相（xiàng）比於大數據（jù）、VR、人工智能，如今的3D打印其實算不（bú）上（shàng）很新的技術了，這項技術已經走過了30多年的曆史。

 

         那麽金屬3D打印裏麵（miàn）到底有幾多千秋？不（bú）同的金屬3D打印技術又在打印材料和冶金領域有著怎樣（yàng）的差（chà）異？本期，3D科學穀與穀友一起來領略金屬D打印的冶金和加工科學。

 

         與金屬增材製造相關的最早的一項3D打印（yìn）技術是SLS-選擇性激光燒結技（jì）術，當時是用來燒（shāo）結（jié）塑料粉末。而在1990年，Manriquez-Frayre和Bourell實現了通（tōng）過SLS技術打印金屬製品的應用。

 

         發展到今天，當我們一提起金屬3D打印的時候，通常指的（de）是SLM-選擇性激光融化技術，而SLS技術更多的用來燒結（jié）金屬之外的其他材料。

 

         SLM技（jì）術是如此的讓人著迷，以至於我們忽略了另外一項金屬3D打（dǎ）印技術DED-直接能（néng）量沉積技術，通過電子（zǐ）束、等離子或者是激光將金屬絲/粉末融化通過焊接的方式將金屬產品以近淨形的（de）方式製造（zào）出來。

 

         選擇性激光燒（shāo）結（SLS）技術是德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard博士和學院顧問（wèn）Joe Beanman博士在1984年申請的。3D Systems通過收購（gòu）的方式從DTM手中獲得了此項技術，但在2014年專利過期後，新湧現的（de）3D打印機（jī）製（zhì）造商旨在使SLS這一昂（áng）貴的工業打印工藝走下了神壇。

 

         SLM選擇（zé）性（xìng）激光熔化的創始專利來源於（yú）德國Fraunhofer Institute所有的激光技術研究（jiū）院，而該專利的到（dào）期（qī）日（rì）是2016年12月。EOS在1995年推出了第一台商業SLM設備，並且通過取得3D Systems專利授權的方式獲得了SLS技術專利（lì）的使（shǐ）用權利。另外一家公司，Arcam在2000年通過Adersson&Larsson的專（zhuān）利獲得了EBM技術的使用（yòng）權利，並（bìng）與2002年推（tuī）出了第（dì）一台商（shāng）業化EBM打印設備。

 

          隨著最初的3D打（dǎ）印設備專（zhuān）利全麵到期（qī），以及金屬加工的過程中控製，粉末技術的發展，並且隨著GE收購Arcam和Concept laser,金（jīn）屬3D打印也迎來了走向成熟的時期。根據GE增材製（zhì）造負責人Greg Morris，GE將在2到3年內（nèi）提高3D打印的速度，他們未來希望達到現在速度的100倍。而隨著（zhe）設備（bèi）加工技術的提升，加之材料的（de）配合以及價格的合理化，金屬3D打印勢必在（zài）產業化領域的（de）道路越來越寬。而對於（yú）加工應用（yòng）方（fāng）來說，要迎（yíng）接這樣的技術浪潮，了解金屬3D打印的冶（yě）金加工學就成為必修課。

 

           的確（què），在金屬加工過程中，發生著許多微妙的事情。就拿SLM選擇性激光融化技術來說（shuō），在激光對粉末的融化加工過程中，每個激光點創建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為（wéi）固體結構，光斑的大小（xiǎo）以（yǐ）及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池（chí）的大小，從而影響著零件的（de）微晶結構。並且，為了融化粉末，必須有（yǒu）充足（zú）的激光能量被（bèi）轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創（chuàng）建（jiàn）完全致密的（de）部分（fèn），但同時熱（rè）量的傳導超出了激光光斑周（zhōu）長，影響到周圍的粉末，出現半融化的粉末，從而產生孔隙的現象。

 

          從設備領域，為了達到（dào）激（jī）光定位與聚焦，根據3D科學穀（gǔ）的市場研究大多數激光熔化係統（tǒng）使用電流計（jì）掃描振鏡，最新（xīn）出現的技術是動態聚焦係統係統，通過在galva振（zhèn）鏡的上遊激光光束線中放置更小的鏡頭，來調整光學係統焦距的變化。

 

        對於應（yīng）用端來說，除了設備的配置這樣的剛（gāng）性（xìng）條件，冶金性能方麵還與金屬3D打印過程的諸多條件相關。加工參數的設置、粉末的質量與顆粒情況、加工中惰性氛圍（wéi）的控製、激光掃描策略、激光光斑大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷（lěng）卻控（kòng）製情況等等（děng）都帶（dài）來了不同的（de）冶（yě）金結（jié）果。

 

        通常來（lái）說加工越快，表（biǎo）麵粗糙（cāo）度越高，這是兩個此起彼長的相關變量。另外，殘餘應力是DED以及SLM加工技術所（suǒ）麵臨的共同話題，殘餘（yú）應力將影響後處理和機械性能參數。不過，根據3D科學穀的市場研究，根據對冶金方麵的（de）駕馭能力，殘餘應力也可以（yǐ）用來幫助促進再結晶和細小的等軸晶組織的形（xíng）成。

 

        在過去的五（wǔ）年裏,對於金屬打印過程中微（wēi）觀（guān）結構的（de）理解和新合金的加工性能已經獲得了不少的進步。同時還觀察到（dào）微觀結構（gòu）的非均質性，在這方麵通過表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶（yě）金學的進一（yī）步理解，從而不僅提高金屬3D打印（yìn）的工藝控製能力，還為材（cái）料製備以及後處理提出了新的要求。