金属3D 打印技术探究

1 引言

3D 打印技术也叫增材制造技术，在近些年得到了快速发展。它与传统制造工艺不同，是一种全新的制造思想。其本质原理是离散与堆积，即在计算机软件的辅助下，通过对三维模型实体进行切片分层处理，把三维实体的制造转换成二维层面的堆积，再沿成形方向上的不断叠加，最终生成零件实体。3D 打印技术的最大优点是简化了加工制造流程，节省材料，缩短了产品研发周期，降低了开发成本和风险。相比传统工艺，3D 打印用料只有原来的1/3到1/2，但制造速度却快3～4 倍。

金属零件3D 打印是整个3D 打印体系中最前沿和最具潜力的技术，是增材制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添加方式的不同，将金属3D 打印技术分为3 类: ①激光工程化净成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)技术;②激光选区熔化(Selective LaserMelting，SLM)技术;③金属粉末的电子束熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM)技术。以下分别对三种快速成型技术的成型原理和成型特点进行介绍。

2 金属3D 打印技术的发展

2.1 激光选区熔化技术

SLM 是金属3D 打印领域的重要部分，SLM 技术用高强度激光束选择性地熔化金属粉末，是3D 打印技术的主要发展方向。SLM 的基本原理是：计算机将设计好的三维模型进行切片分层处理，激光束则根据每一层的形状数据，选择性地熔化金属粉末。每完成一层粉末的打印，平台下降一个层厚，铺粉辊重新铺上一层相同厚度的粉末，激光束继续在新的粉层上扫描截面轮廓，不断地重复叠加直到完成零部件的成形。

SLM 技术的特点：(1)成型精度高。在现有的金属3D 打印技术中成型精度最高，尺寸精度达20～50m。(2)力学性能良好。由于该技术在制造零件时，激光束将金属粉末完全熔化，液态金属再凝结而成，所以致密度接近100%。(3)材料广泛。SLM 技术可对金属粉末、合金粉末，甚至陶瓷等固体无机物粉末进行烧结。

2.2 激光工程化净成形技术

激光工程化净成形技术LENS，是一种金属零件直接成型较快的技术手段。它与SLM 快速成型技术工艺基本相同，区别在于送粉结构不同。LENS 技术是通过喷嘴输送金属粉末，而SLM 技术则是通过送粉缸和刮板或铺粉辊进行铺粉烧结。LENS 成型系统中，同轴送粉器主要由三大部分构成，即送粉器、送粉头和保护气路。其工作原理如下，在保护气体的作用下，送粉装置将金属粉末吹到熔池内进行熔化烧结，通过喷嘴的移动和工作台的移动，更换烧结区域，如此循环，层层叠加，最终成型金属零件。

LENS 技术的特点，(1)与SLM 技术相比，LENS 技术可制造出更大尺寸的金属零件;(2)LENS技术不仅仅能用于金属零件的制造，还能进行金属零件的焊接、修复和添加等;(3)LENS 技术特别适于高熔点金属的激光快速成形;(4)LENS 技术生成的零件成型质量较差。

2.3 电子束选区熔化技术

电子束选区熔化技术简称EBSM 技术，其加工热源是高能电子束，通过操纵磁偏转线圈进行扫描。电子束选区熔化成形与激光选区烧结类似，金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，首先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实;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烧结，层层堆积，直至整个零件烧结完成。

EBSM 技术特点：(1)功率能量利用率高。电子束加工的最大功率能达到激光的数倍，激光烧结的能量利用率为15%，而电子束烧结能量利用率为75%，能量利用率高出很多;(2)对焦容易。激光在理论上光斑直径可达1nm，但在实际应用中一般达不到。而电子束则可以通过调节聚束透镜的电流来对焦，束径可以达到0.1nm;(3)真空环境无污染，成形速度高。电子束设备可以进行二维扫描，扫描频率可达到20kHz，无机械惯性，可以实现快速扫描，在真空环境下作业，无污染。

3 总结

金属零件3D 打印是整个3D 打印体系中最前沿和最具潜力的技术，是增材制造技术的重要发展方向。但与国外发达国家相比，我国金属3D 打印技术还处于起步阶段，技术水平比较落后，面对科学技术的不断创新和制造业对技术研发的新要求，我国应加大投入，组织各学科各行业协同努力，攻克金属3D 打印技术中各种难关，制造出具有我国自主知识产权的金属3D 打印设备。