金属3D打印技术各种类型

选择性激光烧结(SLS)技术

之前我们已经介绍过了SLS，选择性激光烧结技术，使用激光束选择性加热粉末颗粒是其融合，精度为0.1到0.2毫米。SLS采用的是一种金属材料，与另一种低熔点材料（可以是戎低熔点金属或有机粘结材料，）的混合物，在加工过程中，低熔点材料熔化或部分融化，但熔点较高的金属材料并不融化，而是被融化的或部分融化的低熔点材料包覆粘结在一起，因此形成的三维实体类似粉末冶金烧结的配体，实体存在一定比例的空隙，不能达到100%的密度，力学性能也较差，常常还需要经过高温重熔获胜，金属填充孔隙等候处理才能使用。

SLS技术的代表机型是3D Systems公司的sPro 60SD、60HD、140和230。下图为sPro。

选择性激光熔化（SLM）技术

SLM（Selective Laser Melting），选择性激光熔化。SLM是在选择性激光烧结技术基础上发展起来的，但又区别于SLS。SLS工艺中粉末未发生完全融化，成型件中含有未熔固相颗粒，姐姐导致孔隙率高，致密度低，拉伸强度差，表面粗糙度高等工艺缺陷。为获取全气密的激光成型件，SLM工艺迅速发展起来。相比于SLS，SLM不依靠粘结剂，而是直接用激光束完全融化粉体，成型性能得以显著提高，经SLM净成型的构件，成型精度高，综合力学性能优，可满足实际工程应用，在生物医学移植体制造领域具有重要的应用。下图是该技术制造的钛合金头盖骨和关节窝生物移植体。

下图是SLM Solutions公司出品的SLM500

SLM技术特点

直接制造高性能金属零件，省去中间过渡环节，生产出的工件经抛光或简单的表面处理即可直接用作模具，工件或医学金属植入体内使用。
可得到冶金结合的金属实体密度接近100%，SLM制造的工件有很高的拉伸强度。
由于SLM工艺采用激光束光斑微小，产品具有很高的尺寸精度，尺寸可达0.02毫米，较低的粗糙度高于SLS的工艺水平。
适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构，用传统方法无法制造出的复杂工件。
SLM最大的问题在于融化粉金属粉末时，零件内部易产生较大的应力，复杂结构，需要添加支撑以及抑制变形的产生，此外零件的性能稳定性控制较为困难。

直接金属激光烧结DMLS技术

DMLS(DIrect Metal Laser Sintering)技术是由德国EOS公司开发的。基本原理是SLS的进一步发展，把热塑料粘结剂改为金属粘结剂就是DMLS。此外，DMLS是边铺粉边烧结的，而SLS事先铺整层粉末，然后激光扫描烧结的。

在DMLS工艺中，由于粉末颗粒度很小，最小叠层厚度仅为0.02毫米，因此制成的模具或零件的精度很高，这种方法制造的模具如果采用抛光处理，可以达到近似镜面的表面质量。成为高质量的模具，同时具有良好的机械性能，接近一般锻造构件。EOS公司出品的EOSINT M系列打印铝，钴铬合金，钛，镍合金，和钢。DMLS的打印案例如图所示。

LCF：激光熔覆成型

激光熔覆成型LCF，技术的工作原理与其他快速成型技术基本相同，这个技术将直接金属激光烧结DMLS和选择性激光烧结SLS结合，他的工作模式类似于SLS,仍然是预先铺设粉末，但是LCF会用激光将粉末彻底熔融，并沉积覆盖在上一层基体上，这项技术需要更深入地掌握激光光斑大小，形状扫描速度，扫描方式，还需要更精确地掌握粉末颗粒大小，激光熔覆厚度，这将决定打印的数字化分层取值。

LCF技术发展较晚，但他能获得非常致密的材料，可以得到与锻造相当的材料。美国POM公司是LCF市场上商用设备的主要供应商。LCF是目前最有希望直接应用在高强度构件领域的技术，同时可用于金属部件的修复。下面是LCF打印案例。

LENS/LNSF：激光近净成型

激光工程化净成型LENS，激光近净成型LNSF，也被称为直接激光制造，与SLM、DMLS等工艺用激光照射预先铺展好的金属粉末不同，在LENS工艺中，激光照射喷嘴输送的粉末流，即激光与输送粉末同时工作，最早是由西班牙Sandia国家实验室研发，利用激光束等高能束流融化金属材料，在机体上形成熔池的同时将沉积材料，金属粉末或石材送入，随着容器的移动，实现材料在机体上的沉积，目前该工艺在国内使用的较多。

