激光金属3D打印技术的研究进展

李瑞锋，李 客，周伟召

(1.陕西机电职业技术学院 智能制造学院，陕西 宝鸡 721001； 2.陕西奇智聚德智能装备有限公司，陕西 宝鸡 721001； 3.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南 洛阳 471003； 4.陕西博鼎快速精铸科技有限责任公司，陕西 渭南 714000)

3D打印技术是基于“离散/堆积成型”的成型思想，用分层加工的方法将成型材料“堆积”后，进而形成实体零件的一种技术，也称为“快速成型技术”或“叠加制造技术”。从原理上讲，3D打印需要通过计算机软件建立一个三维数字化模型，根据打印工艺和零件的结构不同，选择合理间隔的切割平面将数字化模型分割成若干薄层，然后根据这些薄层的轮廓，按照先后顺序逐层进行原料的熔化和堆积，最后形成一个立体实物。3D打印技术具有能制造复杂结构、节省材料、无需复杂的工装、成型速度快的优点，被广泛应用在航空航天、武器、车辆制造、电子器件和生物组织工程等领域。因此，3D打印技术是最具有吸引力的制造业研究方向之一，并且被大多数学者认为是一次制造业的重大革命。

3D打印技术根据制造热源的不同，分为激光3D打印技术、高能束3D打印技术。其中激光3D打印技术是当今众多科研工作者研究的热点方向，占绝对主流地位，在知网上以“激光技术”为关键词的科研论文数量是以“高能束”为关键词的科研论文数量的8倍。

激光3D打印技术，是一种利用激光来加热材料并使其熔化，然后再逐层堆积成实物的增材制造技术。由于激光可以产生很高的能量，其能量足以使难融的金属受热熔化，所以，激光3D打印技术可以用于难熔金属的3D打印，例如常见高温合金就可以用3D打印技术进行加工。激光3D打印技术还有一个优点就是可以打印结构复杂的零件，这是因为打印过程是一个逐层堆积材料的过程，零件的内部结构在加工过程中是暴露在外的，所以它可加工结构复杂的零件。激光金属3D打印的材料是金属材料，能够用于打印的材料种类多、成本低，打印出来的零件导电性好、强度高，因此，特别受科研人员重视，成为研究的重点之一。

目前，欧美发达国家都站在21世纪制造业竞争的战略高度，对激光金属3D打印技术进行了大量的开拓性研究，使激光金属3D打印技术工艺更加丰富，应用领域更加广阔。同时，我国也在激光金属3D打印技术领域投入大量人力物力进行研究，取得了丰硕的成果。本文先分别介绍4种常见的激光3D打印技术的工作原理及其特点，然后分别对每种打印技术在国内外的研究和应用情况进行综述，最后对激光3D打印技术的发展趋势进行预测。

1 激光金属3D打印的分类及其工作原理

激光金属3D打印技术，根据金属材料的成型工艺不同陆续产生多种打印技术，鉴于科研工作者对个别打印工艺的分类还存在分歧，因此本文仅介绍具有代表性的4种打印工艺：选择性激光烧结；选择性激光熔化；直接金属激光烧结和激光工程净成型。其中选择性激光熔化和直接金属激光烧结工艺基本相同，区别仅在于两者的金属粉末组分不同。下面分别介绍这4种金属3D打印技术的工作原理及其特点。

1.1 选择性激光烧结

选择性激光烧结(SLS)，是一种用激光束来烧结预先加热过的提前铺设在粉末床上的金属粉末，由计算机控制进行分层烧结，分层堆积的零件加工技术。其工作原理如图1所示。

图1 SLS技术原理图[7]

