李素麗（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安 710300）

不同金屬3D打印增材制造技術(shù)對比分析

李素麗
（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安 710300）

隨著3D打印增材制造技術(shù)的發(fā)展，不同種類的成形技術(shù)有各自不同的特點和分類方法，按照成形材料不同沉積狀態(tài)，金屬件的成型工藝主要有SLS技術(shù)、SLM技術(shù)、LCD技術(shù)、3D P技術(shù)及EBM技術(shù)。通過不同金屬3D打印增材制造方式的對比，可以看出沒有一種技術(shù)可以同時滿足精度高、力學性能優(yōu)異、成本低的要求。各工藝優(yōu)缺點明顯，應用領域顯著不同。

金屬3D打??；增材制造技術(shù)；SLS技術(shù)；SLM技術(shù)；LCD技術(shù)；3DP技術(shù)；EBM技術(shù)

0 引言

金屬3D打印技術(shù)增材制造（Additive Manufacturing，AM）是基于離散—堆積原理的新型數(shù)字化成形技術(shù)，被譽為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，極大地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本，對制造業(yè)的發(fā)展有著十分重要的意義[1]。

1 不同金屬3D打印增材制造技術(shù)成形特點

不同的3D打印增材制造技術(shù)有各自不同的特點和分類方法，按照成形材料不同沉積狀態(tài)，金屬件的成型工藝主要有[2-4]：選擇性激光燒結(jié)（Selected Laser Sintering，SLS）技術(shù)，選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)，激光熔敷沉積（Laser Cladding Deposition，LCD）技術(shù)，三維打?。?D Printing，3DP）技術(shù)，電子束熔融（Electron Beam Melting，EBM）技術(shù)以及三維微焊接（3D Micro Welding，3DMW）成形技術(shù)。

1.1 選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）成形技術(shù)

圖1為SLS成形原理示意圖，激光對均勻鋪展于工作臺面的粉末材料進行掃描、燒結(jié)，每掃描一層后成型活塞下降一個層高，繼續(xù)進行后續(xù)層的成形，直至完成零件。其中SLS激光快速成形技術(shù)工藝具有可采用多材料成形；成形工藝簡單；成形精度高等優(yōu)點。該工藝成形精度平均可以達到0.05～2.5 mm的公差。并且無需設計支撐結(jié)構(gòu)，未燒結(jié)的粉末可以直接作為成形過程中懸空層的支撐。因此材料利用率高，是常見幾種AM工藝中利用率最高的，且價格較便宜的工藝。

圖1 SLS成形原理示意圖

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)的主要缺點為：①表面質(zhì)量差。制件成形是由粉末狀的原料通過加熱熔化實現(xiàn)逐層粘結(jié)的，因此，制件表面嚴格講是粉粒狀的，因而表面粗糙；②力學性能差。原型結(jié)構(gòu)疏松、多孔，制件致密度低，因而力學性能較差。

1.2 選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)

SLM技術(shù)使用的金屬材料主要包括鐵基合金、TiC4合金、316L不銹鋼粉、銅合金、鈦合金、工具鋼等[5]。其中很多材料需要進口。表面成形精度可達30～60 μm，尺寸精度可達±0.1 mm，可以完全熔化金屬粉末，得到全致密結(jié)構(gòu)，具有較好的機械性能（表1）。

表 1 選擇性激光熔化成形制件機械性能[5]

1.3 激光熔敷沉積（Laser Cladding Deposition，LCD）技術(shù)

該技術(shù)可使用鐵基合金、不銹鋼粉、銅合金、鈦合金等作為成形材料進行成形，同時還可使用WC/ Co、TiC4、VC 等硬金屬及Al2O3、TiO2 等陶瓷材料進行成形，是復雜零件快速成形的有效方法。另外，該技術(shù)可利用激光在工件表面局部產(chǎn)生瞬間的高能量使熔化粉體材料和基層產(chǎn)生冶金結(jié)合，且比傳統(tǒng)焊接工藝（如：鎢極氣體保護焊，氬弧焊等）產(chǎn)生的殘余熱應力小，是修復損壞的葉片、汽輪機、渦輪盤的理想技術(shù)。

