技術(shù)作為SLS技術(shù)的一個(gè)分支，其成型原理基本相同。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(diǎn)是取消了昂貴且費(fèi)時(shí)的預(yù)處理和后處理工藝步驟。

直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)的特點(diǎn)
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)”。

直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)存在的問題
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(diǎn)不同的多組元金屬粉末或使用預(yù)合金粉末來實(shí)現(xiàn)。多組分金屬粉末體系一般由高熔點(diǎn)金屬、低熔點(diǎn)金屬及某些添加元素混合而成，其中高熔點(diǎn)金屬粉末作為骨架金屬，能在DMLS中保留其固相核心;低熔點(diǎn)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(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化。

選區(qū)激光熔化技術(shù)(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，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技術(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。
國內(nèi)SLM技術(shù)的發(fā)展也在緊追著這些國外巨頭，廣州雷佳增材科技有限公司對SLM這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，雷佳增材是一家專業(yè)從事金屬3D打印設(shè)備研發(fā)、制造、銷售以及提供3D打印服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。公司創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)由華南理工大學(xué)激光3D打印團(tuán)隊(duì)和同行外企的技術(shù)市場團(tuán)隊(duì)共同組成，致力于打造LASERADD品牌成為國際領(lǐng)先的3D打印解決方案提供商。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在DiMetal系列工業(yè)級金屬3D打印機(jī)有多年的技術(shù)積累。設(shè)備可加工材料包括鈦合金，高溫合金，鈷鉻合金，不銹鋼以及鋁合金等多種金屬粉末。主要應(yīng)用于航空航天，汽車制造，生命科學(xué)，口腔醫(yī)療，工業(yè)手板，模具生產(chǎn)等領(lǐng)域，是世界最新工業(yè)4.0的核心技術(shù)之一。

選區(qū)激光熔化技術(shù)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(dòng)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)。

選區(qū)激光熔化技術(shù)的特點(diǎn)
選區(qū)激光熔化技術(shù)可以直接制造金屬功能件件，無需中間工序;具有良好的光束質(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;而且可以讓金屬粉末完全熔化，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;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;值得一體的是，SLM特別適合于單件或小批量的功能件制造。

選區(qū)激光熔化技術(shù)存在的問題
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。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)(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)。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(shí)時(shí)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)熔化成形，該技術(shù)不需要二維運(yùn)動(dòng)部件，可以實(shí)現(xiàn)金屬粉末的快速掃描成形。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)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(jì)算機(jī)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(gè)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(jī)的實(shí)時(shí)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。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)的特點(diǎn)
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(jī)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(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。EBSM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)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(shí)振鏡的轉(zhuǎn)速很高。在激光功率較大時(shí)，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(shí)，激光的掃描速度將受到限制。在掃描較大成形范圍時(shí)，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(qiáng)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(shí)候，金屬蒸汽會彌散在整個(gè)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)熔化技術(shù)存在的問題
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(gè)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(dòng)能，當(dāng)高速轟擊金屬原子使之加熱、升溫時(shí)，電子的部分動(dòng)能也直接轉(zhuǎn)化為粉末微粒的動(dòng)能。當(dāng)粉末流動(dòng)性較好時(shí)，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(xiàng)措施：降低粉末的流動(dòng)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。

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(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)是分別獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(shí)激光束也聚集到該點(diǎn)，將粉光作用點(diǎn)重合，通過工作臺或噴嘴移動(dòng)，獲得堆積的熔覆實(shí)體。

激光熔覆式成型技術(shù)特點(diǎn)
DMD/LENS的實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)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(diǎn)金屬的激光快速成形。事實(shí)上，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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。

激光熔覆式成型技術(shù)存在的問題
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。

來源：廣州3D打印產(chǎn)業(yè)園

由3D打印帶來的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及智能制造逐漸演變成一種潮流，并引發(fā)制造方式的轉(zhuǎn)變和制造體系轉(zhuǎn)型升級的思考。顛覆傳統(tǒng)制造模式的3D打印，為制造業(yè)發(fā)展開辟全新的廣闊天地。尤其是金屬3D打印，作為整個(gè)3D打印體系中最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：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。這些技術(shù)的工藝原理是什么，又各有何特點(diǎn)?本期筆者將給大家?guī)碓敱M解析。

