金属3D打印机技术展望

目前可用于直接3D打印金属功能零件的快速成型方法主要有：包括选区激光烧结技术、直接金属粉末激光烧结、选区激光熔化技术、激光近净成形技术和电子束选区熔化技术，其中选区激光熔化SLM技术为现今3D金属打印机最主流的使用技术。

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.可直接制造出复杂几何形状的功能件；
3.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
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.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
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.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。
3.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。