详解5种金属3D打印技术

3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。当然我国的3D打印技术也在不断的发展，在2017年的达沃斯论坛中国国家主席就在发表题为《共担时代责任 共促全球发展》的主旨演讲中就提到3D打印、人工智能等新技术不断涌现，但尚未形成新的经济增长点。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：包括选区激光烧结（Selective Laser Sintering， SLS）技术、直接金属粉末激光烧结（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、选区激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技术、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技术和电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技术等。

国外对金属零件3D打印技术的理论与工艺研究相对较早。虽然我国在技术上落后于这些欧美大国，但是经过这些年国内的技术的不断积累，一些厂家也都推出了自己的商品化的金属3D打印机，接下来小编就直接制造金属功能零件的快速成型的主要方法进行了归纳总结。

选区激光烧结（SLS） 

选择性激光烧结技术（SLS）最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其硕士论文中提出的， 选区激光烧结，顾名思义，所采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中粉体材料发生部分熔化，粉体颗粒保留其固相核心，并通过后续的固相颗粒重排、液相凝固粘接实现粉体致密化。美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。国内有如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，多家单位进行SLS的相关研究工作，也取得了重大成果。 

SLS 技术原理及其特点 

整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。

SLS工艺采用半固态液相烧结机制，粉体未发生完全熔化，虽可在一定程度上降低成形材料积聚的热应力，但成形件中含有未熔固相颗粒，直接导致孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面粗糙度高等工艺缺陷，在SLS 半固态成形体系中，固液混合体系粘度通常较高，导致熔融材料流动性差，将出现 SLS 快速成形工艺特有的冶金缺陷——“球化”效应。球化现象不仅会增加成形件表面粗糙度，更会导致铺粉装置难以在已烧结层表面均匀铺粉后续粉层，从而阻碍SLS 过程顺利开展。

由于烧结好的零件强度较低，需要经过后处理才能达到较高的强度并且制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。在SLS出现初期，相对于其他发展比较成熟的快速成型方法，选择性激光烧结具有成型材料选择范围广，成型工艺比较简单（无需支撑）等优点。但由于成型过程中的能量来源为激光，激光器的应用使其成型设备的成本较高，随着2000 年之后激光快速成形设备的长足进步（表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等），粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。选择性激光烧结技术（SLS）已被类似更为先进的技术代替。 

直接金属激光成形（DMLS）

SLS制造金属零部件，通常有两种方法，其一为间接法，即聚合物覆膜金属粉末的SLS；其二为直接法，即直接金属粉末激光烧结（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自从1991年金属粉末直接激光烧结研究在Leuvne的Chatofci大学开展以来，利用SLS工艺直接烧结金属粉末成形三维零部件是快速原型制造的最终目标之一。与间接SLS技术相比，DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。  

直接金属粉末激光烧结（DMLS）的特点  

DMLS技术作为SLS技术的一个分支，原理基本相同。但DMLS技术精确成形形状复杂的金属零部件有较大难度，归根结底，主要是由于金属粉末在DMLS中的“球化”效应和烧结变形，球化现象，是为使熔化的金属液表面与周边介质表面构成的体系具有最小自由能，在液态金属与周边介质的界面张力作用下，金属液表面形状向球形表面转变的一种现象．球化会使金属粉末熔化后无法凝固形成连续平滑的熔池，因而形成的零件疏松多孔，致使成型失败，由于单组元金属粉末在液相烧结阶段的粘度相对较高，故“球化”效应尤为严重，且球形直径往往大于粉末颗粒直径，这会导致大量孔隙存在于烧结件中，因此，单组元金属粉末的DMLS具有明显的工艺缺陷，往往需要后续处理，不是真正意义上的“直接烧结”。

为克服单组元金属粉末DMLS中的“球化”现象，以及由此造成的烧结变形、密度疏松等工艺缺陷，目前一般可以通过使用熔点不同的多组元金属粉末或使用预合金粉末来实现。多组分金属粉末体系一般由高熔点金属、低熔点金属及某些添加元素混合而成，其中高熔点金属粉末作为骨架金属，能在 DMLS 中保留其固相核心；低熔点金属粉末作为粘结金属，在 DMLS 中熔化形成液相，生成的液相包覆、润湿和粘结固相金属颗粒，以此实现烧结致密化。  

