变不可能为可能的金属3D打印技术
发布时间：2021.04.07
浏览次数：1944次如今，随着科技的快速发展，具有短期制造、按需制造、快速原型优势的金属3D打印技术，正在使很多不可能成为可能。
目前市场上主流的金属3D打印技术主要有以下五种：激光选区烧结（SLS）、纳米颗粒喷射金属成型（NPJ）、激光选区熔化（SLM）、激光近净成型（LENS）和电子束选区熔化（EBSM）技术。下面，给大家介绍一下这五种金属3D打印技术的基本工作原理。
一、SLS激光选区烧结
工作原理：预先在工作台上铺一层粉末材料，激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。
SLS法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。
由于该成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特点，主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具。
二、NPJ纳米颗粒喷射金属成型
工作原理：先将金属以液体的形式装入3D打印机，打印时用含金属纳米颗粒的液体喷射成型。然后通过加热将多余的液体蒸发留下金属部分，最后通过低温烧结完成成型。
该成型方法能够使用普通的喷墨打印头作为工具，无需借助任何外力即可通过专门的技术融化去除支撑结构，因为是通过融化去除的，理论上可以无限添加，给予设计师更大的自由。除金属材料外，其在陶瓷技术上的突破使得应用扩展至牙科、医疗和特定工业领域。
三、SLM激光选区熔化
工作原理：利用高能量激光束将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化，由下而上逐层打印出任意复杂结构和接近100％致密度的金属零件。
SLM技术主要利用CAD三维软件设计三维模型，并导出为切片软件能够识别的文件格式；对三维模型进行切片操作并添加支撑和分层处理，得到三维模型的截面轮廓数据；利用路径规划软件对轮廓数据进行扫描路径处理，将路径规划后的数据导入SLM设备中，工控机按照每层轮廓的扫描路径，控制激光束选区逐层熔化金属合金粉末，逐层堆叠成致密的三维金属零件实体。
SLM技术的优势在于对材料利用率高，所制造的金属零件尺寸精度高，且能够自由设计。其局限性在于设备组件成本高、无法实现产品批量生产、加工所需金属合金粉末标准不统一。因此，SLM主要应用于在航空航天、生物医疗等领域，适合于钛合金、镍合金等贵重和难加工金属零部件的制造。
四、LENS激光近净成型
工作原理：计算机将零件的三维CAD模型分层切片，得到零件的二维平面轮廓数据，将轮廓数据转化为数控工作台的运动轨迹。同时金属粉末以一定的供粉速度送入激光聚焦区域内，快速熔化凝固，通过点、线、面的层层叠加，最后形成三维近净形的金属零件。
LENS可实现金属零件的无模制造，成形得到的零件组织致密，具有明显的快速熔凝特征，力学性能很高，并可实现非均质和梯度材料零件的制造以及钛合金等高强度金属件加工。
五、EBDM电子束选区熔化
工作原理：先将零件三维 CAD 模型进行切片分层处理，将得到的离散数据输入成形系统。在成形系统进行预热处理，然后，电子束会根据零件CAD数据熔化预先铺好在工作台上的粉末，一层加工完成后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，同时新熔化层与前一层熔合为一体。如此反复进行，层层堆积，直接成型制造出三维零件。
EBDM技术具有加工速度快、能量利用率高、真空污染小、构件残余应力小、无反射等优势，特别适合活性、难熔、脆性金属材料的直接成型，在航天航空、生物医疗汽车模具等领域具有广阔前景。
目前市场上主流的金属3D打印技术主要有以下五种：激光选区烧结（SLS）、纳米颗粒喷射金属成型（NPJ）、激光选区熔化（SLM）、激光近净成型（LENS）和电子束选区熔化（EBSM）技术。下面，给大家介绍一下这五种金属3D打印技术的基本工作原理。
一、SLS激光选区烧结
工作原理：预先在工作台上铺一层粉末材料，激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。
SLS法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。
由于该成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特点，主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具。
二、NPJ纳米颗粒喷射金属成型
工作原理：先将金属以液体的形式装入3D打印机，打印时用含金属纳米颗粒的液体喷射成型。然后通过加热将多余的液体蒸发留下金属部分，最后通过低温烧结完成成型。
该成型方法能够使用普通的喷墨打印头作为工具，无需借助任何外力即可通过专门的技术融化去除支撑结构，因为是通过融化去除的，理论上可以无限添加，给予设计师更大的自由。除金属材料外，其在陶瓷技术上的突破使得应用扩展至牙科、医疗和特定工业领域。
三、SLM激光选区熔化
工作原理：利用高能量激光束将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化，由下而上逐层打印出任意复杂结构和接近100％致密度的金属零件。
SLM技术主要利用CAD三维软件设计三维模型，并导出为切片软件能够识别的文件格式；对三维模型进行切片操作并添加支撑和分层处理，得到三维模型的截面轮廓数据；利用路径规划软件对轮廓数据进行扫描路径处理，将路径规划后的数据导入SLM设备中，工控机按照每层轮廓的扫描路径，控制激光束选区逐层熔化金属合金粉末，逐层堆叠成致密的三维金属零件实体。
SLM技术的优势在于对材料利用率高，所制造的金属零件尺寸精度高，且能够自由设计。其局限性在于设备组件成本高、无法实现产品批量生产、加工所需金属合金粉末标准不统一。因此，SLM主要应用于在航空航天、生物医疗等领域，适合于钛合金、镍合金等贵重和难加工金属零部件的制造。
四、LENS激光近净成型
工作原理：计算机将零件的三维CAD模型分层切片，得到零件的二维平面轮廓数据，将轮廓数据转化为数控工作台的运动轨迹。同时金属粉末以一定的供粉速度送入激光聚焦区域内，快速熔化凝固，通过点、线、面的层层叠加，最后形成三维近净形的金属零件。
LENS可实现金属零件的无模制造，成形得到的零件组织致密，具有明显的快速熔凝特征，力学性能很高，并可实现非均质和梯度材料零件的制造以及钛合金等高强度金属件加工。
五、EBDM电子束选区熔化
工作原理：先将零件三维 CAD 模型进行切片分层处理，将得到的离散数据输入成形系统。在成形系统进行预热处理，然后，电子束会根据零件CAD数据熔化预先铺好在工作台上的粉末，一层加工完成后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，同时新熔化层与前一层熔合为一体。如此反复进行，层层堆积，直接成型制造出三维零件。
EBDM技术具有加工速度快、能量利用率高、真空污染小、构件残余应力小、无反射等优势，特别适合活性、难熔、脆性金属材料的直接成型，在航天航空、生物医疗汽车模具等领域具有广阔前景。
