入门级：让你读懂什么是金属3D打印

第一，激光材料增长制造技术概述  

顾名思义，激光增材制造技术是一种以激光为热源，利用激光的高能光束聚焦效应快速熔化金属粉末的制造方法。由于激光具有能量密度高的特点，可以实现钛合金、高温合金等难加工金属在航空航天领域的制造。同时，激光材料的增加制造技术也具有不受零件结构限制的优点，可用于复杂结构、难加工和薄壁零件的制造。  

目前，用于激光材料添加制造技术的材料包括钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金、耐火材料、非晶态合金、陶瓷和梯度材料。在航空航天领域，多孔复杂结构的制造在高性能复杂构件和生物制造领域有着显著的优势。与二维印刷相比，三维印刷实际上可以说是层层堆积的二维印刷。金属3D打印中使用的金属粉末相当于2D印刷中使用的色粉。  

二.激光材料的分类-增加制造技术  

以激光为热源的添加材料的制造技术主要分为基于送粉的激光沉积技术和基于铺粉的激光选择性熔炼技术，详细介绍了这两种工艺。  

1.激光送粉技术(金属材料同时送入粉末熔池)  

由于各单元名称不同，激光熔敷技术(主要是送粉)也被称为直接激光沉积、激光立体成形工艺、金属直接沉积、激光熔敷等。无论是哪种方法，其原理都是采用快速成型的基本原理，以金属粉末为原料，以高能激光为能量源，按照预定的加工路线，将金属粉末逐层熔化，快速凝固，层层沉积，实现金属零件的直接制造。  

一般来说，激光金属直接成形系统平台包括激光、数控工作台、送粉喷嘴、高精度可调送粉器等辅助设备，如下图所示。根据光束模式，可选择的激光器可分为半导体连续激光器、光纤连续激光器、二氧化碳连续激光器和YAG：Nd脉冲激光器。根据喷头的不同位置，主要分为同轴送粉喷头组和侧向送粉喷嘴。  

送粉激光三维打印主要分为以下四个过程：(1)建模过程。如果你想打印一个形状的物体，你首先需要在CAD软件中绘制一个所需零件的三维图形。(2)轨迹生成过程。对三维模型进行切片，将原三维模型划分为多个二维图形，便于逐层叠加打印。(3)激光印刷工艺。将绘制和切片的三维图形导入到激光加工程序中，在激光处理器上完成三维零件的制作。(4)得到完整的印刷零件。  

送粉式金属3D打印  

二.基于粉末敷设的激光粉末添加制造技术(金属粉末在沉积前预先铺设)  

激光选择性熔炼技术采用高亮度激光直接熔融金属粉末材料而不需要粘结剂，任何具有与锻件相同性能的复杂结构件都可以通过三维模型直接成形，零件只能用于光滑的表面，激光增材技术主要包括激光选择性沉积(激光选择性沉积)、粉末床沉积技术等。  

激光选择性熔炼的基本原理是激光束扫描按预先计划的路径熔化预先铺设的金属粉末；完成一层扫描后，工作舱下降一层高度，摊铺机将一层粉末接续，层层堆积，直到制造出所需的金属零件，整个加工过程处于真空环境中，能够有效地避免空气中有害杂质的影响。  

采用激光选择性熔炼工艺可直接制备最终金属制品，节省了中间过渡环节，制备的零件尺寸精度高，表面粗糙度好(Ra为10~30μm)。它适用于各种复杂形状的工件，特别是内部具有复杂异型结构且不能用传统方法制造的复杂工件，适用于单、小批量复杂结构件的无模快速响应制造。  

三.用于激光材料增强制造的材料  

由于高能激光的聚焦效应，制备高熔点的难熔金属材料是有条件的。在航空航天应用中，钛合金、高温合金、铁镍合金、铝合金等技术的制备已经相对成熟。由于激光增材工艺制备的锻件几乎超过了锻件标准，加之成型效率高、周期短等特点，在航空航天生产中有着巨大的应用潜力。  

美国山基公司生产的钛合金飞机零件  

以下是采用送粉和铺粉激光加料技术制备的普通金属及其合金。激光材料加入法制备钛合金的工艺已经比较成熟，具有生产大元器件的能力。美国山基公司生产的钛合金飞机零件最大成形速度可达18kg/h，力学性能达到AMS4999标准要求。激光成形不仅可用于成型材料的制备，还可用于修复受损零件。  

GB/T1497-1988飞机损坏零部件的激光沉积修复技术  

由于金属材料激光材料制造技术的不断提高，金属粉末是其原料，金属粉末的质量将直接影响成形件的最终质量。然而，目前还没有专门用于激光材料添加的金属粉末。目前，用于激光材料加成制造工艺的金属粉末主要用于等离子喷涂、真空等离子喷涂和高速氧燃料火焰喷涂等热喷涂工艺，基本上是采用雾化工艺制造的。这种金属粉末在生产过程中可能会形成一些空心颗粒。当这些空心颗粒的金属粉末被用于制造激光材料时，会导致零件出现孔洞、裂纹等缺陷。因此，用于激光材料制造的金属粉末将成为未来的研究热点。