直接金属粉末激光烧结（DMLS）的问题  

作为SLS技术的一个重要分支的DMLS技术尚处在不断发展和完善的过程之中，其烧结的物理过程及烧结致密化机理仍不明了，不同金属粉末体系的激光烧结工艺参数仍需摸索，专用粉末的研制与开发还有待突破。因此，建立金属粉末直接激光烧结过程的数学、物理模型，定量研究DMLS烧结致密化过程中的烧结行为和组织结构变化，成为粉末冶金科学与工程研究中的重要内容之一。DMLS中，金属粉末的物性对于烧结质量有着及其重要的影响，相同的工艺参数条件下，不同的粉末体系的烧结效果往往有很大的区别。把握粉末体系的物性，为其选择最优化的工艺参数，是DMLS的最基本、最重要的要求。大量研究表明，影响DMLS质量的三个关键物性参数主要为：烧结特性、摊铺特性和稳定性。

选区激光熔化（SLM） 

SLM 的思想最初由德国Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年该研究所对SLM 技术的研究取得巨大的成功。世界上第一台SLM设备由英国MCP集团公司下辖的德国 MCP－HEK 分公司已于 2003 年底推出。为获取全致密的激光成形件，同时也受益于2000年之后激光快速成形设备的长足进步（表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等），粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。例如，德国著名的快速成形公司EOS公司，是世界上较早开展金属粉末激光烧结的专业化公司，主要从事SLS金属粉末、工艺及设备研发。而该公司新近研发的EOSINTM270／280型设备，虽继续沿用“烧结”这一表述，但已装配200W光纤激光器，并采用完全熔化的冶金机制成形金属构件，成形性能得以显著提高。目前，作为SLS技术的延伸，SLM术正在德国、英国等欧洲国家蓬勃发展。即便继续沿用“选区激光烧结”（SLS）这一表述，实际所采用的成形机制已转变为粉体完全熔化机制。 

选区激光熔化的原理  

SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本原理类似。SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。SLM与DMLS的界限目前很模糊，区别不明显， DMLS技术虽翻译为金属的烧结，实际成型过程中多数时候已将金属粉末完全熔化。DMLS技术使用材料都为不同金属组成的混合物，各成分在烧结（熔化）过程中相互补偿，有利于保证制作精度。而SLM技术使用材料主要为单一组分的粉末，激光束快速熔化金属粉末并获得连续的扫描线。  

选区激光熔化技术的发展问题 

激光选区成形件中，Fe基合金（主要是钢）SLM成形研究较多，但SLM成形工艺尚需优化、成形性能尚需进一步提高；对SLM成形性能（特别是占基础地位的致密度），目前SLM成形的钢构件通常难以实现全致密。解决钢材料SLM成形的致密化问题，是快速成形研究的关键性瓶颈问题。钢材料激光成形的难度，主要取决于钢中主要元素的化学特性。基体元素Fe及合金元素Cr对氧都具有很强的亲和性，在常规粉末处理和激光成形条件下很难彻底避免氧化现象。因此，在SLM过程中，钢熔体表面氧化物等污染层的存在，将显著降低润湿性，引起激光熔化特有的冶金缺陷球化效应及凝固微裂纹，从而显著降低激光成形致密度及相应的机械性能。另一方面，钢中C含量是决定激光成形性能的又一个关键因素。通常，过高的C含量将对激光成形性产生不利，随C含量升高，熔体表面C元素层的厚度亦会增加。这与氧化层的不利影响类似，也会降低润湿性，导致熔体铺展性降低，并引起球化效应。此外，在晶界上形成的复杂碳化物会增大钢材料激光成形件的脆性。因此，通常对钢材料SLM成形，需提高激光能量密度及SLM成形温度，可促进碳化物的溶解，也可使合金元素均匀化。

