大数据|金属3D打印技术的特点及未来主要的发展方向( 二 ) 革命|机器

2.1 激光工程化净成形技术( LENS)

LENS是一种新的快速成形技术，它由美国Sandia国家实验室首先提出。其特点是: 直接制造形状结构复杂的金属功能零件或模具；可加工的金属或合金材料范围广泛并能实现异质材料零件的制造；可方便加工熔点高、难加工的材料。

LENS是在激光熔覆技术的基础上发展起来的一种金属零件3D打印技术。采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末，按照预设轨迹逐层沉积在基板上，最终形成金属零件。 1999年， LENS工艺获得了美国工业界中“最富创造力的25项技术”之一的称号。国外研究人员研究了LENS工艺制备奥氏体不锈钢试件的硬度分布，结果表明随着加工层数的增加，试件的维氏硬度降低。
国外研究人员应用LENS工艺制备了载重植入体的多孔和功能梯度结构，采用的材料为Ni、Ti等与人体具有良好相容性的合金，制备的植入体的孔隙率最高能达到70% ，使用寿命达到7-12年。 Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制备了多孔生物植入体，并研究了植入体的力学性能，发现孔隙率为10%时，杨氏模量达到90 GPa ，当孔隙率为70%时，杨氏模量急剧降到2 GPa ，这样就可以通过改变孔隙率，使植入体的力学性能与生物体适配。 Zhang等制备了网状的 Fe 基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金属玻璃（MG）组件，研究发现MG的显微硬度达到9.52 GPa 。 Li通过LENS工艺修复定向凝固高温合金GTD-111 。国内的薛春芳等采用LENS工艺，获得微观组织、显微硬度和机械性能良好的网状的Co基高温合金薄壁零件。费群星等采用LENS工艺成型了无变形的Ni-Cu-Sn合金样品。
在LENS系统中，同轴送粉器包括送粉器、送粉头和保护气路3部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送给机构，粉末的流量由步进电机的转速决定。为使金属粉末在自重作用下增加流动性，将送粉器架设在2. 5 m的高度上。从送粉器流出的金属粉末经粉末分割器平均分成4份并通过软管流入粉头，金属粉末从粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置完成熔化堆积过程。全部粉末路径由保护气体推动，保护气体将金属粉末与空气隔离，从而避免金属粉末氧化。 LENS 系统同轴送粉器结构示意图见图1 。目前，快速原型技术已经逐步趋于成熟，发达国家也将激光工程化净成形技术作为研究的重点，并取得了一些实质性成果。在实际应用中，可以利用该技术制作出功能复合型材料，可以修复高附加值的钛合金叶片，也可以运用到直升机、客机、导弹的制作中。另外，还能将该技术运用于生物植入领域，采用与人体具有相容性的Ni、Ti材质制备植入体，有效提升了空隙率，延长了植入体的使用时长。
2.2 激光选区熔化技术( SLM)
SLM 是金属 3D 打印领域的重要部分，其发展历程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校在 1986年最早申请专利， 1988年研制成功了第1台SLM 设备，采用精细聚焦光斑快速熔化成30 ～51 μm 的预置粉末材料，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。致密度可达到近乎 100% ，尺寸精度达 20 ～ 50 μm ，表面粗糙度达20 ～30 μm ，是一种极具发展前景的快速成形技术。

【大数据|金属3D打印技术的特点及未来主要的发展方向】SLM成型材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵重金属等。激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件，是极具发展前景的金属零件3D打印技术。其应用范围已经扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。