SLS技术的优点：①可以快速打印，速度高达25.4 mm/h；②材料利用率高，没有烧结的粉末可回收反复利用；③无需额外支撑结构；④成型件致密度高。

SLS技术的缺点：①零件表面不光滑；②金属颗粒结合度低，需要进一步热处理；③如果采用氮气作为保护气体的话，会产生有害气体。

1.2 选择性激光熔化

择性激光熔化(SLM )，是一种与SLS技术加工原理类似，克服了金属粉末结合度不高缺点的一种3D打印技术。SLM技术的基本原理：先用计算机软件构建实物的数字化三维模型；然后根据零件的结构选择合适的切割平面，将数字化三维模型切割成若干薄层。接着激光束在计算机的控制下沿着薄层的轮廓线进行运动，激光束照射到提前铺设好的金属粉末上，金属粉末开始熔化然后再凝固成固态，没有照射到的金属粉末可以回收再利用；然后在凝固好的金属上继续下一层的金属粉末的加工如此反复直到整个零件加工完成，SLM技术打印原理如图2所示。SLM在加工零件的时候，为了防止零件受热发生氧化反应，成型室采用密封结构用来隔绝空气，并且充满惰性气体加以进一步的防护。

图2 SLM技术原理图[11]

SLM与SLS主要区别在于：SLS并未完全熔化金属粉末，金属粉末只是粘接在一起，需要进行后处理。而SLM由于使用的激光束能量很大，金属粉末被完全熔化；然后冷却凝固，零件可以达到很高的致密度，所以不需要进行再次烧结。

SLM优点：①金属颗粒完全熔化、逐层堆积而成，零件致密度和机加零件接近，超过99%；②打印零件的尺寸很准确(可达±0.1 mm)；③零件外观光滑(Ra为20～50 μm)；④可打印的材料种类多，没有熔化的金属粉末可以重复利用；⑤无需后续处理工艺。

SLM缺点：①激光源功率大，密闭加工空间导致SLM加工成本高；②由于需要将金属加热至熔化，激光束停留时间长，打印速度偏低；③加工复杂，工艺参数优化难度大；④需要额外材料固化后作为支撑，防止零件坍塌；⑤加工室需要惰性气体保护。

1.3 直接金属激光烧结

直接金属激光烧结(DMLS )，是一种利用大功率激光束加热金属粉末层，并使其熔化的3D打印技术。DMLS与SLS的加工工艺是相似的，不同之处在于两者的金属粉末的组分不同。图3给出了DMLS工艺中的重要部件有：打印平台、粉末分配机构、重涂臂、激光激励器、光线调整机构(光学元件，XY-扫描镜等)、高速扫描仪和计算机工艺软件等；其中高速扫描仪和计算机工艺软件图中未显示。

图3 DMLS技术原理图[21]

DMLS与SLM主要区别在于两者的金属粉末组分不同。SLM技术用的是一种金属粉末进行打印。然而DMLS技术用的是两种以上的混合金属混合粉末，金属粉末在激光束的照射下完全熔化，不同材质的粉末在熔化过程中相互渗透，提高了零件的致密度和精度。

DMLS优点：①不需进行粉末预热，打印的零件不必进行后处理；②零件的尺寸精度高(±0.05 mm)；③零件的致密度大于90%；④适用于个性化定制；⑤与其他激光3D打印不同，调整参数可以调整打印零部件的材料结构/机械性能。

DMLS缺点：①不适合打印过于复杂精细的零件；②需要生成支撑，防止零件打印过程中坍塌。

1.4 激光工程化净成型

激光工程化净成型(LENS)，一种利用激光束将机体金属熔化后将不同成分、不同性能的金属粉末送入熔池中熔化的一种3D打印技术。Sandia国家实验室和惠普(Pratt Whitney)公司共同提出激光工程化净成型的概念并提出了技术方案，Optomec Design公司在该基础上进一步研究后，于2017年取得了该技术的发明专利。其工作原理图如图4所示。

图4 LENS 技术原理图[23]

