1 金属3D打印技术分类及成形特点
金属AM工艺可大致分为两个主要大类：粉末床熔合技术（Powder bed fusion，PBF）[7-8]和定向能量沉积技术（Directed energy deposition，DED）[9]。这两种技术都可以根据所使用的能源类型进一步分类。在PBF技术中，热能选择性地熔化粉末层区域。PBF技术的主要代表性工艺有：选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、选择性激光熔化成形（Selective Laser Melting，SLM）、直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）和电子束熔化成形（Electron beam melting，EBM）。在DED技术中，通过使用聚焦的热能来熔化材料（粉末或丝状）而沉积。一些常用的DED技术包括激光工程化净成形（Laser engineered net shaping，LENS）、直接金属沉积（Direct metal deposition，DMD）、电子束自由成形制造（Electron beam free form fabrication，EBFFF）和电弧增材制造。本文主要介绍了 SLS、SLM、DMLS、EBM和LENS金属3D打印技术的基本原理、特点及其应用。
1.1 选择性激光烧结（SLS）
选择性激光烧结作为一种增材制造技术，采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中激光将粉末材料部分熔化，粉末颗粒保留其固相形态，并通过后续的液相凝固、固相颗粒重排粘接实现粉末致密化。SLS系统由激光器、扫描系统、铺粉滚筒、粉末床和粉末输送系统等组成，原理如图2所示[10]。在计算机上绘制好CAD三维实体零件模型，将其转换成STL文件格式，再利用切片软件将文件切分成一定厚度的一系列有序片层，将切片数据传送到 SLS系统中。烧结开始前，将金属粉末预热到低于烧结点某一温度后，一侧的供粉缸上升至给定量，铺粉滚筒将粉末均匀地铺在粉末床上表面，激光束在计算机系统的控制下，按照设定的功率及速度对第一层截面轮廓进行扫描。激光束扫过之后，粉末烧结成给定厚度的实体轮廓片层，未被烧结的粉末作为支撑，这样零件的第一层烧结完成。这时，粉末床下移一个分层厚度，供粉缸上移，铺粉滚筒重新铺粉，激光束进行下一个分层的烧结，前后烧结的实体片层自然粘接为一体，如此循环往复，逐层堆叠，直至三维实体零件烧结完成。
SLS技术具有可直接制造复杂结构金属制品并且制作时间短，使用材料广泛，价格低廉，材料利用率极高，制造工艺比较简单，可以实现设计制造一体化，应用面广等优点。此外，该工艺无需设计支撑结构，未烧结的粉末直接支撑成形过程中的悬空部分，成形精度平均可达0.05～2.5 mm[11]，可以实现一定批量的个性化定制[12]。但 SLS工艺也存在很多不足：原材料和设备成本都很高；零件内部疏松多孔，表面粗糙度较大，机械性能不足；零件质量容易受到粉末的影响；成形时消耗大量的能量，需要比较复杂的辅助工艺；零件的最大尺寸受到限制。
金属3D打印技术的基本原理、特点和分类以及应用领域
1.2 选择性激光熔化成形（SLM）
选择性激光熔化成形（SLM）是在SLS基础之上发展起来的一种快速成形技术。SLM 的基本原理[13-14]是利用计算机三维建模软件（UG、Pro/E等）设计出零件实体模型，然后用切片软件将三维模型切片分层，得到一系列截面的轮廓数据，输入合适的工艺参数，由轮廓数据设计出激光扫描路径，计算机控制系统将按照设计好的路径控制激光束逐层熔化金属粉末，层层堆积形成实体金属零件。成形原理如图3所示，激光束扫描开始前，利用铺粉辊均匀地在成形缸的基板上铺上一层很薄的金属粉末，计算机控制激光束对当前层进行选择性激光熔化，熔化的金属粉末冷却固化后，成形缸降低一个单位高度，粉料缸上升一个单位高度，铺粉辊在加工好的片层之上重新铺好金属粉末，激光束开始扫描新一层，如此层层叠加，直至整个零件成形。SLM 的整个加工过程在惰性气体保护的加工室中进行，以避免在高温下金属发生氧化[15]。
SLM与SLS主要区别在于SLS并未完全熔化金属粉末，而SLM将金属粉末完全熔化后成形。SLM优点是：金属零件的致密度超过99%，优良的机械性能与锻造相当[16-17]；粉末完全熔化，所以尺寸精度很高（可达±0.l mm），表面粗糙度较好（Ra为20～50 μm）[18]；选材广泛，利用率极高并且省去了后续处理工艺。然而SLM也存在一些缺陷，如SLM设备昂贵，制造速度偏低，工艺参数很复杂，需要加支撑结构。