通过粉体材料及SLM工艺优化，包括：

1，严格控制原始粉体材料及激光成形系统中的氧含量以改善润湿性；

2，合理调控输入激光能量密度以获取适宜的液相粘度及其流变特性，可有效抑制球化效应及微裂纹形成，进而获取近全致密结构。

对于以Al合金为代表的轻合金零件激光快速成形，先前绝大多数研究报道是基于SLS半固态烧结成形机制，但因严重的球化效应及孔隙缺陷，故研究进展不大；而SLM技术可望为高性能复杂结构Al合金零件近净成形与快速制造提供崭新的技术途径。Al基合金零件SLM成形具有高难度，是由材料自身特殊物理特性本质所决定的。一方面，，通常低功率CO2激光难以使Al合金粉体发生有效熔化，而要求使用能量密度更高的光纤或Nd：YAG激光，这无疑对激光器性能提出了更苛刻的要求。另一方面，Al合金材料热导率高，SLM成形过程中激光能量输入极易沿基板或在粉床中传递消耗，导致激光熔池温度降低，熔体粘度增加且流动性降低，故其难以有效润湿基体材料，导致SLM成形球化效应及内部孔隙、裂纹等缺陷。其三，从成形工艺角度，Al合金材料密度较低，粉体流动性差。 

需指出的是，基于SLM／SLRM成形机制，虽能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光洁度，但因成形过程中粉末发生完全熔化／凝固，故在固液转变过程中将出现明显的收缩变形，致使成形件中积聚较大的热应力，并将在冷却过程中得以释放，使得成形件发生变形、甚至开裂。由于激光选区熔化成形技术成形粉末需求量大，需要在整个成形平面铺设金属粉末，因而不适宜成形贵重的金属；整个成形平台较大，惰性气体保护效果较差，因而也不适宜成形易氧化的金属粉末。

选区激光熔化技术的优势  

在原理上，选区激光熔化与选区激光烧结相似，但因为采用了较高的激光能量密度和更细小的光斑直径，成型件的力学性能、尺寸精度等均较好，只需简单后处理即可投入使用，并且成型所用原材料无需特别配制。选区激光熔化技术的优点可归纳如下：

1．直接制造金属功能件件，无需中间工序； 

2．良好的光束质量，可获得细微聚焦光斑，从而可以直接制造出较高尺寸精度和较好表面粗糙度的功能件；

3．金属粉末完全熔化，所直接制造的金属功能件具有冶金结合组织，致密度较高，具 有较好的力学性能，无需后处理；

4．粉末材料可为单一材料也可为多组元材料，原材料无需特别配制；

5．可直接制造出复杂几何形状的功能件；

6．特别适合于单件或小批量的功能件制造。选区激光烧结成型件的致密度、力学性能较差；电子束熔融成型和激光熔覆制造难以获得较高尺寸精度的零件；相比之下，选区激光熔化成型技术可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件，是近年来快速成型的主要研究热点和发展趋势。  

选区激光熔化技术的研究展望  

（1）实现激光快速成形专用金属粉体材料系列化与专业化。重视粉体材料对改善激光快速成形性能的物质基础作用，深入定量研究适于选区激光熔化成形工艺的粉体化学成分、物性指标、制备技术及表征方法，实现激光快速成形专用金属及合金粉体材料的专业化和系列化。  

（2）深入定量研究金属及合金粉体激光成形冶金本质及其机理。紧扣金属及合金粉体激光快速成形关键科学问题，包括激光束—金属粉体交互作用机理、激光熔池非平衡传热传质机制、超高温度梯度下金属熔体快速凝固及内部冶金缺陷和显微组织调控、金属粉体激光熔化成形全过程及各类型内应力演变等冶金、物理、化学及热力耦合问题，为改善金属及合金粉体激光快速成形组织和性能提供科学理论基础。  

（3）高性能复杂结构金属及合金零件激光控形控性净形制造。以激光快速成形专用高流动性金属粉体设计制备为物质基础，以激光非平衡熔池冶金热力学和动力学行为、激光成形显微组织调控机制、激光成形件内应力演化规律多尺度预测为理论基础，通过粉体设计制备—零件结构设计—SLM成形工艺—组织及性能评价的一体化研究，面向航空航天、生物医药、模具制造等领域应用需求，实现高性能复杂结构金属及合金关键零件激光控形控性直接精密净成形制造。对于金属零件选区激光熔化快速成形的材料、工艺及理论的研究，尚有很多方面未获得本质突破。对于该领域诸多新材料、新工艺、新现象及新理论的深入研究与发掘，是实现激光快速成形技术走向工程应用的基础。 