LENS与DMLS ，SLM和SLS主要区别在于金属粉末的添加工艺不同。LENS技术成型过程中，采用的是同步送粉工艺，即金属粉末通过喷射与激光束加热同步进行。激光束将喷嘴喷射的金属粉末加热熔化，直到金属粉末与底层金属完成熔成一体后，激光束和送粉喷头在计算机的控制下同步移动，进入下一点的加工。而DMLS、SLM和SLS技术先通过铺粉结构将金属粉末铺设一层，然后激光束按照预定轨迹进行烧结或熔化，如此反复直到整个零件加工完成。实际应用中，也有部分DMLS设备采用激光和送粉同步工艺，主要用于壁厚超过1 mm的大型零件的加工。

LENS工艺的优点：①相比SLM工艺，成型效率高；②金属零件的致密度极高，可达100%；③LENS进行金属零件表面喷涂，结合强度高于传统喷涂和电镀工艺；③可以进行零件表面缺陷的修复。

LENS工艺的缺点：①零件的成型精度稍低，尺寸偏差在3～6 mm；②零件需要后处理，进一步提高精度。

不同的激光金属3D打印工艺, 具有不同的成型特点，只有根据打印材料和零件的结构特点恰当选用打印工艺才能最大程度地发挥其优势。即使相同的打印工艺，不同的工艺参数对打印质量和打印效率都有显著影响。金属3D打印工艺参数包含激光功率、粉层层厚、激光扫描间距、激光扫描方式、激光扫描速度、基板预热温度、金属熔体温度等成型参数。4种激光金属3D打印技术能够实现的层厚和扫描间距如表1所示。加工过程中，应该合理选择工艺参数，达到减小零件表面粗糙度的目的。

表1 不同激光金属3D打印技术的典型工艺参数

2 激光金属3D打印技术的研究与应用

2.1 选择性激光烧结技术的研究与应用

SLS技术是激光金属3D打印技术的重要分支之一，发展相对成熟，应用十分广泛，在军工武器、航空航天、机械装备和医疗卫生等重大关键领域都有应用。

汽车制造领域，德国EOS公司用SLS技术制造铝合金赛车零件。

在航空领域，德国EOS公司采用SLS技术来制造飞机的零部件，在代号为F-35 Lighte-ningⅡ的飞机上使用了1 600个由SLS技术打印的零部件；欧洲宇航防务集团公司(EADS)在飞机制造过程中使用大量由SLS打印技术打印的零件。

在武器领域，美国采用SLS技术来制造导弹的零部件，代号为AIM-9的响尾蛇导弹中的基座就是用SLS技术打印出来的。

在医疗领域，德国EOS公司用SLS技术制造不锈钢(型号：316L)内腔镜、钛合金(型号：Ti64)医疗植入体等。有研究者利用SLS技术制造钛合金生物骨支架，成型的零件经900 ℃处理后抗压强度能达到142 MPa。

在模具领域，1994年，DTM公司于研发一种叫做Rapid Steel的新技术，在其研发的SLS-2000设备上用树脂包覆铁粉打印出注塑模具，然后把模具放入高温炉再次烧结，得到的打印模具与传统工艺制作的模具性能相当。北京隆源自动成形系统有限公司研发的AFS-300金属3D打印机已经量产，该打印机可打印个性化定制的各类铸造型壳和熔模，甚至铸件原型。

2.2 选择性激光熔化技术的研究与应用

近几年来，SLM技术越来越受到世界各国的重视，不断加大技术研发的资金投入，SLM技术应用范围不断扩大，在航空航天，国防军工，装备制造和医疗卫生等重点领域都有所应用。

在装备制造领域，设立于华中科技大学的模具国家重点实验室快速制造中心瞄准SLM技术零件加工尺寸受限的痛点，从温度控制，装置预热两个方面进行攻关，又对激光扫描方式进行创新，一举突破了这一难题，同时又很好地解决了大尺寸零件变形问题，在此基础上先后研发了HRPM-Ⅰ和HRPM-Ⅱ两套设备，其工作台面可达250 mm×250 mm。