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1.3 直接金属激光烧结（DMLS）
直接金属激光烧结（DMLS）是一种利用高能量的激光束（200 W），根据三维模型数据直接烧结金属粉末薄层（20～60 μm）形成致密的实体零件[20]。DMLS与SLS的原理基本相同，主要区别在于粉末的性质。图 4给出了 DMLS工艺中的重要部件有构建平台、分配器单元、重涂单元、激光系统、精密光学元件（如F-θ透镜或聚焦单元）、高速扫描仪和计算机工艺软件[21-22]。DMLS技术构建原型零件/模具的步骤如下：①原型零件/模具三维 CAD模型的建立；②将 CAD模型转换为 STL格式；③定义支撑结构和需要平滑角/边；④将STL模型切成薄层；⑤将文件层STL发送到DMLS-AM/快速成形机器。
通过DMLS打印的零部件具有不同的材料结构/机械性能，然而常规技术要获得这样的结果取决于材料。DMLS工艺最大的优势在于不需要昂贵且费时的预处理和后续处理工艺[23]，且制作精度高（±0.05 mm），零件整体致密度达到理论密度的90%以上，可用于小批量生产。然而由于金属粉末在 DMLS中的“球化”效应和烧结变形，使形状复杂的金属零件很难精确成形[24]。成形过程中需要支撑结构，成形后需要用电火花线切割机从基板上切下金属零件。
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1.4 电子束熔化成形（EBM）
电子束熔化成形（EBM）是另一种以 PBF为基础的增材制造工艺，在真空环境中，采用高能高速的电子束选择性地熔化金属粉末层或金属丝，熔化成形，层层堆积直至形成整个实体金属零件[26]。基本原理如图5a所示，在EBM中加热的钨丝发射高速电子，然后由两个磁场控制，即聚焦线圈和偏转线圈。聚焦线圈作为磁性透镜，将光束聚焦到所需直径至 0.1 mm，而偏转线圈使聚焦光束在所需点偏转以扫描金属粉末[27]。当电子高速撞击金属粉末时，它的动能转化为热能，熔化金属粉末。EBM的工艺步骤如图5b所示，先将平台加热到一定温度后，按预设厚度均匀地将金属粉末铺在平台上，每个粉末层扫描分为预热和熔化两个阶段。在预热阶段，通过使用高扫描速度的高电子束多次预热粉末层（预热温度高达0.4～0.6Tm）；熔化阶段，使用低扫描速度的低电子束来熔化金属粉末。当一层扫描完成后，台面下降，重新铺放金属粉末层，重复该过程直到形成所需的金属部件。EBM整个工艺在10-2～10-3 Pa的高真空下进行。
电子束熔化成形（EBM）工艺类似于 SLM，唯一的不同之处是熔化粉末层的能量源，这里使用电子束代替激光[7]。EBM技术具有成形速度快、无反射、能量利用率高、在真空中加工无污染和可加工传统工艺不能加工的难熔、难加工材料等优点[28]。而 EBM技术的缺点是：需要专用的设备和真空系统，成本昂贵；打印零件尺寸有限；在成形过程中会产生很强的X射线，需要采取有效的保护措施，防止其泄露对实验人员和环境造成伤害。
1.5 激光工程化净成形（LENS）
激光工程化净成形（LENS）是在激光熔覆技术的基础上结合选择性激光烧结技术发展起来的一种金属3D打印技术[30]。LENS工作原理同选择性激光烧结技术相似，采用大功率激光束，按照预设的路径在金属基体上形成熔池，金属粉末从喷嘴喷射到熔池中，快速凝固沉积，如此逐层堆叠，直到零件形成。如图6所示，LENS系统主要由激光系统、粉末输送系统和惰性气体保护系统组成。首先通过三维造型软件设计出零件的三维CAD实体模型，然后将三维实体模型转化成 STL格式的文件，再利用切片软件将实体模型的 STL文件切分成一定厚度的薄层，并得到每一层扫描轨迹，最后把生成的数据传送到LENS系统中，系统根据给定的数据，层层沉积形成致密的金属零件[31]。
激光工程化净成形技术与常规的零件制造方法相比，极大地降低了对零件可制造性的限制，提高了设计自由度，可制造出内腔复杂、结构悬臂的金属零件，能制造出化学成分连续变化的功能梯度材料，并且还能对复杂零件和模具进行修复。由于使用的是高功率激光器进行熔覆烧结，经常出现零件体积收缩过大，并且烧结过程中温度很高，粉末受热急剧膨胀，容易造成粉末飞溅，浪费金属粉末。
目前3D打印金属零件昂贵，随着金属3D打印技术的逐步发展，预计制造成本会下降，表面光洁度的提升、零件质量的改进及零件尺寸的增加将会使其在各行各业开辟应用空间。未来可以根据材料的属性-结构-加工关系来预测零件性能，实现前期工艺质量缺陷监测，节省所需的原材料和制造时间。预测工艺模型化，更好地了解物理和冶金机制来应对性能变化，可将金属3D打印技术的优势发挥到淋漓尽致。
