金属粉末床熔融技术：工艺、材料与挑战概述

### 金属粉末床熔融技术：工艺、材料与挑战概述 #### 1. 增材制造简介 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），旨在通过生产小而复杂的零件获得制造竞争优势。与传统的减材制造（SM）相比，AM通过逐层沉积工艺降低了制造成本，且不浪费任何材料。同时，AM能够生产接近最终形状的零件，消除了后加工成本，还可直接根据计算机辅助设计（CAD）数据生产零件，被视为一种“设计自由”的工艺。 AM工艺适用于聚合物、陶瓷和金属。聚合物，特别是热塑性塑料，是最早用于增材制造的材料。目前，已有许多增材技术可供选择，其中最常见的是熔融沉积建模（FDM）技术，它于20世纪90年代推出，用于快速制造低成本的热塑性塑料，不仅在工业领域，在家庭中也很受欢迎。而金属增材制造材料和工艺因数字化转型需求受到了广泛关注。 金属AM可根据制造技术或原材料状态进行分类。常见的金属AM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，原材料状态可以是液体、粉末或线材。其中，粉末基融合被认为是最受欢迎的金属AM技术，因为它能够生产高质量、高精度的金属部件，并能制造出坚固的金属结构以支持实际应用。粉末基工艺主要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）。不过，粉末基融合仍面临一些挑战，如大规模生产和沉积速度慢等问题。 #### 2. 金属粉末床融合工艺 主要有四种粉末床融合工艺用于增材制造金属粉末零件：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AM领域，两者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文件融合和烧结。在制造过程中，金属粉末颗粒并非熔化，而是通过烧结结合在一起。有时，金属粉末会涂上某些物质以在颗粒间形成熔化键。该技术使用高功率CO₂激光烧结金属粉末材料，用氮气或惰性气体（通常是氩气）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，平台会下降，待下一层粉末完全沉积后进行后续烧结。DMLS/SLS可以直接从复杂设计中打印出均匀结构的金属元素，高功率激光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熔化和融合金属粉末的AM技术，也称为激光粉末床融合或直接金属激光熔化。该工艺从在构建平台上沉积非常薄的金属粉末层开始，金属粉末被激光束能量熔化，通过选择性地熔化和重新凝固每层中的金属粉末，构建出设计的3D零件的横截面。 优化该工艺需要调整的参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚。金属层厚度通常在20 - 100μm之间，金属粉末的大小取决于产品要求。大颗粒会导致分辨率和构建公差不佳，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因熔池与前一层的润湿性不足而导致球化现象；相反，高激光功率和低扫描