选区激光熔化技术的研究工作 

大量学者和研究团队对选区激光熔化技术进行了大量的工作。RehmeO等对选区激光熔化成型过程的重要参数进行分析并归类，研究了扫描线长度、扫描间距、层厚、成型方向等参数对零件的致密度和残余应力的影响。KozoOsakada等研究了镍基合金、铁基合金和纯钛材料的选区激光熔化成型特性，分析成型件的热应力分布，通过扫描策略和预热等方法减小热应力，并直接制造出致密度90％以上的金属模具。J．P．Kruth等利用Rayleigh不稳定性原理解释铁基合金的球化现象，并提出利用扫描策略和控制氧含量的方法消除球化，同时研究不同的元素会对激光吸收率、热传导性、熔液的润湿及铺展性、氧含量以及Rayleigh不稳定性等的影响。I．Shishkovsky等对铝锆陶瓷材料的选区激光熔化成型特性进行了分析，研究成型件的组织结构及成份，并发现在空气中成型的零件是具有致密组织结构和规则稳定相分布的。

M．Badrossamay等对不锈钢和工具钢进行了研究，研究了扫描策略、激光功率等参数对成型质量的影响，其研究发现，不锈钢和工具钢有着类似的成型规律，并且成型质量和扫描速度之间不是呈线性关系，由此推测扫描速度对粉床热量的损失量有影响。I．Yadroitsev等采用不锈钢等原材料对选区激光熔化成型工艺开展了很多工作，研究了扫描策略对致密度的影响、扫描角度对力学性能的影响，采用“填充后再填充的扫描策略”可获得高致密度成型件，同时发现扫描倾斜角度对成型件的屈服强度和抗拉强度影响不大；另外，通过工艺实验，采用优化工艺参数成型出厚度为140μm的连续薄壁。Gusarov等利用热力学分析选区激光熔化成型过程的熔池稳定性，采用Rayleigh不稳定性原理解释高扫描速度下的球化现象，并提出适合连续熔池的较优熔池形状，即减小熔池长宽比并增加熔池与基板的接触线宽度。

KamranAamirMumtaz等研究了镍合金的单道熔池，分析扫描策略对致密度的影响，并提出改善表面质量的方法，即采用“填充后再填充的扫描策略”可防止因相邻熔池搭接而导致热变形，同时成型出致密度达99．7％的合金零件。Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等［33－35］还对选区激光熔化直接成型功能性材料进行了初步探索，并取得一些成果，如：Julio等采用选区激光熔化直接制造出具有散热功能管材料；Rehme等采用选区激光熔化直接制造出具有胞元结构的多孔医用植入体材料，而McKown等则直接制造出网格状材料；Yadroitsev等则研究了选区激光熔化直接制造具有微孔结构的过滤材料零件。

国内对选区激光熔化技术的研究工作虽然起步较晚，但至今也取得了很大的进展。主要的研究单位有：华南理工大学、华中科技大学、南京航空航天大学、上海交通大学等高校以及其他一些科研单位。其中华南理工大学在不锈钢、铜合金、镍合金和钛合金等开展了大量的工艺实验，研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描策略等对致密度、尺寸精度、内部组织等的影响；华中科技大学也对不锈钢的成型工艺进行了一些探讨，采用正交实验方法优化工艺参数；南京航空航天大学除了对一些常用材料进行研究外，还采用选区激光熔化直接制造复合材料功能件；上海交通大学采用316L不锈钢研究了选区激光熔化成型件的表面质量和内部微观组织，并得到高致密度的功能件。