1.4 三維打印（3D Printing，3DP）技術(shù)

3DP工藝采用液態(tài)粘結(jié)劑，通過噴嘴將液態(tài)粘結(jié)劑噴在鋪于工作臺上的粉末層上，噴有粘結(jié)劑的區(qū)域凝固后就將金屬粉末粘結(jié)到了一起。成形件也不是真正意義上的“純”金屬零件，“綠件”的致密度大約為60%[6]，圖2為3DP工藝的原理圖。

圖2 3DP成形原理示意圖

3DP工藝與SLS工藝類似，是采用粉末材料（陶瓷粉末，金屬粉末等）通過噴嘴用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面成形，而不是通過燒結(jié)連接起來的。因而零件強度較低，須后處理。3DP技術(shù)可以通過減小粉末直徑、減小粉末層厚度等方式來提高成形精度，其制件精度也很高。成形件需要采取與間接SLS相似的后處理工藝來提高致密度，成形件也多用于注塑模具等低載荷的場合。由于沒有采用激光等昂貴的設備，使設備的成本遠低于與其他采用激光、電子束等的金屬成形設備[7]。

1.5 電子束熔融（Electron Beam Melting EBM）技術(shù)

EBM技術(shù)原理為：在真空環(huán)境中，采用電子束焊接工藝熔化金屬絲材或金屬粉末材料，然后按照設定的路徑逐層堆積而成形出金屬制件?？捎糜陔娮邮杂沙尚蔚牟牧蠌V泛，如工具鋼、鈦合金、鎳合金，甚至耐火的鉬合金等導電金屬材料都可用于電子束沉積成形。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：如在室溫下，Ti-6Al-4V材料對激光反射較為嚴重，采用激光燒結(jié)工藝，能量利用率很低，而此材料對電子束的反射率只有10%左右，具有較高的能量利用率[8-10]。

但電子束沉積需要具有較高真空度的真空環(huán)境，設備的成本昂貴；且電子束在沉積過程中會伴隨伽瑪射線的發(fā)射，如果裝置設計不合理會造成射線的泄露，導致環(huán)境的污染。另外，電子束只能沉積導電材料，不能沉積塑料、陶瓷等不導電材料[11]。

1.6 不同金屬3D打印增材制造技術(shù)對比分析

表2為金屬3D打印增材制造方式的對比，可以看出沒有一種技術(shù)可以同時滿足精度高、力學性能優(yōu)異、成本低的要求。各工藝優(yōu)缺點明顯，應用領域顯著不同。

表2 七種增材制造技術(shù)比較[12-15]

2 結(jié)束語

金屬3D打印增材制造技術(shù)的這些特點順應了現(xiàn)代制造業(yè)快速化、個性化、柔性化發(fā)展的需求，因此，對采用直接金屬3D打印的研究成為了AM研究的熱點，已經(jīng)在電力、生物、醫(yī)療、航空等制造領域得到了廣泛的應用，并顯示出了非常好的應用前景[16-17]。

[1] F. Gao, A. Sonin, P recise deposition of molten microdrops:the physics of digital microfabrication, Proc. R. Soc.Lond. A 444 (1994) 533–554.

[2] L.J. Zarzalejo, K.S. Sc hmaltz, C.H. Amon, Molten dropletsolidification and s ubstrate remelting in m icrocasting PartI: Numerical modeling and experimental verification, HeatMass Transfer 34 (1999) 477–485.

[3] J.P. Krut h, Material incress ma nufacturing by rapidprototyping techniques, Ann. CIRP 40 (2) (1991) 603–614.

[4] M. Orme, A novel technique of rapid solidification netformmaterials synthesis, J. Mater. Eng. Perform. 2 (3)(1993) 399–405.

