關于不同金屬3D打印增材制造技術對比研究

曹柯 李彪 王彬

摘? 要：3D打印技術是通過數字三維軟件，利用豐富多樣的原料進行增材制造，經過40多年的發展，如今已經涵蓋幾乎所有材料種類，在這些眾多的原材料中，金屬增材制造的發展尤為突飛猛進，其3D打印成品已經廣泛用于航空航天、工程建筑、醫學治療等重量級領域，不少國家已經將3D打印增材制造技術列為國家發展戰略，本文詳細介紹以金屬為原料加工的SLS（選擇性激光燒結技術）、LCD（激光熔敷沉積技術）、SLM（選區激光熔化技術）、3DP（三維焊接）以及EBM（電子束熔融技術）等技術，并將其進行橫向對比，探究其未來發展前景。

關鍵詞：3D打印;增材制造;SLS;SLM;LCD

3D打印技術即增材制造技術，從上世紀80年代誕生，與傳統的制造技術相比較，3D打印更加靈活，能夠結合三維軟件技術，利用特種材質打印出各種各樣的工件模型，不受結構影響和束縛，甫一問世，便受到社會各界的高度關注，發展至今，已經出現了以各種原材料進行加工制作的成熟可商用的增材技術，例如SLS（選擇性激光燒結技術）、LCD（激光熔敷沉積技術）、SLM（選區激光熔化技術）、3DP（三維焊接）以及EBM（電子束熔融技術）等技術，已經廣泛應用于航空、醫療、建筑、影視等諸多領域^[1]。雖然存在技術差異，但是基本原理相通，都是利用了離散—堆積理念進行數字化成形，下文通過對這些不同金屬 3D 打印增材制造技術的對比，探究各技術之間的優缺點和打印效果。

1不同金屬3D打印增材制造技術分析

3D打印技術根據成形材料的沉積狀態，可以將其分為SLS、SLM、LCD、3DP、EBM5種。

1.1選擇性激光燒結技術——SLS

SLS技術的原理是利用激光的能量對材料進行物理化學反應，又被稱為選擇性激光燒結技術，最早是出現于上世紀80年代末，具體操作是通過將原料粉末均勻鋪平在成形的零件上方，通過激光進行燒結，這樣材料粉末就與底層零件燒結在一起，每燒結一層便重新鋪上新的粉末，然后重復操作，便可以得到一個完整的零件。該工藝對材料的限制較低，因此選材較為廣泛，例如常見的尼龍、樹脂、蠟、金屬、陶瓷等都可以用于該技術，這也是SLS最大的優勢，此外，SLS還具有工藝簡單、性價比高、成型速度快等優點。主要的缺點有：通過粉末燒結而成，零件表面粗糙，內部多孔、密度較低，主要用于鑄造業快速建模。

1.2選區激光熔化技術——SLM

SLM技術是在激光的高能量集中作用下，將金屬粉末完全熔化，經散熱凝固后與基體金屬冶金焊合，然后逐層累積成型出三維實體。由于SLM技術采用激光束進行化學作用，被作用金屬粉末將熔化凝固，因此對激光的能量密度較高，需要超過106W/cm²，當前市面上常見的激光發射器有Nd-YAG、Co2激光器以及光纖激光器等。SLM同樣采用激光作為能源，SLS是激光燒結，而SLM是激光熔化，兩者都是對金屬粉末進行物理化學作用，但是SLS技術在加工制作過程中沒有對金屬進行熔化操作，因此成型材料帶有孔隙，韌性較差。SLM技術通過對金屬原料的熔化可以直接成型，精度和韌性較好。SLM主要采用的金屬原料有：合金、鐵基合金、銅合金、鈦合金等^[2]。

1.3激光熔敷沉積技術——LCD

激光熔敷沉積技術是一種表面改性技術，將基層原料和表面粉末薄層進行融合，可以有效改善基層材料的耐用性和抗氧化性，具有密度大、結合緊密等特點，市場應用十分廣闊，當前，該技術主要用于：（1）材料表面改性，例如渦輪葉片、齒輪等;（2）成品表面改性，可以增強產品強度和精度，延遲產品使用壽命;（3）增材制造，通過逐層熔覆，獲得精度高、耐用性強的3D部件。主要使用材料包括：合金、不銹鋼粉、鈦合金等。

1.4三維焊接——3DP

3DP工藝是將金屬粉末通過液態粘結劑粘結在一起，這種方式成型的產品并不純碎，并且與SLS技術類似，產品韌性、強度和力學特性差，通常還需要其他技術進行處理。3DP 技術工藝簡單、制作靈活、精度較高，可以對粉末大小進行精度控制，在后期技術處理后，密度也能達到使用要求，與其他技術相比，3DP沒有使用激光能束等其他價格高昂的設備，成本控制在較低水平，極具性價比^[3]。

1.5電子束熔融技術——EBM

EBM技術是在真空環境中將電子束焊接工藝熔化金屬絲材或金屬粉末材料，按照設定的路徑逐層堆積而成形出金屬制件，該技術對生產環境具有較高的要求。在材料選用方面，由于電子束技術限制，只能選用具有導電性能好的金屬材料，例如鋼、鈦合金、鎳合金等，此外，電子束還可用于對光能具有較高反射作用的金屬沉積成形，因此能源利用率較高。EBM增材技術主要應用于航空、醫療、汽車制造等領域。電子束需要用到真空環境，成本昂貴，同時容易產生伽馬射線污染。

2不同金屬3D打印增材制造技術對比研究

上述各項3D打印增材制造技術各有優勢領域和技術方向，沒有哪一種技術能夠包打天下，在進行產品生產時需要根據實際需要選用合適技術和方法。

3結語

3D 打印增材制造技術是在工業化高度發展下出現的，順應了現代制造業發展趨勢和市場需求，金屬3D 打印增材制造技術的不斷成熟，促進了航空、醫療、建筑、汽車等領域的快速發展，對人們生活水平提升和市場經濟進一步發展具有積極作用，在市場中要結合實際應用好這些技術，深入挖掘技術和市場潛力，造福人類。

參考文獻

[1]? 李素麗. 不同金屬3D打印增材制造技術對比分析[J]. 中國鑄造裝備與技術，2016，000（006）：6-8.

[2]? 張曉剛，李宗義，張昊，等. 關于不同金屬3D打印增材制造技術對比研究[J]. 信息記錄材料，2019，020（008）：28-29.

[3]? 楊啟云，吳玉道，仲守亮. 3D打印專用金屬粉末的特性研究[C]// 全國粉末冶金學術會議暨海峽兩岸粉末冶金技術研討會. 2015.