详解5种金属3D打印技术原理和特点对比
随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的主要金属3D打印工艺有：包括选择性激光烧结（Selective Laser Sintering， SLS）技术、直接金属粉末激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、选择性激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技术、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技术和电子束选择性熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）技术等。
一、选择性激光烧结（SLS）
选择性激光烧结，顾名思义，所采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中粉体材料发生部分熔化，粉体颗粒保留其固相核心，并通过后续的固相颗粒重排、液相凝固粘接实现粉体致密化。
SLS 技术原理及其特点
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。
SLS工艺采用半固态液相烧结机制，粉体未发生完全熔化，虽可在一定程度上降低成形材料积聚的热应力，但成形件中含有未熔固相颗粒，直接导致孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面粗糙度高等工艺缺陷，在SLS 半固态成形体系中，固液混合体系粘度通常较高，导致熔融材料流动性差，将出现 SLS 快速成形工艺特有的冶金缺陷——“球化”效应。球化现象不仅会增加成形件表面粗糙度，更会导致铺粉装置难以在已烧结层表面均匀铺粉后续粉层，从而阻碍SLS 过程顺利开展。
由于烧结好的零件强度较低，需要经过后处理才能达到较高的强度并且制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。在SLS出现初期，相对于其他发展比较成熟的快速成型方法，选择性激光烧结具有成型材料选择范围广，成型工艺比较简单（无需支撑）等优点。但由于成型过程中的能量来源为激光，激光器的应用使其成型设备的成本较高，随着2000 年之后激光快速成形设备的长足进步（表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等），粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。选择性激光烧结技术（SLS）已被类似更为先进的技术代替。
二、选择性激光熔化（SLM）
选择性激光熔化的原理:
SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本原理类似。SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。
选择性激光熔化技术的优势
在原理上，选择性激光熔化与选择性激光烧结相似，但因为采用了较高的激光能量密度和更细小的光斑直径，成型件的力学性能、尺寸精度等均较好，只需简单后处理即可投入使用，并且成型所用原材料无需特别配制。选择性激光熔化技术的优点可归纳如下：
1．直接制造金属功能件件，无需中间工序；
2．良好的光束质量，可获得细微聚焦光斑，从而可以直接制造出较高尺寸精度和较好表面粗糙度的功能件；
3．金属粉末完全熔化，所直接制造的金属功能件具有冶金结合组织，致密度较高，具 有较好的力学性能，无需后处理；
4．粉末材料可为单一材料也可为多组元材料，原材料无需特别配制；
5．可直接制造出复杂几何形状的功能件；
6．特别适合于单件或小批量的功能件制造。选择性激光烧结成型件的致密度、力学性能较差；电子束熔融成型和激光熔覆制造难以获得较高尺寸精度的零件；相比之下，选择性激光熔化成型技术可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件，是近年来快速成型的主要研究热点和发展趋势。
三、电子束熔化（EBM）
电子束选择性熔化（EBSM）原理
类似激光选择性烧结和激光选择性熔化工艺，电子束选择性熔化技术（EBSM）是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术。EBSM技术的工艺过程为：先在铺粉平面上铺展一层粉末；然后，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。上位机的实时扫描信号经数模转换及功率放大后传递给偏转线圈，电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转，达到选择性熔化。经过十几年的研究发现对于一些工艺参数如电子束电流、聚焦电流、作用时间、粉末厚度、加速电压、扫描方式进行正交实验。作用时间对成型影响最大。
电子束选择性熔化的优势
电子束直接金属成形技术采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可通过操纵磁偏转线圈进行，没有机械惯性，且电子束具有的真空环境还可避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。 电子束与激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、稳定及运行维护成本低等优点。EBM技术优点是成型过程效率高，零件变形小，成型过程不需要金属支撑，微观组织更致密等 电子束的偏转聚焦控制更加快速、灵敏。激光的偏转需要使用振镜，在激光进行高速扫描时振镜的转速很高。在激光功率较大时，振镜需要更复杂的冷却系统，而振镜的重量也显著增加。因而在使用较大功率扫描时，激光的扫描速度将受到限制。在扫描较大成形范围时，激光的焦距也很难快速的改变。电子束的偏转和聚焦利用磁场完成，可以通过改变电信号的强度和方向快速灵敏的控制电子束的偏转量和聚焦长度。电子束偏转聚焦系统不会被金属蒸镀干扰。用激光和电子束熔化金属的时候，金属蒸汽会弥散在整个成形空间，并在接触的任何物体表面镀上金属薄膜。电子束偏转聚焦都是在磁场中完成，因而不会受到金属蒸镀的影响；激光器振镜等光学器件则容易受到蒸镀污染。
四、激光熔覆式成型技术（LMD）
激光熔化沉积（Laser Metal Deposition，LMD）于上世纪90年代由美国Sandia国家实验室首次提出，随后在全世界很多地方相继发展起来，由于许多大学和机构是分别独立进行研究的，因此这一技术的名称繁多，虽然名字不尽相同，但是他们的原理基本相同，成型过程中，通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上，同时激光束也聚集到该点，将粉光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆实体。
LENS技术使用的是千瓦级的激光器，由于采用的激光聚焦光斑较大，一般在1mm以上，虽然可以得到冶金结合的致密金属实体，但其尺寸精度和表面光洁度都不太好，需进一步进行机加工后才能使用。激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等，他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时，各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允许的范围内。
五、直接金属激光成形（DMLS）
SLS制造金属零部件，通常有两种方法，其一为间接法，即聚合物覆膜金属粉末的SLS；其二为直接法，即直接金属粉末激光烧结（DirectMetalLaserSintering， DMLS）。自从1991年金属粉末直接激光烧结研究在Leuvne的Chatofci大学开展以来，利用SLS工艺直接烧结金属粉末成形三维零部件是快速原型制造的最终目标之一。与间接SLS技术相比，DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。
直接金属粉末激光烧结（DMLS）的特点
DMLS技术作为SLS技术的一个分支，原理基本相同。但DMLS技术精确成形形状复杂的金属零部件有较大难度，归根结底，主要是由于金属粉末在DMLS中的“球化”效应和烧结变形，球化现象，是为使熔化的金属液表面与周边介质表面构成的体系具有最小自由能，在液态金属与周边介质的界面张力作用下，金属液表面形状向球形表面转变的一种现象．球化会使金属粉末熔化后无法凝固形成连续平滑的熔池，因而形成的零件疏松多孔，致使成型失败，由于单组元金属粉末在液相烧结阶段的粘度相对较高，故“球化”效应尤为严重，且球形直径往往大于粉末颗粒直径，这会导致大量孔隙存在于烧结件中，因此，单组元金属粉末的DMLS具有明显的工艺缺陷，往往需要后续处理，不是真正意义上的“直接烧结”。
为克服单组元金属粉末DMLS中的“球化”现象，以及由此造成的烧结变形、密度疏松等工艺缺陷，目前一般可以通过使用熔点不同的多组元金属粉末或使用预合金粉末来实现。多组分金属粉末体系一般由高熔点金属、低熔点金属及某些添加元素混合而成，其中高熔点金属粉末作为骨架金属，能在 DMLS 中保留其固相核心；低熔点金属粉末作为粘结金属，在 DMLS 中熔化形成液相，生成的液相包覆、润湿和粘结固相金属颗粒，以此实现烧结致密化。
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