金屬的增材制造技術(shù)，是增材制造技術(shù)中具有應(yīng)用前景的方向之一。以最終零件制造為目標，金屬增材制造技術(shù)對設(shè)備、材料、工藝都提出了更高的要求。

選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)（SLS：Selective Laser Sintering）工藝，以預(yù)置于工作平臺上的粉末為原料，計算機根據(jù)模型切片控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結(jié)固體粉末材料以形成零件的一個層面。在燒結(jié)之前，整個工作臺通常被加熱至稍低于粉末熔化溫度，以減少熱變形，并利于與前一層面的結(jié)合。完成一層燒結(jié)后，工作平面下降一個層厚， 鋪粉系統(tǒng)鋪設(shè)新粉層，激光束掃描燒結(jié)新的一層。如此循環(huán)，層層疊加最終制造出三維零件。由于燒結(jié)后仍然是密度較低的多孔結(jié)構(gòu)，未燒結(jié)的粉末能夠?qū)σ褵Y(jié)結(jié)構(gòu)形成支撐，因此SLS具有自支撐性能，可制造任意復(fù)雜的形體。

適用于SLS工藝的材料可以是高分子材料，陶瓷或金屬粉末。其中，陶瓷與金屬材料的應(yīng)用更為廣泛。陶瓷粉末在進行SLS工藝時要在粉末中加入粘結(jié)劑，燒結(jié)成型后再通過后續(xù)熱處理去除粘結(jié)劑。金屬材料可以直接采用SLS工藝燒結(jié)，但成型件致密度低、表面粗糙度大，需要后續(xù)采取熱等靜壓處理提高致密度。針對小部分高熔點金屬，或為了提高成型效率與成型致密度，會采取將目標金屬與有機粘結(jié)劑或其它低熔點金屬混合的方法，通過熔化有機粘結(jié)劑或低熔點合金實現(xiàn)快速成型，但這種工藝路線會造成后續(xù)熱處理工序多（脫脂、高溫焙燒或液相燒結(jié)）、零件尺寸收縮大、產(chǎn)品力學性能降低等問題。隨著高功率激光器的發(fā)展，激光能束已可以熔化大部分的金屬材料，因此在金屬應(yīng)用方向上，SLS已越來越多的被SLM（選擇性激光熔融）所取代。

選擇性激光熔融

選擇性激光熔融（SLM：Selective Laser Melting）的工藝過程與SLS幾乎完全一致。所不同的是金屬粉末在高能量密度激光作用下發(fā)生熔化而不是固態(tài)燒結(jié)，成型件可以直接達到99%以上的致密度；同時由于激光掃描速度快，微小尺寸的熔池帶來極快的冷卻凝固速度，得到均勻細小的金相組織，大大的提高了材料力學性能；SLM采用53 μm以下粒徑的粉末，單層粉末厚度控制在20-100 μm，可實現(xiàn)精密成型，成型件表面質(zhì)量好；整個工作腔被密閉于惰性氣體環(huán)境中，避免金屬材料在高溫下氧化，可以處理鈦合金等活躍金屬；通過支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以打印各種復(fù)雜形狀產(chǎn)品，包括帶有懸空部位的復(fù)雜曲面，含有內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)，鏤空復(fù)雜形狀等。

電子束熔化成型

電子束熔化成型即EBM（Electron Beam Melting），EBM的工藝過程與SLM類似，但是采用高能電子束作為能量源。在真空環(huán)境中，高能電子束選擇性地熔化金屬粉末層，層層堆積直至形成整個實體金屬零件。每個粉末層掃描分為預(yù)熱和熔化兩個階段，在預(yù)熱階段，通過使用高掃描速度的散焦電子束多次預(yù)熱粉末層（ 預(yù)熱溫度高達0.4~0.6 Tm）；熔化階段，使用低掃描速度的聚焦電子束。相比較SLM，EBM的能量利用率更高，很多對激光吸收率低的材料，可以采用EBM工藝成型；同時，EBM特殊的粉末預(yù)熱方式與很高的預(yù)熱溫度，進一步擴大了可處理材料范圍，使用EBM成型易裂的金屬間化合物TiAl就是一個成功的應(yīng)用。EBM工藝可以采用較大粒徑的粉末材料，單層厚度更大，成型效率比SLM要高。但EBM設(shè)備需要真空系統(tǒng)，成本昂貴，也限制了打印零件的尺寸；另外在成形過程中會產(chǎn)生很強的X射線，因此需要對工作環(huán)境與人員采取特別的保護措施。

