3D科學谷研究 l 金屬3D列印的歷史和冶金加工科學面面觀

相比於大數據、VR、人工智慧，如今的3D列印其實算不上很新的技術了，這項技術已經走過了30多年的歷史。

那麼金屬3D列印裡面到底有幾多千秋？不同的金屬3D列印技術又在列印材料和冶金領域有著怎樣的差異？本期，3D科學谷與谷友一起來領略金屬D列印的冶金和加工科學。

圖片來源：spacex

金屬列印的

由來與下一步

與金屬增材製造相關的最早的一項3D列印技術是SLS-選擇性激光燒結技術，當時是用來燒結塑料粉末。而在1990年，Manriquez-Frayre和Bourell實現了通過SLS技術列印金屬製品的應用。

圖片：選擇性激光融化技術

發展到今天，當我們一提起金屬3D列印的時候，通常指的是SLM-選擇性激光融化技術，而SLS技術更多的用來燒結金屬之外的其他材料。

來源:Tuan

SLM技術是如此的讓人著迷，以至於我們忽略了另外一項金屬3D列印技術DED-直接能量沉積技術，通過電子束、等離子或者是激光將金屬絲/粉末融化通過焊接的方式將金屬產品以近凈形的方式製造出來。

圖片：直接能量沉積

選擇性激光燒結（SLS）技術是德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard博士和學院顧問Joe Beanman博士在1984年申請的。3D Systems通過收購的方式從DTM手中獲得了此項技術，但在2014年專利過期後，新湧現的3D印表機製造商旨在使SLS這一昂貴的工業列印工藝走下了神壇。

圖：金屬3D列印的部分原始專利

SLM選擇性激光熔化的創始專利來源於德國Fraunhofer Institute所有的激光技術研究院，而該專利的到期日是2016年12月。EOS在1995年推出了第一台商業SLM設備，並且通過取得3D Systems專利授權的方式獲得了SLS技術專利的使用權利。另外一家公司，Arcam在2000年通過Adersson&Larsson的專利獲得了EBM技術的使用權利，並與2002年推出了第一台商業化EBM列印設備。

圖片：電子束激光融化技術

隨著最初的3D列印設備專利全面到期，以及金屬加工的過程中控制，粉末技術的發展，並且隨著GE收購Arcam和Concept laser,金屬3D列印也迎來了走向成熟的時期。根據GE增材製造負責人Greg Morris，GE將在2到3年內提高3D列印的速度，他們未來希望達到現在速度的100倍。而隨著設備加工技術的提升，加之材料的配合以及價格的合理化，金屬3D列印勢必在產業化領域的道路越來越寬。而對於加工應用方來說，要迎接這樣的技術浪潮，了解金屬3D列印的冶金加工學就成為必修課。

圖：金屬3D列印專利情況

的確，在金屬加工過程中，發生著許多微妙的事情。就拿SLM選擇性激光融化技術來說，在激光對粉末的融化加工過程中，每個激光點創建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結構。並且，為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全緻密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末，出現半融化的粉末，從而產生孔隙的現象。

從設備領域，為了達到激光定位與聚焦，根據3D科學谷的市場研究大多數激光熔化系統使用電流計掃描振鏡，最新出現的技術是動態聚焦系統系統，通過在galva振鏡的上游激光光束線中放置更小的鏡頭，來調整光學系統焦距的變化。

對於應用端來說，除了設備的配置這樣的剛性條件，冶金性能方面還與金屬3D列印過程的諸多條件相關。加工參數的設置、粉末的質量與顆粒情況、加工中惰性氛圍的控制、激光掃描策略、激光光斑大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控制情況等等都帶來了不同的冶金結果。

圖片：金屬3D列印技術的加工特點

通常來說加工越快，表面粗糙度越高，這是兩個此起彼長的相關變數。另外，殘餘應力是DED以及SLM加工技術所面臨的共同話題，殘餘應力將影響後處理和機械性能參數。不過，根據3D科學谷的市場研究，根據對冶金方面的駕馭能力，殘餘應力也可以用來幫助促進再結晶和細小的等軸晶組織的形成。

在過去的五年里,對於金屬列印過程中微觀結構的理解和新合金的加工性能已經獲得了不少的進步。同時還觀察到微觀結構的非均質性，在這方面通過表徵工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學的進一步理解，從而不僅提高金屬3D列印的工藝控制能力，還為材料製備以及後處理提出了新的要求。

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