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(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(shí)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(dòng)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。

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)原理及特點(diǎn)
SLS整個(gè)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(jì)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(gè)層面。完成一層后，工作活塞下降一個(gè)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。

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)存在的問題
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(dòng)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SLS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，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)逐漸被類似更為先進(jìn)的技術(shù)代替。

直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS)
DMLS技術(shù)作為SLS技術(shù)的一個(gè)分支，其成型原理基本相同。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(diǎn)是取消了昂貴且費(fèi)時(shí)的預(yù)處理和后處理工藝步驟。

直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)的特點(diǎn)
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)”。

直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)存在的問題
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(diǎn)不同的多組元金屬粉末或使用預(yù)合金粉末來實(shí)現(xiàn)。多組分金屬粉末體系一般由高熔點(diǎn)金屬、低熔點(diǎn)金屬及某些添加元素混合而成，其中高熔點(diǎn)金屬粉末作為骨架金屬，能在DMLS中保留其固相核心;低熔點(diǎn)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(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化。

選區(qū)激光熔化技術(shù)(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，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技術(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。
國內(nèi)SLM技術(shù)的發(fā)展也在緊追著這些國外巨頭，廣州雷佳增材科技有限公司對SLM這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，雷佳增材是一家專業(yè)從事金屬3D打印設(shè)備研發(fā)、制造、銷售以及提供3D打印服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。公司創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)由華南理工大學(xué)激光3D打印團(tuán)隊(duì)和同行外企的技術(shù)市場團(tuán)隊(duì)共同組成，致力于打造LASERADD品牌成為國際領(lǐng)先的3D打印解決方案提供商。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在DiMetal系列工業(yè)級金屬3D打印機(jī)有多年的技術(shù)積累。設(shè)備可加工材料包括鈦合金，高溫合金，鈷鉻合金，不銹鋼以及鋁合金等多種金屬粉末。主要應(yīng)用于航空航天，汽車制造，生命科學(xué)，口腔醫(yī)療，工業(yè)手板，模具生產(chǎn)等領(lǐng)域，是世界最新工業(yè)4.0的核心技術(shù)之一。

選區(qū)激光熔化技術(shù)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(dòng)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)。

選區(qū)激光熔化技術(shù)的特點(diǎn)
選區(qū)激光熔化技術(shù)可以直接制造金屬功能件件，無需中間工序;具有良好的光束質(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;而且可以讓金屬粉末完全熔化，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;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;值得一體的是，SLM特別適合于單件或小批量的功能件制造。

選區(qū)激光熔化技術(shù)存在的問題
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。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)(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)。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(shí)時(shí)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)熔化成形，該技術(shù)不需要二維運(yùn)動(dòng)部件，可以實(shí)現(xiàn)金屬粉末的快速掃描成形。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)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(jì)算機(jī)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(gè)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(jī)的實(shí)時(shí)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。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)的特點(diǎn)
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(jī)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(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。EBSM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)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(shí)振鏡的轉(zhuǎn)速很高。在激光功率較大時(shí)，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(shí)，激光的掃描速度將受到限制。在掃描較大成形范圍時(shí)，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(qiáng)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(shí)候，金屬蒸汽會彌散在整個(gè)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)熔化技術(shù)存在的問題
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(gè)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(dòng)能，當(dāng)高速轟擊金屬原子使之加熱、升溫時(shí)，電子的部分動(dòng)能也直接轉(zhuǎn)化為粉末微粒的動(dòng)能。當(dāng)粉末流動(dòng)性較好時(shí)，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(xiàng)措施：降低粉末的流動(dòng)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。

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(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)是分別獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(shí)激光束也聚集到該點(diǎn)，將粉光作用點(diǎn)重合，通過工作臺或噴嘴移動(dòng)，獲得堆積的熔覆實(shí)體。

激光熔覆式成型技術(shù)特點(diǎn)
DMD/LENS的實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)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(diǎn)金屬的激光快速成形。事實(shí)上，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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。

激光熔覆式成型技術(shù)存在的問題
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。

來源：廣州3D打印產(chǎn)業(yè)園