电子束熔化（EBM）

1994年瑞典 ARCAM 公司申请的一份专利，所开发的技术称为电子束熔化成形技术（Electron Beam Melting），ARCAM公司也是世界上第一家将电子束快速制造商业化的公司，并于2003 年推出第一代设备，此后美国麻省理工学院、美国航空航天局、北京航空制造工程研究所和我国清华大学均开发出了各自的基于电子束的快速制造系统。美国麻省理工学院开发的电子束实体自由成形技术（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication，EBSFF）。EBSFF 技术采用送丝方式供给成形材料前两种利用电子束熔化金属丝材，电子束固定不动，金属丝材通过送丝装置和工作台移动，与激光近形制造技术类似，电子束熔丝沉积快速制造时，影响因素较多，如电子束流、加速电压、聚焦电流、偏摆扫描、工作距离、工件运动速度、送丝速度、送丝方位、送丝角度、丝端距工件的高度、丝材伸出长度等。这些因素共同作用影响熔积体截面几何参量，确区分单一因素的作用十分困难；瑞典 ARCAM 公司与清华大学电子束开发的选区熔化（EBSM）利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末，与激光选区熔化技术类似，利用电子束实时偏转实现熔化成形，该技术不需要二维运动部件，可以实现金属粉末的快速扫描成形。

电子束选区熔化（EBSM）原理

类似激光选区烧结和激光选区熔化工艺，电子束选区熔化技术（EBSM）是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术。EBSM技术的工艺过程为：先在铺粉平面上铺展一层粉末；然后，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。上位机的实时扫描信号经数模转换及功率放大后传递给偏转线圈，电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转，达到选择性熔化。经过十几年的研究发现对于一些工艺参数如电子束电流、聚焦电流、作用时间、粉末厚度、加速电压、扫描方式进行正交实验。作用时间对成型影响最大。 

电子束选区熔化的优势

电子束直接金属成形技术采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可通过操纵磁偏转线圈进行，没有机械惯性，且电子束具有的真空环境还可避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。  电子束与激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、稳定及运行维护成本低等优点。EBM技术优点是成型过程效率高，零件变形小，成型过程不需要金属支撑，微观组织更致密等  电子束的偏转聚焦控制更加快速、灵敏。激光的偏转需要使用振镜，在激光进行高速扫描时振镜的转速很高。在激光功率较大时，振镜需要更复杂的冷却系统，而振镜的重量也显著增加。因而在使用较大功率扫描时，激光的扫描速度将受到限制。在扫描较大成形范围时，激光的焦距也很难快速的改变。电子束的偏转和聚焦利用磁场完成，可以通过改变电信号的强度和方向快速灵敏的控制电子束的偏转量和聚焦长度。电子束偏转聚焦系统不会被金属蒸镀干扰。用激光和电子束熔化金属的时候，金属蒸汽会弥散在整个成形空间，并在接触的任何物体表面镀上金属薄膜。电子束偏转聚焦都是在磁场中完成，因而不会受到金属蒸镀的影响；激光器振镜等光学器件则容易受到蒸镀污染。

电子束选区熔化的主要问题

真空室抽气过程中粉末容易被气流带走，造成真空系统的污染；但其存在一个比较特殊的问题即粉末溃散现象，其原因是电子束具有较大动能，当高速轰击金属原子使之加热、升温时，电子的部分动能也直接转化为粉末微粒的动能。当粉末流动性较好时，粉末颗粒会被电子束推开形成溃散现象。防止炊粉的基本原则是提高粉床的稳定性，克服电子束的推力，主要有四项措施：降低粉末的流动性，对粉末进行预热，对成型底板进行预热，优化电子束扫描方式。因此，粉末材料一直很难成为真空电子束设备的加工对象，工艺参数方面的研究更是鲜有报导。针对粉末在电子束作用下容易溃散的现象，提不同粉末体系所能承受的电子束域值电流（溃散电流）和电子束扫描域值速度（溃散速度）判据，并在此基础上研究出混合粉末；  EBM技术成型室中必须为高真空，才能保证设备正常工作，这使得EBM技术整机复杂度提高。还因在真空度下粉末容易扬起而造成系统污染。此外，EBM技术需要将系统预热到800℃以上，使得粉末在成型室内预先烧结固化在一起，高预热温度对系统的整体结构提出非常高的要求，加工结束后零件需要在真空成型室中冷却相当长一段时间，降低了零件的生产效率。 