[5] M. Orme, C. Huang, J. Courte, Deposition strategies forcontrol of microstructures microporosity and surfaceroughness i n dropletbased solid freeform fabrication ofstructural materials, in: E.F. Matthys, W.G. Truckner(Eds.), Melt Spinning, Strip Casting and Slab Casting, TheMinerals, Metals a nd Materials Society, Warrendale, PA,1996, pp. 125–143.

[6] M.E. Orme, C. Huang, J. Courter, Precision dropletbasedmanufacturing and material s ynthesis, Atomization Sprays6 (1996) 305–329.

[7] Liu Q, Orem M. J Eng.Manufacture [J], 2001, 215(10): 1333

[8] 晁艷普,齊樂華,羅俊,等. 金屬熔滴沉積制造中STL模型切片輪廓數(shù)據(jù)的獲取與試驗驗證[J]. 中國機械工程,2009,22:2701-2705.

[9] 高琛,黃孫祥,陳雷,等. 液滴噴射技術(shù)的應用進展[J]. 無機材料學報,2004,04:714-722.

[10] AMON.C.H,SCHM ALTZ.K.S,MERZ.R,et.al.Numerical and experimental investigate of interface bonging via substrate remelting of an im pinging molten metal droplet[J].Journal of heat transfer,1996,118(1):164-172.

[11] NEAGU.M. Study of remelting process during the droplet-based solid freeform fabrication [J].The annals dungaree de jobs University of Galati, fascicle v: technologies in mechanical engineering, 2004, 5:35-39.

[12] John D. Benrnardin, Clinton J. Stebbins, IssamMudawar. Mapping of impact and heat transfer regimes of water drops impining on a polished surfa ce. International Journal of Heat and Mass Transfe r. 1997, 40 (2):247-267.

[13] G. E. Cossali, M. Marengo, M. Santini.Thermally induced secondarydrop atomisation by single drop impactonto heated surface. International Journalof Heat and Mass Transfer. 29 (2008):167-177.

[14] M. Pasandideh-Fard, S. D. Aziz, S. Chandra, J. Mostaghimi. Cooling effectiveness of a water drop im pinging on a hot s urface. International Journal of Heat andFliud Flow. 22 (2001):201-210.

[15] N. Nikolopoulos, A. Theodorakakos, G. Bergeles. A numerical investigation of the evaporation process of a liquiddroplet impinging onto a hot substrate.International J ournal of Heat and Mas s Transfer.50 (2007):303-319.

[16] George Strotos,ManolisGavaises,Andreas.Numerical investigation on the evaporation of droplets depositing on heated surfaces at low Weber numbers. International Journal of Heat and Mass Transfer.45 (2007):213-216.

[17] Fukai, J.，Shiliba, Y.，Yanmaoto et al. wetting effects on the spreading of a liquid droplet colliding with a surface:experiment and modeling. Phys. Fluids 1995, 7 (2):236-247.

[18] 耿佩.淺析3D打印技術(shù)在鑄造成形中的應用[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2016(1).

Comparative analysis of different 3D printing technology

Li SuLi
(Shaanxi institute of technology，Xi'an 710300, Shaanxi ,China)

With the development of 3D printing technology, different kinds of technologies have different characteristic and classification methods. According to the different sedimentary condition, the technique of metal parts mainly include∶ SLS technology, SLM technology, LCD technology, 3DP technology and technology of EBM. Through different metal 3D printing material manufacturing way of contrast, it can be seen that there isn’t a technology can satisfy the high precision at the same time, excellent mechanical properties, and low cost requirements. Each technological advantages and disadvantages, application fi eld is signi fi cantly different.

3D printing; metal material manufacturing technology;SLS technology;SLM technology;LCD technology;3DP technology; EBM technology

TQ021；TG249；

A；

1 006-9 658（201 6）06-0006-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.002

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院課題（編號：Gfy16-14）

2016-05-20

稿件編號:1605-1382

李素麗（1981—），女，講師，主要從事3D打印以及模具設計相關(guān)的研究工作.