可以采用金屬3D打印技術(shù)

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：包括選區(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)。

國外對金屬零件3D打印技術(shù)的理論與工藝研究相對較早，且在近幾年已有多家公司推出商品化的設(shè)備。而國內(nèi)的研究主要集中在基礎(chǔ)的工藝，華南理工大學(xué)的研究重點是SLM技術(shù)，清華大學(xué)以EBM技術(shù)為主，南京航空航天大學(xué)和華中科技大學(xué)主要研究選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，近期也涉及到SLM工藝。西北工業(yè)大學(xué)深入研究了LENS工藝。

金屬的3D打印技術(shù)分類

選區(qū)激光燒結(jié)（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。

直接金屬激光成形（DMLS）

SLS制造金屬零部件,通常有兩種方法,其一為間接法,即聚合物覆膜金屬粉末的SLS;其二為直接法,即直接金屬粉末激光燒結(jié)(DirectMetalLaserSintering, DMLS)。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)點是取消了昂貴且費(fèi)時的預(yù)處理和后處理工藝步驟。

選區(qū)激光熔化（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（Mining and Chemical Products Limited）集團(tuán)公司下轄的德國 MCP-HEK 分公司已于 2003 年底推出。為獲取全致密的激光成形件，同時也受益于2000年之后激光快速成形設(shè)備的長足進(jìn)步（表現(xiàn)為先進(jìn)高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提高等），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。

電子束熔化(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)。美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的電子束實體自由成形技術(shù)（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication,EBSFF）。EBSFF 技術(shù)采用送絲方式供給成形材料前兩種利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作臺移動，與激光近形制造技術(shù)類似（下圖），電子束熔絲沉積快速制造時，影響因素較多，如電子束流、加速電壓、聚焦電流、偏擺掃描、工作距離、工件運(yùn)動速度、送絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材伸出長度等。這些因素共同作用影響熔積體截面幾何參量，確區(qū)分單一因素的作用十分困難；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，利用電子束實時偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)熔化成形，該技術(shù)不需要二維運(yùn)動部件，可以實現(xiàn)金屬粉末的快速掃描成形。

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國家實驗室首次提出，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國家實驗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,同時激光束也聚集到該點,將粉光作用點重合,通過工作臺或噴嘴移動,獲得堆積的熔覆實體。LENS技術(shù)使用的是千瓦級的激光器,由于采用的激光聚焦光斑較大,一般在1mm以上,雖然可以得到冶金結(jié)合的致密金屬實體,但其尺寸精度和表面光潔度都不太好,需進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)加工后才能使用。

金屬3D打印機(jī)采用的金屬粉末

現(xiàn)今，國內(nèi)外金屬3D打印機(jī)采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。