电子束无法比较难像激光束一样聚焦出细微的光斑因此成型件难以达到较高的尺寸精度。因此，对于精密或有细微结构的功能件，电子束选区熔化成型技术是难以直接制造出来的。  电子束偏转误差。EBSM系统采用磁偏转线圈产生磁场，使电子偏转。由于偏转的非线性以及磁场的非均匀性，电子束在大范围扫描时会出现枕形失真。大偏角时的散焦。EBSM系统采用聚焦线圈使电子束聚焦。若聚焦线圈中的电流恒定，电子束的聚焦面为球面，而电子束在平面上扫描。因此，电子束在不偏转时聚焦，而在大角度偏转时出现散焦。  
国内外研究状况 

从 2003 年推出第一台设备 S12 至今，ARCAM 推出了三款成形设备。在新一代成形设备 A1、A2成形设备中，成形零件的最大尺寸和精度都有较大的提高，并且在成形零件的冷却中实现了自动冷却。在成形和冷却的过程中在真空室充入一定压强的氦气，可以加速成形后的冷却速率，同时保持更低的氧含量。A1、A2 设备的应用领域也更加明确，A1 主要用来成形骨骼植入物，成形材料也主要为钛、钴合金；A2 主要用于成形航天航空领域和国防领域需要的零件，也制作其它领域成形复杂度高的小批量金属件。ARCAM 采用最新生产的 A1 和 A2 设备，生产了大量精度和强度更加优良的零件，其中利用 A1 生产的合金骨骼早已通过了 CE 认证，迄今在欧洲大陆已经造福超过 10，000 名患者，在 2011 年初也通过了美国 FDA 的认证。利用 A2 生产的航空和国防领域的产品也取得了显著的成果，除了具有以上所说的表面光滑，可加工复杂形状，还将原材料到最终产品质量的比率由 15～20 降到了约为 1，大大的降低了成本。  

美国 NASA  Langley  Research  Center、Sciaky 公司、Lockheed Martin 公司等研究单位针对航空航天钛合金、铝合金结构开展了大量研究，最大成型速度达到了 3500cm3／h，较之其它的金属快速成型技术，效率提高了数十倍。利用该项技术完成了F－22 上钛合金支座的直接制造，该零件成功通过了两个周期的最大载荷全谱疲劳测试，并未发现永久变形。在国内清华大学机械系独立的开发了电子束选区熔化设备，在 2004 年推出第一台电子束选区熔化成形设备 EBSM150，并于 2008 年升级到第二代设备EBSM250，成形零件最大尺寸增大至 230mm×230mm×250mm。该课题组使用自行开发的设备，对电子束选区熔化工艺的多个关键问题进行了深入的研究，在近十年的时间内，做了大量研发工作，包括成形控制系统开发、粉末预热工艺、扫描路径规划、成形件的机械性能等。 

激光熔覆式成型技术（LMD）

激光熔化沉积（Laser  Metal  Deposition，LMD）于上世纪90年代由美国Sandia国家实验室首次提出，随后在全世界很多地方相继发展起来，由于许多大学和机构是分别独立进行研究的，因此这一技术的名称繁多。例如，美国Sandia国家实验室的激光近净成形技术LENS（LaserEngineeredNetShaping），美国Michigan大学的直接金属沉积DMD（DirectMetalDeposition），英国伯明翰大学的直接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中国西北工业大学的激光快速成形LRF（LaserRapidForming）等。虽然名字不尽相同，但是他们的原理基本相同，成型过程中，通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上，同时激光束也聚集到该点，将粉光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆实体。

LENS技术使用的是千瓦级的激光器，由于采用的激光聚焦光斑较大，一般在1mm以上，虽然可以得到冶金结合的致密金属实体，但其尺寸精度和表面光洁度都不太好，需进一步进行机加工后才能使用。激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等，他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时，各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允许的范围内。