在航空领域，2012年美国通用电气公司 (GE)，在飞机发动机的制造过程中大胆尝试，成功地将SLM技术应用于LEAP喷气式发动机燃油喷嘴上，并制造成功。与此同时，欧洲空中客车集团创新中心 (Airbus Group Innovations) 也在大力推进SLM技术的应用，先后在用空客320和380飞机舱门的零件制造中使用SLM技术。该公司以Ti-6Al-4V合金粉末为3D打印的材料, 采用SLM技术成功制造出舱门托架和发动机舱门铰链。

在医疗领域，澳大利亚科学协会成功研制出SLM打印机，西班牙萨拉曼卡大学利用该打印机，进行了钛合金材料的3D打印研究，成功打印出胸骨与肋骨，并成功植入胸廓癌病人体内。西安交通大学第一附属医院的科研工作者，用钛合金材料3D打印出患者胸骨的缺失部分并植入患者体内，完成了胸骨缺失部分的修复，取得良好效果。

2.3 直接金属激光烧结技术的研究与应用

当前，DMLS技术是激光金属3D技术的新热点之一，该技术打印的金属零件致密度高，因此在航空航天、军工武器、模具制造等领域应用广泛。由于用该技术进行表面喷涂处理的结合度高于传统金属喷涂工艺，因此在机械零件的修复方面具有不可替代的作用。

在航空领域，美国奥斯汀大学用INCONEL625超级合金和Ti-6Al-4V作为打印的材料，按照一定比例混合后，用DMLS技术成功打印出F1战斗机上的部分零件。北京航空航天大学对DMLS技术打印的零件的质量缺陷形成机理和改进措施进行攻关，打印的钛合金零件力学性能达到了同种材料的模锻件水平。西北工业大学的研究团队瞄准大尺寸零件进行研究，成功打印出飞机上的左上缘条，该零件最宽的地方达3 m、质量高达196 kg，目前处于世界领先水平。

在武器领域，美国奥斯汀大学采用DMLS技术，以INCONEL625超级合金和Ti-6Al-4V合金的混合粉末为打印材料，成功制造出代号为AIM-9的导弹的部分零件。

在模具领域，德国EOS公司对大型模具冷却进行深入研究，发现模具中异冷却水路的冷却效果直接影响模具的使用效率和寿命；但是异形冷却水路制造十分复杂，该公司将DMLS技术用于异形水路的制造，显著提升了水路的冷却效果，进而提升了大型模具的使用效率和使用寿命。

在机械修复领域，随着使用时间的推移，设备上的回转零件会发生磨损和腐蚀现象，对于大型设备中这些回转零部件质量大，成本高，对零件进行局部修复而非重新制作是经济可行的方案之一。目前，DMLS技术已经成功应用于大型回转部件的磨损和腐蚀修复，大大降低了设备的维修成本。

2.4 激光工程化净成型技术的研究与应用

目前，LENS技术广泛应用于航空、医疗和机械制造等领域。

在航空领域，LENS技术用钛合金作为打印材料打印的发动机叶片和轮盘的力学性能达到很高水平，与锻造件的力学性能相当。与此同时，LENS技术打印的钛合金零件还被安装到各类飞机上，并取得很好地效果。北京航空航天大学王华明教授团队专注耐磨涂层的研究，采用LENS技术进行金属喷涂，在我国某新型航空发动机耐磨运动副零部件上进行融覆耐磨涂层研究，取得良好的效果。

在医疗领域，由于Ni、Ti和CoCrMo合金材料与人体的相容性好，被广泛地用做人体植入体的材料。采用LENS技术用上述材料打印的植入体，空隙率高达70%，有效地延长了其使寿命。用LENS技术以CoCrMo合金为打印材料进行打印，打印的仿生骨和天然骨的的弹性非常接近。常见的生物骨的弹性模量的大概是3～20 GPa；而打印的仿生骨的是33～43 GPa，单纯从弹性模量上考虑，两者的差距已经不明显。

