金属粉末床熔融技术：工艺、材料与挑战综述

### 金属粉末床熔融：工艺、材料与挑战综述 #### 1. 增材制造概述 增材制造（AM）是第四次工业革命的关键支柱之一。它起源于20世纪80年代的立体光刻技术，最初被称为快速成型（RP），旨在制造小而复杂的零件以获得竞争优势。与传统的减材制造相比，增材制造通过逐层沉积的方式，不浪费材料，降低了制造成本，并且能够制造接近最终形状的零件，减少了后处理成本。增材制造可以直接根据计算机辅助设计（CAD）数据生产零件，被认为是一种“设计自由”的工艺。 增材制造适用于聚合物、陶瓷和金属材料。早期，聚合物尤其是热塑性塑料是增材制造中最早使用的材料。目前，有许多增材制造技术可供选择，其中最常见的是熔融沉积建模（FDM）技术，它于20世纪90年代被引入，用于快速制造低成本的热塑性塑料零件，不仅在工业领域，在家庭和个人兴趣领域也非常受欢迎。 随着数字化转型的需求，金属增材制造材料和工艺受到了广泛关注。金属增材制造可以根据制造技术或原材料的状态进行分类。常见的金属增材制造技术包括粘结剂喷射、粉末珠融合、薄板层压和直接能量沉积。原材料的状态可以是液体、粉末或线材。其中，粉末基融合技术被认为是最受欢迎的金属增材制造技术，因为它能够生产高质量、高精度的金属部件，并且可以制造出坚固的金属结构以支持实际应用。粉末基融合工艺包括直接金属激光烧结（DMLS）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）。这些工艺使用激光或电子束作为热源，为烧结或熔化金属粉末提供足够的能量。然而，粉末基融合工艺仍然面临一些挑战，如大规模生产和沉积速率慢等问题。 #### 2. 金属粉末床熔融工艺 主要有四种粉末床熔融工艺用于增材制造金属粉末零件，分别是DMLS、SLS、SLM和EBM。 ##### 2.1 直接金属激光烧结（DMLS）和选择性激光烧结（SLS） DMLS和SLS的区别在于可用于“打印”所需零件的材料类型。DMLS专为金属材料设计，而SLS是DMLS的扩展，可用于各种金属和非金属材料。在金属增材制造领域，这两种技术都使用激光作为热源来打印金属材料。 DMLS由德国的Electro Optical System于1995年开发。在DMLS/SLS中，金属粉末通过高强度激光束与CAD文件进行融合和烧结。在制造过程中，金属粉末颗粒不会熔化，而是通过烧结结合在一起。在某些情况下，金属粉末会涂覆某些物质，以便在金属颗粒之间形成熔化的结合。 SLS技术通常使用高功率CO₂激光来烧结金属粉末材料。在烧结过程中，使用氮气或惰性气体（通常是氩气）来控制腔室内的气氛。金属粉末以20 - 150μm的典型层厚沉积并烧结在一层上。带有模型的平台会下降，当下一层粉末完全沉积后，进行后续的烧结。DMLS/SLS允许直接从复杂设计中打印出均匀结构的金属元件，较高的激光功率也提供了高精度的烧结效果。 ##### 2.2 选择性激光熔化（SLM） SLM是一种使用高功率密度激光来熔化和融合金属粉末的增材制造技术，也被称为激光粉末床融合或直接金属激光熔化。SLM工艺开始时，在构建平台上沉积非常薄的金属粉末层，然后激光束的能量将金属粉末熔化。通过选择性地熔化和重新凝固每层中的金属粉末，可以构建出设计的3D零件的横截面区域。 当特定层凝固后，构建平台下降，沉积新的粉末层。激光束可以根据3D设计指向并聚焦在选定的层上，从而选择性地熔化粉末床以形成所需的3D形状。 为了优化工艺，需要调整的工艺参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚。金属层厚度通常在20 - 100μm之间，金属粉末的尺寸取决于产品要求。大颗粒会导致分辨率和构建公差较差，而小颗粒容易团聚。通常，低激光功率、高扫描速度和大层厚的组合会由于熔池与前一层的润湿性不足而导致球化现象。