同轴送粉和侧向送粉的区别 

激光同步熔覆金属粉末工艺中，常见的有同轴送粉和侧向送粉两种方式，侧向送粉方式设计简单、便于调节，但也有很多不足之处。首先，由于激光束沿平面曲线任意曲线形状扫描时，曲线上各点的粉末运动方向与激光束扫描速度方向间的夹角不一致，导致熔覆层各点的粉末堆积形状发生变化，直接影响熔覆层的表面精度和均匀一致性，造成熔覆轨迹的粗糙与熔覆厚度和宽度的不均，很难保证最终零件的形状和尺寸符合要求。其次，送粉位置与激光光斑中心很难对准，这种对位是很重要的，少量的偏差将会导致粉末利用率下降和熔覆质量的恶化。再次，采用侧向送粉方式，激光束起不到粉末预热和预熔化的作用，激光能量不能被充分利用，容易出现粘粉、欠熔覆、非冶金结合等缺陷。还有，侧向送粉方式只适合于线性熔覆轨迹的场合，如只沿着X方向或Y方向运动，不适合复杂轨迹的运动。

另外，侧向送粉只适合于制造一些壁厚零件，这是由于侧向送粉喷嘴喷出的粉末是发散的，而不是汇聚的，不利于保证成型薄壁零件的精度。当粉末输送方向与基材运动方向相同与相反时的熔覆状况，熔覆层形状明显受粉末输送方向与基材运动方向的影响。此外，如果粉末输送方向与基材运动方向垂直，熔覆层形状会与两者方向平行时得到的形状差别更大。因此，侧向送粉具有明显的方向性，熔覆层几何形状随运动方向不同而发生改变。  同轴送粉则克服了上述的缺点，激光束和喷嘴中心线于同一轴线上，这样尽管扫描速度方向发生变化，但是粉末流相对工件的空间分布始终是一致的，能得到各向一致的熔覆层，还由于粉末的进给和激光束是同轴的，故能很好地适应扫描方向的变化，消除粉末输送方向对熔覆层形状影响，确保制造零件的精度，而且粉末喷出后呈汇聚状，因此可以制造一些薄壁试件，解决了熔覆成型零件尺寸精度的问题，这在薄壁零件的熔覆过程中优势非常明显。由此可见，同轴送粉方式有利于提高粉末流量和熔覆层形状的稳定性与均匀性，从而改善金属成型件的精度和质量。 

激光熔覆式快速成型技术的发展 

美国对激光熔覆制造技术的研究起步较早，在二十世纪八十年代即展开研究，至二十世纪九十年代末已建立起一系列的激光熔覆制造工艺并应用于模具等领域的功能件直接制造。国内对激光熔覆制造技术的研究较为成熟。如北京有色金属研究院采用激光熔覆制造技术直接制造出组织致密的663锡青铜合金零件，零件的力学性能满足实际使用要求。西北工业大学在二十世纪九十年代即开始了激光熔覆制造技术的探索研究，在后期开发出激光立体成型系统，并针对镍基高温合金、不锈钢、钛合金等材料的成型工艺特性进行了大量的工艺实验，获得了具有复杂形状的金属功能件。与电子束选区熔化类似，激光熔覆制造技术可直接制造出组织致密、力学性能良好的金属功能件，但是受到激光光斑大小和工作台运动精度等因素的限制，所直接制造的功能件的尺寸精度和表面粗糙度较差，往往需要后续的机加工才能满足使用要求。  而激光熔化沉积（LMD）的发展稍微晚点，其中美国军方对这一技术给予了大力的关注和支持，在其支持下，美国率先进行了该技术实用化的研究。

1997年，美国MTS公司成立专门从事钛合金飞机结构件激光熔化沉积技术开发应用的AeroMet公司，在美国空军、陆军及国防部有关研究计划支持下，进行激光熔化沉积钛合金飞机结构件的研究；2000年，完成了钛合金飞机机翼的静载强度测试试验。2001年，其生产的三个钛合金次承力结构件获准在飞机上使用，其性能超过了传统的制造工艺，同时由于材料和切削加工的节省，其制造成本降低20～40％，生产周期也缩短80％。但由于在钛合金主承力结构件的疲劳性能未超过锻件标准，最终未能实现该技术在飞机大型构件上的应用，公司于2005年关闭。尽管如此，具有低成本、短周期、高性能特点的激光增材制造技术仍在美国的航空航天、国防工业中发挥着重要的作用。  