激光金屬直接沉積技術(shù)

激光金屬直接沉積技術(shù)，即DLMD（Direct Laser Metal Deposition）的工作原理同SLM技術(shù)類似，同樣是采用高能激光束，逐層熔融金屬粉末，最終成型三維零件。區(qū)別是在DLMD過程中，粉末不是預(yù)置在工作平臺上，而是通過送粉機構(gòu)與噴嘴，在激光掃描金屬基體時，被實時送入基體表面的熔池中，如下圖所示。沒有了粉末床的限制，DLMD技術(shù)對成型件的尺寸理論上沒有任何限制，因此很適合用來成型大型的金屬結(jié)構(gòu)件。受限于粉末的匯聚尺寸（一般粉斑直徑在1 mm以上），DLMD的成型精度要低于SLM，但是成型效率要高很多。

除了三維成型，DMLD的另一大應(yīng)用是在各種金屬零件的表面熔覆增強涂層。2017年Fraunhofer開發(fā)的超高速激光熔覆工藝中，粉末被送入聚焦的激光束中而不是基體表面的熔池中，粉末在激光束中被熔化，然后以熔融狀態(tài)落到基板上冷卻凝固。這一小小的改變產(chǎn)生了巨大的不同，激光的掃描速度對粉末熔化的影響變小，而粉末在激光束中的飛行時間成為了重要影響因素，只要保證粉末充分熔化，激光的掃描速度可以提高到傳統(tǒng)熔覆的100倍以上，這極大的提高了熔覆效率，降低了生產(chǎn)成本，目前已成為了有希望取代電鍍的熔覆技術(shù)。

電弧送絲增材制造技術(shù)

電弧送絲增材制造技術(shù) ，即WAAM （Wire and Arc Additive Manufacturing）技術(shù)采用焊接電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積每一層片，層層堆敷直至成形金屬件。與上述采用粉末原料的多種增材制造技術(shù)相比，WAAM的材料利用率更高，成型效率高，設(shè)備成本低，對成型件的尺寸基本無限制，雖然成形精度稍差，成型件微觀組織粗大，但仍是與激光增材制造方法優(yōu)勢互補的3D增材成形技術(shù)。

粘結(jié)成型

粘結(jié)成型（Binder Jetting）是另一種基于粉末床的3D增材制造技術(shù)。不同之處在于，它不是通過激光熔融的方式粘結(jié)粉末，而是使用噴墨打印頭將粘合劑噴到粉末里，從而將一層粉末在選擇的區(qū)域內(nèi)粘合，每一層粉末又會同之前的粉層通過粘合劑的滲透結(jié)合為一體，如此層層疊加制造出三維結(jié)構(gòu)的物體。粘結(jié)成型可以用于高分子材料、金屬、陶瓷材料的制造，當用于金屬和陶瓷材料時，粘結(jié)成型的原型件需要通過高溫燒結(jié)將粘合劑去除并實現(xiàn)粉末顆粒之間的冶金結(jié)合，才能得到有一定密度與強度的成品。粘結(jié)成型制作的金屬件力學性能較差，但是成型效率非常高，適合對力學性能要求不高的應(yīng)用場合。

下表給出了不同金屬3D增材制造技術(shù)的對比總結(jié)：

總體來說，金屬增材制造技術(shù)中不同的技術(shù)工藝以及產(chǎn)品和服務(wù)已可以支持廣泛的領(lǐng)域，包括航空航天、機械制造、能源化工、醫(yī)療、運輸和軍隊，為經(jīng)濟和生產(chǎn)力帶來新機

作者

南京輝銳光電科技有限公司供稿