金属零件3D打印技术方法和工艺特性有哪些

    金属零件3D打印技术作为3D打印领域中最前沿且最具发展潜力的分支，是先进制造技术的重要发展方向。随着技术进步与应用需求增长，直接制造金属功能零件已成为快速成型技术的主要趋势。当前可用于此领域的方法主要包括：选区激光烧结（SLS）、直接金属粉末激光烧结（DMLS）、选区激光熔化（SLM）、激光近净成形（LENS）和电子束选区熔化（EBSM）等。

    国外研究进展与国内技术积累

    国外对金属零件3D打印的理论与工艺研究起步较早。尽管我国在该领域起步较晚，但经过多年技术积累，国内多家企业已推出商业化金属3D打印机。以下对直接制造金属功能零件的主要方法进行系统总结。

    一、选区激光烧结（SLS）

    选区激光烧结技术（SLS）由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CarlDeckard于1989年提出，其冶金机制为液相烧结，即加工过程中粉体部分熔化，保留固相核心，通过固相颗粒重排及液相凝固粘接实现致密化。美国DTM公司于1992年推出商业化设备SinterSation，德国EOS公司也在此领域开展深入研究并开发系列设备。国内华中科技大学、南京航空航天大学等多家单位的相关研究亦取得重大成果。

    SLS技术原理与特点

    工艺装置由粉末缸和成型缸组成：粉末缸活塞（送粉活塞）上升，铺粉辊将粉末均匀铺于成型缸活塞（工作活塞）上；计算机根据原型切片模型控制激光束二维扫描轨迹，选择性烧结粉末形成当前层。完成一层后，工作活塞下降一层厚度，铺粉系统铺新粉，激光束扫描烧结新层，循环往复直至零件成型。

    SLS采用半固态液相烧结机制，粉末未完全熔化，虽能降低热应力，但导致孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面粗糙度高等缺陷。半固态体系中固液混合物粘度较高，熔融材料流动性差，易引发SLS特有的“球化”效应——球化会增加表面粗糙度，阻碍铺粉装置均匀铺粉，影响工艺顺利进行。

    SLS的局限性与技术迭代

    烧结件强度较低，需经后处理才能达到较高强度，且存在精度低、表面质量差等问题。SLS初期因材料选择范围广、无需支撑等优点被应用，但随着2000年后激光设备进步（如高能光纤激光器、铺粉精度提升），粉体完全熔化的冶金机制逐渐取代SLS，选择性激光烧结技术（SLS）已被更先进的技术替代。

    二、直接金属激光成形（DMLS）

    SLS制造金属零部件分间接法（聚合物覆膜金属粉末SLS）和直接法（直接金属粉末激光烧结，DMLS）。自1991年比利时Leuvne的Chatofci大学开展金属粉末直接激光烧结研究以来，DMLS成为快速原型制造的终极目标之一。相较于间接SLS，DMLS取消了昂贵且费时的预处理和后处理步骤。

    DMLS的技术特性

    DMLS是SLS的直接分支，原理与SLS相似，但精确成形复杂金属零部件难度较大，主要受限于“球化”效应和烧结变形。球化是液态金属为降低表面自由能，在界面张力作用下向球形转变的现象，导致熔池不连续、零件疏松多孔。单组元金属粉末因液相烧结阶段粘度高，“球化”效应更显著，且球形直径常大于粉末颗粒，造成大量孔隙，需后续处理，并非真正意义上的“直接烧结”。

    DMLS的工艺优化方向

    为克服单组元粉末的“球化”、烧结变形及密度疏松问题，目前多采用多组元或预合金粉末。多组分体系由高熔点金属（骨架）、低熔点金属（粘结相）及添加元素组成，低熔点金属熔化形成液相，包覆、润湿并粘结固相颗粒，实现致密化。

    DMLS的烧结物理过程及致密化机理尚不明确，不同粉末体系的工艺参数需摸索，专用粉末研发待突破。建立数学物理模型、定量研究烧结行为和组织变化是关键。粉末物性（烧结特性、摊铺特性、稳定性）对烧结质量影响显著，需根据粉末体系优化工艺参数。大量研究表明，烧结特性、摊铺特性、稳定性是影响DMLS质量的三大核心物性参数。

    三、选区激光熔化（SLM）

    SLM思想由德国Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年取得突破，2003年底英国MCP集团旗下德国分公司推出首台SLM设备。为获得全致密件，SLM采用粉体完全熔化的冶金机制，受益于2000年后激光设备进步（如高能光纤激光器、铺粉精度提升）。例如，德国EOS公司虽沿用“烧结”表述，但其EOSINTM270/280型设备已装配200W光纤激光器，采用完全熔化机制，成形性能显著提升。目前SLM在欧洲（如德国、英国）快速发展，即便沿用“SLS”表述，实际机制已转为粉体完全熔化。

    SLM的技术原理

    SLM基于SLS发展，需完全熔化金属粉末直接成型金属件。加工前，铺粉辊将粉末平铺于基板；激光束按轮廓选择性熔化粉末，形成当前层；随后可升降系统下降一层厚度，铺粉辊铺新粉，进行下一层加工，循环直至零件完成。整个过程在真空或保护气体中进行，避免金属与气体反应。

    SLM的发展挑战

    SLM中Fe基合金（如钢）研究较多，但成形工艺需优化，致密化是关键瓶颈。钢的SLM成形难度与Fe、Cr的强亲氧性有关，常规条件下易氧化，导致熔体表面污染层降低润湿性，引发球化效应和凝固裂纹，降低致密度及机械性能。此外，C含量过高会加剧球化效应，形成的复杂碳化物增大脆性。因此，钢的SLM需提高激光能量密度和成形温度，促进碳化物溶解及合金元素均匀化。

    综上，金属零件3D打印技术体系通过SLS、DMLS、SLM等方法不断演进，虽面临材料、工艺及设备成本的挑战，但其对个性化制造、复杂结构成形的突破，正推动制造业向更高效、更精准的方向发展。