在机械制造领域，西北工业大学的学者在零件的3D打印修复零件表面损伤方面也做了研究，成功修复了用K418高温合金和DZ125镍基高温合金材料制作的零件。又有学者通过深入研究LENS技术，尤其是3D打印零件的开裂机理，通过调整参数的方式，有效控制了零件的开裂问题，实现了复杂结构零件的LENS技术3D打印。目前有学者应用该技术在陶瓷零件的打印方面也取得成功。

近年来，北京航空航天大学研究者关注LENS技术的加工工艺，通过调整各项工艺参数，努力提升产品性能。目前可以用LENS技术以Ti合金、Ni合金以及金属间化合物材料进行3D打印。该大学研究团队先后发表多篇论文对研究成果进行报道，打印的零件力学性能很好，相当于锻造件，零件的组织也很均匀。

3 激光金属3D打印技术的发展趋势

3.1 4种激光金属打印技术的特点

激光金属3D打印技术是一项具颠覆性的零件制造工艺，相比于传统工艺具有无需模具、材料利用率高、可以个性定制、可制备复杂结构等显著优势。而且不同类型的激光金属3D打印技术工艺有着各自的特点，呈现出优势互补式协调发展态势，4种打印技术的主要工艺参数对照如表2所示。

表2 激光金属3D打印技术的设备、材料和工艺[67]

3.2 发展趋势和前景

设备方面

设备的加工效率和经济成本是制约激光金属3D打印技术产业化应用的限制条件，针对金属3D打印技术效率低下的不足，可以通过增加激光器的功率和改进送粉方式加以改进；但是对3D打印技术的效率提高十分有限，3D打印技术在加工效率与传统加工相比差距仍然很大。因此提高设备的加工效率和降低设备的成本成为现在研究的重点问题之一。除此之外，还可以通过多种技术的整合，克服激光金属3D打印精度不足的缺点，例如可以通过3D打印与数控加工相结合，就可以克服3D打印精度不足的缺点，又不会增加太大的成本。目前德国的DMG MORI就开发出此类产品。它整合了激光金属3D打印技术与传统机械加工，先用3D打印技术制造出复杂零件形状，再用机械加工修正零件外观，进一步提升零件的精度。

工艺方面

SLM工艺：目前虽然对激光金属3D打印技术展开了大量前期研究，重点研究金属的受热变形，材料冷却收缩机理；但是由于SLM打印过程过于复杂，往往伴随着物理、化学等多方面的反应，所以目前SLM技术仍然有很多难题没有突破，打印的零件仍然存在球化、孔隙、裂纹等材质缺陷的问题。

DMLS和SLM工艺：在DMLS和SLM成形过程中，为了熔化金属粉末，必然采用大功率激光束，激光束产生的热量过大，导致材料受热不均，温度变化剧烈，致使3D打印的零件产生应力集中现象，最终导致零件发生变形和开裂现象。深入研究3D打印零件的缺陷产生机理，在此基础上进行工艺参数优化，最大限度地控制打印零件的各类缺陷，是今后一段时间的研究热点。因为打印零件的各类缺陷与内应力形成规律、组织凝固规律有着密切相关性，从零件的内应力和组织凝固规律出发研究零件的缺陷形成机理，是解决激光金属3D打印零件成型缺陷重要突破方向之一。

4 结语

随着科学技术的进步，新材料、新技术、新工艺不断发展，这些新技术被应用到激光金属3D技术中之后，给其带来了巨大的活力。尤其在致密度、精度、粗糙度、强度和结合度等关键指标方面，激光金属3D打印技术已经取得长足的进步，制备的零件已经达到，甚至超过了传统加工手段制备的零件。但是，激光金属3D打印技术的固有缺陷，加工效率低、成本高、加工工艺复杂、需要额外支撑等缺点依旧没有实质性突破，严重制约其发展。因此，可以预测激光金属3D打印技术将在零部件的修复、人体植入体等个性化定制方面会取得更大的成就。