LENS技术将SLS技术和LCF技术相结合，并保持了这两种技术的优点，可直接近净成型出全致密的金属零件获精柸。相比于SLM工艺，该工艺成型效率高，在直接制造航空航天、船舶、机械、动力等领域中大型复杂整体构件方面具有突出优势，但由于没有粉床的支撑功能，导致对复杂构件的成型较为困难，且成型精度略低，由于采用激光光斑较粗，一般加工余量为3到6毫米。

EBM：电子束熔炼

通过激光烧结或粘结剂喷射技术生产的金属物体都非常坚固，可以用于工业或其他方面的应用，但是它们形成的物体并不是100%的致密，电子束熔炼EBM解决了这个潜在问题，该技术与DMLS、SLM原理相似，只是采用的热源不是激光，而是一个高度真空的打印腔中采用电子束来完成对金属粉末的熔融。通过高速电子轰击金属粉末，产生的动能转化成热能来融化金属粉末，由于打印过程在真空中进行，EBM技术更适合打印那些易氧化或易和空气中某些元素进行反应的金属，比如钛。另外，EBM采用纯净的合金粉末作为原材料，而不需要像SLS、SLM、或DMLS那样在粉末中添加添加剂，因此也无需在打印后附加加热程序才能获得打印件机械特性，EBM打印机以及打印案例如图所示。

EBM最大的不足是设备需要严格的真空环境，电子束成本较高，另外电子束聚斑效果较激光略差，导致零件的加工精度和表面质量略差，精度约为0.13-0.20MM，精度较选择性激光熔化SLM略低，但高于激光近净成型工艺LNSF，目前EBM工艺仅限于高价值的构建材料，包括各种钛和钴铬合金，这些材料目前主要用于航空航天及其他特殊的工业部门。

瑞典一家名为Arcam公司使用的EBM技术率先开发了EBM 3D打印机，使打印结果达到了非常高的品质，该技术在真空中逐层建立完全致密的金属物体。电子束快速成型速度高，是目前3D金属打印中打印速度最快的，可以达到15kg/h的速度。

EBDM：电子束直接制造

电子束直接制造EBDM技术是由美国Sciaky公司于2009年开发的一种新技术.与之前介绍的电子束熔融技术EBM不同，Sciaky公司技术的独到之处在于：他将打印材料直接送进打印头，用电子束直接在机头熔融和打印材料。所以EBDM技术可以说是一滴一滴的打印金属物品的，其物品制造的精度和质量都非常高。更关键的是，它基本不产生任何废料，节约了大量原材料，考虑到金属的价格，这对降低成本有非常大的作用。

金属3D打印技术小结

最后我们对金属3D打印机进行一个小结，金属3d打印使得产品直接制造成为了可能，而不再局限于制造非功能性的模具。随着机械性能的不断提升，零件的致密性、强度已经与锻件基本相当，将来甚至可能还会有所超越。

然而，目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，都必须经过进一步的机械加工，去除表面多余的不连续的不光滑的金属，才能作为最终使用的零件。因此，尽管3D打印可以获得复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体，但却无法对这些管路和腔体内部进行机械加工，因此，3D打印虽然可以一步直接完成很多复杂零件的成型，但其还不具备直接代替传统机械加工的能力。

目前金属打印生成的零件表面精度一般在0.1到5毫米之间，相比之下，目前市场销售的2D激光打印机点阵精度在1200d p i左右，即0.02毫米，这个精度可以获得近似光滑的曲面，而要把金属3d打印精度提高到0.1毫米以下，还有很大的困难，不过铺粉预处理，激光超快速融化，凝固等技术的出现会为提高激光成型的精度提供很大的帮助。

此外，目前，金属激光打印的速度还是较慢的，每小时打印重量大多在1kg以下，快一些的也不过9kg/h左右，若改用电子束直接制造技术EBDM，最快也只有20kg/h。要实现工业化生产，特别是大规模生产，这个速度是不够的，现在的激光成型基本还是单光头单层铺粉作业，未来为了提高打印速度和应对超大型构件打印，可设计多光头多层部分同步打印。

金属3D打印技术