激光熔覆式快速成型技术的问题 

然而，由于LMD的层层添加性，沉积材料在不同的区域重复经历着复杂的热循环过程。LMD热循环过程涉及到熔化和在较低温度众多的再加热周期过程，这种复杂的热行为导致了复杂相变和微观结构的变化。因此，控制成形零件所需要的成分和结构存在较大的难度。另一方面，采用细小的激光束快速形成熔池导致较高的凝固速率和熔体的不稳定性。由于零件凝固成形过程中热量的瞬态变化，容易产生复杂的残余应力。残余应力的存在必然导致变形的产生，甚至在LMD成形件中产生裂纹。成分、微观结构的不可控性及残余应力的形成是LMD技术面临的主要困境。

激光熔覆式快速成型技术的优势 

DMD／LENS的实质是计算机控制下金属熔体的三维堆积成形。与DMLS和SLM／SLRM不同的是，金属粉末在喷嘴中即已处于加热熔融状态，故其特别适于高熔点金属的激光快速成形。事实上，美国Sandia国家实验室在美国能源部资助下，在LENS开发初期，就将其定位于直接精密制造航空航天、军事装备领域的复杂形状高熔点金属零部件；并以此为基础，将成形材料体系拓展为工具钢，不锈钢，钛合金，镍基高温合金等。美国Sandia国家实验室开展的复杂零件LENS成形研究工作，成形零件综合机械性能接近甚至优于传统工艺制备的相关零件；但限于国防安全保密，目前相关技术细节很少有公开报道。特别需要说明的是，通过调节送粉装置、逐渐改变粉末成分，可在同一零件的不同位置实现材料成分的连续变化，因此LENS在加工异质材料（如功能梯度材料）方面具有独特优势。  

送丝式激光熔覆式快速成型技术 

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％），粉末的污染问题，粉末相对昂贵的价格等。而送丝式激光增材制造不仅材料利用率很高（几乎100％），没有粉尘污染，对设备的要求比较低，更加具有经济性。因此，近些年来，一些机构已经开始将目光转移到送丝的增材制造技术研究上来。目前，应用最多的还是采用TIG电弧熔丝的方式，而用激光的很少。综上所述，目前国外关于送丝式的激光增材制造研究比较少，而采用TIG电弧熔丝的方式研究较多，国内在这方面的研究还未有报道。一般的，采用TIG电弧熔丝方法制备的抗拉强度和屈服强度低于激光增材制造技术，而延伸率要比激光的要高。组织上，TIG电弧熔丝方法制备的钛合金主要以网篮组织为主，而激光增材制造的以魏氏组织为主，这是由于两种方式不同的能量特点和输入造成的。

送粉式与送丝式激光熔覆式快速成型技术对比

送粉式在工艺窗口和内部缺陷等方面均优于送丝式，送粉式的激光增材制造大大减少了所需的激光功率阈值。采用送丝式时随着增大激光功率，沉积层的高度呈线性下降，影响成形效率，此时必须加大送丝速度，但送丝速度的增加又会带了送丝稳定性的问题。因此，送丝成形对激光功率、送丝速度、扫描速度这三者之间的参数匹配很重要。而送粉式在增大功率时，高度基本不变。  尺寸精度方面，送粉式在厚度方向除了底部较窄外，其他地方厚薄均匀，侧壁非常平直；长度方向上，熔池未下淌，成形较平直。送丝式在厚度方向上厚薄较均匀，但由于丝的刚性扰动和丝与光的对中性要求比较苛刻，因而容易出现丝和光的微小偏离，从而使侧壁成形不是很平直，出现了弯曲；在长度方向上，在激光开始和结束的地方，出现了沉积层的倾斜与下淌，这是由于激光功率较送粉的大，同时由于激光停止出光前就先停止送丝，因而在收尾处激光单纯的作用在沉积层上，造成沉积层熔池的下淌。  综上所述，在工艺窗口、内部缺陷、尺寸精度和表面精度方面，送粉式的要优于送丝式的；在效率和经济性方面，送丝式具有突出性的优势。

部分文章来源于：金属零件3D打印技术现状及研究进展（华南理工大学机械与汽车工程学院；杨永强  刘洋  宋长辉 ）