金屬零件3D打印技術(shù)作為3D打印領(lǐng)域中最前沿且最具發(fā)展?jié)摿Φ姆种?，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用需求增長，直接制造金屬功能零件已成為快速成型技術(shù)的主要趨勢。當(dāng)前可用于此領(lǐng)域的方法主要包括：選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）、直接金屬粉末激光燒結(jié)（DMLS）、選區(qū)激光熔化（SLM）、激光近凈成形（LENS）和電子束選區(qū)熔化（EBSM）等。

    國外研究進(jìn)展與國內(nèi)技術(shù)積累

    國外對金屬零件3D打印的理論與工藝研究起步較早。盡管我國在該領(lǐng)域起步較晚，但經(jīng)過多年技術(shù)積累，國內(nèi)多家企業(yè)已推出商業(yè)化金屬3D打印機(jī)。以下對直接制造金屬功能零件的主要方法進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。

    一、選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）

    選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的CarlDeckard于1989年提出，其冶金機(jī)制為液相燒結(jié)，即加工過程中粉體部分熔化，保留固相核心，通過固相顆粒重排及液相凝固粘接實(shí)現(xiàn)致密化。美國DTM公司于1992年推出商業(yè)化設(shè)備SinterSation，德國EOS公司也在此領(lǐng)域開展深入研究并開發(fā)系列設(shè)備。國內(nèi)華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等多家單位的相關(guān)研究亦取得重大成果。

    SLS技術(shù)原理與特點(diǎn)

    工藝裝置由粉末缸和成型缸組成：粉末缸活塞（送粉活塞）上升，鋪粉輥將粉末均勻鋪于成型缸活塞（工作活塞）上；計算機(jī)根據(jù)原型切片模型控制激光束二維掃描軌跡，選擇性燒結(jié)粉末形成當(dāng)前層。完成一層后，工作活塞下降一層厚度，鋪粉系統(tǒng)鋪新粉，激光束掃描燒結(jié)新層，循環(huán)往復(fù)直至零件成型。

    SLS采用半固態(tài)液相燒結(jié)機(jī)制，粉末未完全熔化，雖能降低熱應(yīng)力，但導(dǎo)致孔隙率高、致密度低、拉伸強(qiáng)度差、表面粗糙度高等缺陷。半固態(tài)體系中固液混合物粘度較高，熔融材料流動性差，易引發(fā)SLS特有的“球化”效應(yīng)——球化會增加表面粗糙度，阻礙鋪粉裝置均勻鋪粉，影響工藝順利進(jìn)行。

    SLS的局限性與技術(shù)迭代

    燒結(jié)件強(qiáng)度較低，需經(jīng)后處理才能達(dá)到較高強(qiáng)度，且存在精度低、表面質(zhì)量差等問題。SLS初期因材料選擇范圍廣、無需支撐等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用，但隨著2000年后激光設(shè)備進(jìn)步（如高能光纖激光器、鋪粉精度提升），粉體完全熔化的冶金機(jī)制逐漸取代SLS，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）已被更先進(jìn)的技術(shù)替代。

    二、直接金屬激光成形（DMLS）

    SLS制造金屬零部件分間接法（聚合物覆膜金屬粉末SLS）和直接法（直接金屬粉末激光燒結(jié)，DMLS）。自1991年比利時Leuvne的Chatofci大學(xué)開展金屬粉末直接激光燒結(jié)研究以來，DMLS成為快速原型制造的終極目標(biāo)之一。相較于間接SLS，DMLS取消了昂貴且費(fèi)時的預(yù)處理和后處理步驟。

    DMLS的技術(shù)特性

    DMLS是SLS的直接分支，原理與SLS相似，但精確成形復(fù)雜金屬零部件難度較大，主要受限于“球化”效應(yīng)和燒結(jié)變形。球化是液態(tài)金屬為降低表面自由能，在界面張力作用下向球形轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，導(dǎo)致熔池不連續(xù)、零件疏松多孔。單組元金屬粉末因液相燒結(jié)階段粘度高，“球化”效應(yīng)更顯著，且球形直徑常大于粉末顆粒，造成大量孔隙，需后續(xù)處理，并非真正意義上的“直接燒結(jié)”。

    DMLS的工藝優(yōu)化方向

    為克服單組元粉末的“球化”、燒結(jié)變形及密度疏松問題，目前多采用多組元或預(yù)合金粉末。多組分體系由高熔點(diǎn)金屬（骨架）、低熔點(diǎn)金屬（粘結(jié)相）及添加元素組成，低熔點(diǎn)金屬熔化形成液相，包覆、潤濕并粘結(jié)固相顆粒，實(shí)現(xiàn)致密化。

    DMLS的燒結(jié)物理過程及致密化機(jī)理尚不明確，不同粉末體系的工藝參數(shù)需摸索，專用粉末研發(fā)待突破。建立數(shù)學(xué)物理模型、定量研究燒結(jié)行為和組織變化是關(guān)鍵。粉末物性（燒結(jié)特性、攤鋪特性、穩(wěn)定性）對燒結(jié)質(zhì)量影響顯著，需根據(jù)粉末體系優(yōu)化工藝參數(shù)。大量研究表明，燒結(jié)特性、攤鋪特性、穩(wěn)定性是影響DMLS質(zhì)量的三大核心物性參數(shù)。

    三、選區(qū)激光熔化（SLM）

    SLM思想由德國Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年取得突破，2003年底英國MCP集團(tuán)旗下德國分公司推出首臺SLM設(shè)備。為獲得全致密件，SLM采用粉體完全熔化的冶金機(jī)制，受益于2000年后激光設(shè)備進(jìn)步（如高能光纖激光器、鋪粉精度提升）。例如，德國EOS公司雖沿用“燒結(jié)”表述，但其EOSINTM270/280型設(shè)備已裝配200W光纖激光器，采用完全熔化機(jī)制，成形性能顯著提升。目前SLM在歐洲（如德國、英國）快速發(fā)展，即便沿用“SLS”表述，實(shí)際機(jī)制已轉(zhuǎn)為粉體完全熔化。

    SLM的技術(shù)原理

    SLM基于SLS發(fā)展，需完全熔化金屬粉末直接成型金屬件。加工前，鋪粉輥將粉末平鋪于基板；激光束按輪廓選擇性熔化粉末，形成當(dāng)前層；隨后可升降系統(tǒng)下降一層厚度，鋪粉輥鋪新粉，進(jìn)行下一層加工，循環(huán)直至零件完成。整個過程在真空或保護(hù)氣體中進(jìn)行，避免金屬與氣體反應(yīng)。

    SLM的發(fā)展挑戰(zhàn)

    SLM中Fe基合金（如鋼）研究較多，但成形工藝需優(yōu)化，致密化是關(guān)鍵瓶頸。鋼的SLM成形難度與Fe、Cr的強(qiáng)親氧性有關(guān)，常規(guī)條件下易氧化，導(dǎo)致熔體表面污染層降低潤濕性，引發(fā)球化效應(yīng)和凝固裂紋，降低致密度及機(jī)械性能。此外，C含量過高會加劇球化效應(yīng)，形成的復(fù)雜碳化物增大脆性。因此，鋼的SLM需提高激光能量密度和成形溫度，促進(jìn)碳化物溶解及合金元素均勻化。

    綜上，金屬零件3D打印技術(shù)體系通過SLS、DMLS、SLM等方法不斷演進(jìn)，雖面臨材料、工藝及設(shè)備成本的挑戰(zhàn)，但其對個性化制造、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形的突破，正推動制造業(yè)向更高效、更精準(zhǔn)的方向發(fā)展。