大数据|金属3D打印技术的特点及未来主要的发展方向( 三 ) 革命|机器

SLM工艺有多达50多个影响因素，对成型效果具有重要影响的六大类：材料属性、激光与光路系统、扫描特征、成型氛围、成型几何特征和设备因素。目前，国内外研究人员主要针对以上几个影响因素进行工艺研究、应用研究，目的都是为了解决成型过程中出现的缺陷，提高成型零件的质量。工艺研究方面， SLM成型过程中重要工艺参数有激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描间距和扫描策略等，通过组合不同的工艺参数，使成型质量最优。
SLM成型过程中的主要缺陷有球化、翘曲变形。球化是成型过程中上下两层熔化不充分，由于表面张力的作用，熔化的液滴会迅速卷成球形，从而导致球化现象，为了避免球化，应该适当地增大输入能量。翘曲变形是由于SLM成型过程中存在的热应力超过材料的强度，发生塑性变形引起，由于残余应力的测量比较困难，目前对 SLM工艺的翘曲变形的研究主要是采用有限元方法进行，然后通过实验验证模拟结果的可靠性。 SLM 技术的基本原理是: 先在计算机上利用Pro /e、UG、CATIA 等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。
图 2 为其成形原理图：激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到成形缸的基板上，激光束再按当前层的填充扫描线，选区熔化基板上的粉末，加工出当前层，然后成形缸下降1 个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末，设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有惰性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。广泛应用激光选区熔化技术的代表国家有德国、美国等。他们都开发出了不同的制造机型，甚至可以根据实际情况专门打造零件，满足个性化的需要。利用EOSING M270设备成形的金属零件尺寸较小，将其应用到牙桥、牙冠的批量生产中既不会影响人们对其的使用，也不会产生不适感，且它的致密度接近100% ，精细度较好。与此同时，利用 SLM 技术生产出的钛合金零件还能够运用到医学植入体中，促进了医学工作的发展。
2.3 电子束选区熔化技术( EBSM)

EBSM是采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可以通过操纵磁偏转线圈进行，且电子束具有的真空环境，还可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。鉴于电子束具有的上述优点，瑞典 Arcam公司、清华大学、美国麻省理工学院和美国 NASA 的Langley 研究中心，均开发出了各自的电子束快速制造系统，前两家利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末，与激光选区烧结技术类似；后两家利用电子束熔化金属丝材，电子束固定不动，金属丝材通过送丝装置和工作台移动，与激光净成形制造技术类似。

EBSM技术是20世纪90年代中期发展起来的一种金属零3D打印技术，其与SLM/DMLS系统的差别主要是热源不同，在成型原理上基本相似。与以激光为能量源的金属零件3D打印技术相比， EBSM 工艺具有能量利用率高、无反射、功率密度高、聚焦方便等许多优点。在目前3D打印技术的数十种方法中， EBSM技术因其能够直接成型金属零部件而受到人们的高度关注。

国外对EBM工艺理论研究相对较早，瑞典的Arcam AB公司研发了商品化的EBSM设备EBM S12系列，而国内对EBSM工艺的研究相对较晚。 Heinl等采用Ti6-Al4-V、Ramirez采用Cu、Murr采用Ni基和Co基高温合金、Hernandez等人采用TiAl制备了一系列的开放式蜂巢结构。通过改变预设置弹性模量E ，可以获得大小不同的孔隙，降低结构的密度，获得轻量化的结构。 K.N.Amato等人利用Co基高温合金矩阵颗粒制备了柱状碳化物沉积结构。