微尺度SLM 金屬3D打印技術發(fā)展介紹

來源：AMLetters

增材制造(Additive Manufacturing)正在制造業(yè)中獲得越來越多的關注，它使用各種材料制造具有復雜幾何形狀的組件。選擇性激光熔煉(SLM)是一種常用的基于粉末床(PBF)的金屬增材工藝，但目前主流的SLM技術只專注于制造宏觀和中尺度組件。
近年來，在電子、醫(yī)療、汽車、生物技術、能源、通信和光學等多個領域，為滿足微型化發(fā)展的需要，對微型化增材技術的需求不斷增加。眾多的產(chǎn)品和組件，包括微驅動器、微機械設備、傳感器和探針、微流體組件、醫(yī)療植入物、微開關、光學設備、存儲芯片、微型電機、磁頭、計算機處理器、噴墨打印頭、引線框架、電連接器、微燃料電池等等，都迫切的需要微尺度SLM技術。

本期AMLetters帶大家了解一下微尺度SLM技術的具體情況，主要內容如下所示：

1、SLM設備原理

選擇性激光熔化（SLM）設備的工作過程如上圖所示。首先在基板上鋪一層粉末，然后激光束根據(jù)所需的幾何形狀將粉末熔化或燒結。然后，鋪粉機構（刮刀）將下一層粉末鋪在固化的零件上，接著進行激光熔化/燒結，如此反復，直至零件加工完成。
SLM工藝，激光與粉末之間的相互作用時間較短，加熱和冷卻速率很高。熔池的幾何形狀和最后形成的顯微組織與傳統(tǒng)的鑄鍛等工藝有較大差異，導致SLM制備產(chǎn)品的力學性能與傳統(tǒng)工藝有所不同。

2、SLM核心參數(shù)
與粉體有關的工藝參數(shù)，如粉體的化學成分、顆粒的大小和形狀、表面形貌等，在實際生產(chǎn)環(huán)境中大多是不變量。
與激光系統(tǒng)相關參數(shù)，包括激光類型(即連續(xù)波或脈沖)、激光功率和光斑大小、掃描策略、掃描線間距、掃描速度等。
與粉床相關的參數(shù)，送粉機構、刮刀、層厚、保護氣體、風場。

3、微尺度SLM定義
常規(guī)的SLM設備和工藝，光斑直徑在60-100μm范圍；粉末粒徑在15-53μm范圍，鋪粉層厚在20-100μm范圍。
實現(xiàn)微尺度的SΜM打印，主要是從這三個參數(shù)著手，獲得更小的光斑、更細的粉末、更薄的層厚。
因此我們把微尺度SLM定義為：光斑直徑< 20 μm，層厚< 10 μm，粉末粒徑< 10 μm的SLM打印。

4、微尺度SLM研究非常有限

微觀結構方面

SLM中微觀組織的形成受多種機制的影響，包括傳熱、材料的熱物理性能和相變。熔池的溫度梯度和凝固速率控制著熔池的凝固模式和生成的微觀組織。在SLM中，因為加工過程通常在相鄰層之間進行快速加熱、凝固和再加熱，所以通常觀察到的微觀組織是柱狀枝晶。柱狀枝晶的形成主要歸因于沿成形方向（Z軸）的較大溫度梯度。雖然化學成分、打印方向、零件結構等也對微觀結構有影響，但主要還是受激光功率、掃描策略控制。
盡管有大量的文獻報道了傳統(tǒng)SLM中所得到的微觀結構，但在微觀SLM中還沒有類似的研究報道。

力學性能方面

最近幾年也有不少人對光斑大�。ɑ螂x焦量）與力學性能之間的關系展開了深入研究，得出的結論是光斑大�。�離焦量）對SLM的工藝特性有重要影響，這從邏輯上也是顯而易見的。
由于微尺度SLM中的光斑尺寸更小，層厚更小，粉末更細，成形過程的機制更加復雜。關于微尺度SΜM加工的各種材料的硬度、拉伸和疲勞性能都需要進一步的研究。然而，目前這方面的研究還很少。這與微型SLM設備的市場化進度緩慢有直接關系。

