金屬3D打印的歷史和冶金加工科學(xué)面面觀

相比于大數(shù)據(jù)、VR、人工智能，如今的3D打印其實算不上很新的技術(shù)了，這項技術(shù)已經(jīng)走過了30多年的歷史。那么金屬3D打印里面到底有幾多千秋？不同的金屬3D打印技術(shù)又在打印材料和冶金領(lǐng)域有著怎樣的差異？一起來領(lǐng)略金屬D打印的冶金和加工科學(xué)。

圖片來源：spacex

與金屬增材制造相關(guān)的最早的一項3D打印技術(shù)是SLS-選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，當(dāng)時是用來燒結(jié)塑料粉末。而在1990年，Manriquez-Frayre和Bourell實現(xiàn)了通過SLS技術(shù)打印金屬制品的應(yīng)用。

圖片：選擇性激光融化技術(shù)

發(fā)展到今天，當(dāng)我們一提起金屬3D打印的時候，通常指的是SLM-選擇性激光融化技術(shù)，而SLS技術(shù)更多的用來燒結(jié)金屬之外的其他材料。

來源:Tuan

SLM技術(shù)是如此的讓人著迷，以至于我們忽略了另外一項金屬3D打印技術(shù)DED-直接能量沉積技術(shù)，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(chǎn)品以近凈形的方式制造出來。

圖片：直接能量沉積

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)是德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Carl Deckard博士和學(xué)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(shù)，但在2014年專利過期后，新涌現(xiàn)的3D打印機(jī)制造商旨在使SLS這一昂貴的工業(yè)打印工藝走下了神壇。

圖：金屬3D打印的部分原始專利

SLM選擇性激光熔化的創(chuàng)始專利來源于德國Fraunhofer Institute所有的激光技術(shù)研究院，而該專利的到期日是2016年12月。EOS在1995年推出了第一臺商業(yè)SLM設(shè)備，并且通過取得3D Systems專利授權(quán)的方式獲得了SLS技術(shù)專利的使用權(quán)利。另外一家公司，Arcam在2000年通過Adersson&Larsson的專利獲得了EBM技術(shù)的使用權(quán)利，并與2002年推出了第一臺商業(yè)化EBM打印設(shè)備。

圖片：電子束激光融化技術(shù)

隨著最初的3D打印設(shè)備專利全面到期，以及金屬加工的過程中控制，粉末技術(shù)的發(fā)展，并且隨著GE收購Arcam和Concept laser,金屬3D打印也迎來了走向成熟的時期。根據(jù)GE增材制造負(fù)責(zé)人Greg Morris，GE將在2到3年內(nèi)提高3D打印的速度，他們未來希望達(dá)到現(xiàn)在速度的100倍。而隨著設(shè)備加工技術(shù)的提升，加之材料的配合以及價格的合理化，金屬3D打印勢必在產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的道路越來越寬。而對于加工應(yīng)用方來說，要迎接這樣的技術(shù)浪潮，了解金屬3D打印的冶金加工學(xué)就成為必修課。

圖：金屬3D打印專利情況

的確，在金屬加工過程中，發(fā)生著許多微妙的事情。就拿SLM選擇性激光融化技術(shù)來說，在激光對粉末的融化加工過程中，每個激光點創(chuàng)建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。并且，為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末，出現(xiàn)半融化的粉末，從而產(chǎn)生孔隙的現(xiàn)象。

從設(shè)備領(lǐng)域，為了達(dá)到激光定位與聚焦，大多數(shù)激光熔化系統(tǒng)使用電流計掃描振鏡，最新出現(xiàn)的技術(shù)是動態(tài)聚焦系統(tǒng)系統(tǒng)，通過在galva振鏡的上游激光光束線中放置更小的鏡頭，來調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)焦距的變化。

對于應(yīng)用端來說，除了設(shè)備的配置這樣的剛性條件，冶金性能方面還與金屬3D打印過程的諸多條件相關(guān)。加工參數(shù)的設(shè)置、粉末的質(zhì)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(jié)果。

圖片：金屬3D打印技術(shù)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(guān)變量。另外，殘余應(yīng)力是DED以及SLM加工技術(shù)所面臨的共同話題，殘余應(yīng)力將影響后處理和機(jī)械性能參數(shù)。不過，根據(jù)對冶金方面的駕馭能力，殘余應(yīng)力也可以用來幫助促進(jìn)再結(jié)晶和細(xì)小的等軸晶組織的形成。

在過去的五年里,對于金屬打印過程中微觀結(jié)構(gòu)的理解和新合金的加工性能已經(jīng)獲得了不少的進(jìn)步。同時還觀察到微觀結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，在這方面通過表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學(xué)的進(jìn)一步理解，從而不僅提高金屬3D打印的工藝控制能力，還為材料制備以及后處理提出了新的要求。

來源：3d科學(xué)谷
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