某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

金属的增材制造技术，是增材制造技术中具有应用前景的方向之一。以最终零件制造为目标，金属增材制造技术对设备、材料、工艺都提出了更高的要求。

选择性激光烧结

选择性激光烧结（SLS：Selective Laser Sintering）工艺，以预置于工作平台上的粉末为原料，计算机根据模型切片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。在烧结之前，整个工作台通常被加热至稍低于粉末熔化温度，以减少热变形，并利于与前一层面的结合。完成一层烧结后，工作平面下降一个层厚， 铺粉系统铺设新粉层，激光束扫描烧结新的一层。如此循环，层层叠加最终制造出三维零件。由于烧结后仍然是密度较低的多孔结构，未烧结的粉末能够对已烧结结构形成支撑，因此SLS具有自支撑性能，可制造任意复杂的形体。

适用于SLS工艺的材料可以是高分子材料，陶瓷或金属粉末。其中，陶瓷与金属材料的应用更为广泛。陶瓷粉末在进行SLS工艺时要在粉末中加入粘结剂，烧结成型后再通过后续热处理去除粘结剂。金属材料可以直接采用SLS工艺烧结，但成型件致密度低、表面粗糙度大，需要后续采取热等静压处理提高致密度。针对小部分高熔点金属，或为了提高成型效率与成型致密度，会采取将目标金属与有机粘结剂或其它低熔点金属混合的方法，通过熔化有机粘结剂或低熔点合金实现快速成型，但这种工艺路线会造成后续热处理工序多（脱脂、高温焙烧或液相烧结）、零件尺寸收缩大、产品力学性能降低等问题。随着高功率激光器的发展，激光能束已可以熔化大部分的金属材料，因此在金属应用方向上，SLS已越来越多的被SLM（选择性激光熔融）所取代。

选择性激光熔融

选择性激光熔融（SLM：Selective Laser Melting）的工艺过程与SLS几乎完全一致。所不同的是金属粉末在高能量密度激光作用下发生熔化而不是固态烧结，成型件可以直接达到99%以上的致密度；同时由于激光扫描速度快，微小尺寸的熔池带来极快的冷却凝固速度，得到均匀细小的金相组织，大大的提高了材料力学性能；SLM采用53 μm以下粒径的粉末，单层粉末厚度控制在20-100 μm，可实现精密成型，成型件表面质量好；整个工作腔被密闭于惰性气体环境中，避免金属材料在高温下氧化，可以处理钛合金等活跃金属；通过支撑结构的设计，可以打印各种复杂形状产品，包括带有悬空部位的复杂曲面，含有内部流道的结构，镂空复杂形状等。

电子束熔化成型

电子束熔化成型即EBM（Electron Beam Melting），EBM的工艺过程与SLM类似，但是采用高能电子束作为能量源。在真空环境中，高能电子束选择性地熔化金属粉末层，层层堆积直至形成整个实体金属零件。每个粉末层扫描分为预热和熔化两个阶段，在预热阶段，通过使用高扫描速度的散焦电子束多次预热粉末层（ 预热温度高达0.4~0.6 Tm）；熔化阶段，使用低扫描速度的聚焦电子束。相比较SLM，EBM的能量利用率更高，很多对激光吸收率低的材料，可以采用EBM工艺成型；同时，EBM特殊的粉末预热方式与很高的预热温度，进一步扩大了可处理材料范围，使用EBM成型易裂的金属间化合物TiAl就是一个成功的应用。EBM工艺可以采用较大粒径的粉末材料，单层厚度更大，成型效率比SLM要高。但EBM设备需要真空系统，成本昂贵，也限制了打印零件的尺寸；另外在成形过程中会产生很强的X射线，因此需要对工作环境与人员采取特别的保护措施。

激光金属直接沉积技术

激光金属直接沉积技术，即DLMD（Direct Laser Metal Deposition）的工作原理同SLM技术类似，同样是采用高能激光束，逐层熔融金属粉末，最终成型三维零件。区别是在DLMD过程中，粉末不是预置在工作平台上，而是通过送粉机构与喷嘴，在激光扫描金属基体时，被实时送入基体表面的熔池中，如下图所示。没有了粉末床的限制，DLMD技术对成型件的尺寸理论上没有任何限制，因此很适合用来成型大型的金属结构件。受限于粉末的汇聚尺寸（一般粉斑直径在1 mm以上），DLMD的成型精度要低于SLM，但是成型效率要高很多。

除了三维成型，DMLD的另一大应用是在各种金属零件的表面熔覆增强涂层。2017年Fraunhofer开发的超高速激光熔覆工艺中，粉末被送入聚焦的激光束中而不是基体表面的熔池中，粉末在激光束中被熔化，然后以熔融状态落到基板上冷却凝固51漫画。这一小小的改变产生了巨大的不同，激光的扫描速度对粉末熔化的影响变小，而粉末在激光束中的飞行时间成为了重要影响因素，只要保证粉末充分熔化，激光的扫描速度可以提高到传统熔覆的100倍以上，这极大的提高了熔覆效率，降低了生产成本，目前已成为了有希望取代电镀的熔覆技术。

电弧送丝增材制造技术

电弧送丝增材制造技术 ，即WAAM （Wire and Arc Additive Manufacturing）技术采用焊接电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积每一层片，层层堆敷直至成形金属件。与上述采用粉末原料的多种增材制造技术相比，WAAM的材料利用率更高，成型效率高，设备成本低，对成型件的尺寸基本无限制，虽然成形精度稍差，成型件微观组织粗大，但仍是与激光增材制造方法优势互补的3D增材成形技术。

粘结成型

粘结成型（Binder Jetting）是另一种基于粉末床的3D增材制造技术。不同之处在于，它不是通过激光熔融的方式粘结粉末，而是使用喷墨打印头将粘合剂喷到粉末里，从而将一层粉末在选择的区域内粘合，每一层粉末又会同之前的粉层通过粘合剂的渗透结合为一体，如此层层叠加制造出三维结构的物体。粘结成型可以用于高分子材料、金属、陶瓷材料的制造，当用于金属和陶瓷材料时，粘结成型的原型件需要通过高温烧结将粘合剂去除并实现粉末颗粒之间的冶金结合，才能得到有一定密度与强度的成品。粘结成型制作的金属件力学性能较差，但是成型效率非常高，适合对力学性能要求不高的应用场合。

下表给出了不同金属3D增材制造技术的对比总结：

总体来说，金属增材制造技术中不同的技术工艺以及产品和服务已可以支持广泛的领域，包括航空航天、机械制造、能源化工、医疗、运输和军队，为经济和生产力带来新机

作者

南京辉锐光电科技有限公司供稿