熱處理方面

SLM成形過程中快速的熔化和凝固速度，導致成形零件內部積累了大量的殘余內應力，這些內應力需要通過后續(xù)的熱處理消除或減緩。SLM常見的熱處理有：去應力退火、時效、固溶、熱等靜壓。
（1） 熱處理的動機是減少或消除缺陷，控制組織，提高性能，減輕殘余應力
（2） HIP通常用于封閉內部孔隙和裂紋
（3） 再結晶則將組織細化為等軸細小晶粒
（4） 時效控制析出相的形成
由于SLM產(chǎn)生的顯微組織與傳統(tǒng)工藝形成的顯微組織不同，因此熱處理策略也不同。正如前面所討論的，微尺度SLM的微觀結構與常規(guī)SLM又有不同，因此，未來對微尺度SΜM熱處理的研究將具有重要的價值，這對于拓展微尺度SΜM的應用也是必要的。

5、國外微尺度SLM設備對比

除了德國企業(yè)3D MicroPrint 生產(chǎn)的EOSINT μ60設備外，其他的微型SLM設備采用的層厚仍然在10-50μm范圍，不能實現(xiàn)亞微米尺寸的微特征。
由于SLM以一層一層的方式打印零件，因此有必要實現(xiàn)盡可能小的層厚度，弱化臺階效應，實現(xiàn)高的成形精度。獲得高質量的小層厚鋪粉需要新的鋪粉工藝和更細的粉末，這也是微尺度SLM設備需要攻克的眾多難題之一。關于現(xiàn)有鋪粉技術的介紹篇幅較大，這里不展開，后續(xù)文章再系統(tǒng)介紹。

6、微尺度SLM面臨的具體技術問題

6-1硬件問題

（1）對于微型SLM系統(tǒng)，打印平臺的尺寸和整個設備占地面積更小。
（2）為實現(xiàn)精細光斑尺寸，光學系統(tǒng)必須從新調教。
（3）為實現(xiàn)高質量的小層厚，需要新的鋪粉（刮刀）機構。
（4）亞微米級細粉，引入安全和健康風險，設備的防護設計要進一步加強，盡量避免人員直接接觸粉末。
（5）微尺度的產(chǎn)品，使用傳統(tǒng)的熱處理工藝會不會發(fā)生變形等問題？
（6）微尺度薄壁結構可能無法加工，表面附著的粉末顆粒如何去除？

6-2效率問題

小光斑、細粉末、小層厚、更窄的掃描線間距，必然導致加工時間的增加。有學者報道，當層厚和粉末粒徑減小一個數(shù)量級時，微尺度SLM打印相同部件的加工時間增加了12倍。研發(fā)具有更快的掃描速度的新工藝是提供加工速度的關鍵。

6-3支撐問題

SLM的支撐結構與零件之間是冶金結合的狀態(tài)，常規(guī)SLM成形的零件可以通過鉗工去除，但微尺度產(chǎn)品的支撐去除，可能會影響零件的尺寸精度。

6-4細粉團聚問題

為了制造亞微米的特性，10μm以內的超細粉是必要的。然而，超細粉較高的比表面積會導致團聚和氧化。在這個尺度上，范德華力對粉末的支配權重將超過重力。團聚增加了顆粒間的摩擦，降低了粉末的流動性，導致鋪粉層厚不均勻。進一步的影響包括球化效應和孔隙度的增加。

6-5反射問題

細粉的反射率較高，降低了激光輻照的吸收率。

6-6吹粉問題

細粉容易被惰性氣體流帶走，發(fā)生更加嚴重的吹粉現(xiàn)象。

6-7氣化問題

細粉更易在高能量密度下汽化。

6-8安全問題

細粉活性高，需要在處理和運輸過程中采取額外的安全措施。

7、國內研究進展
7-1北京工業(yè)大學 張冬云 教授

7-2北京機科國創(chuàng) 王淼輝 研究員

7-3云耀深維（江蘇）科技有限公司

8、AMLetters評論
雖然微尺度SLM領域的學術研究有限，但市場上已經(jīng)有一些商業(yè)微型SLM系統(tǒng)，德國有3D MicroPrint，國內的云耀深維。國內的學術界目前除了北京工業(yè)大學的 張冬云教授和北京機科國創(chuàng)輕量化科學研究院 王淼輝 研究員在此領域有相關的公開報道外，還未見其他高校、研究所涉足此領域。放眼全球學術界，對微尺度SLM的研究都非常有限�？梢哉f，我國在微尺度SLM商業(yè)化設備和微尺度SLM研究這兩個方面都是走在世界前列的。
隨著精密工程、生物醫(yī)學、牙科、珠寶等各個領域對具有精細特征的金屬微件的應用需求日益廣泛，微尺度SLM的進一步完善必將進一步擴大金屬增材制造的應用范圍。