微尺度SLM 金屬3D打印技術(shù)發(fā)展介紹

來(lái)源：AMLetters

增材制造(Additive Manufacturing)正在制造業(yè)中獲得越來(lái)越多的關(guān)注，它使用各種材料制造具有復(fù)雜幾何形狀的組件。選擇性激光熔煉(SLM)是一種常用的基于粉末床(PBF)的金屬增材工藝，但目前主流的SLM技術(shù)只專(zhuān)注于制造宏觀(guān)和中尺度組件。
近年來(lái)，在電子、醫(yī)療、汽車(chē)、生物技術(shù)、能源、通信和光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，為滿(mǎn)足微型化發(fā)展的需要，對(duì)微型化增材技術(shù)的需求不斷增加。眾多的產(chǎn)品和組件，包括微驅(qū)動(dòng)器、微機(jī)械設(shè)備、傳感器和探針、微流體組件、醫(yī)療植入物、微開(kāi)關(guān)、光學(xué)設(shè)備、存儲(chǔ)芯片、微型電機(jī)、磁頭、計(jì)算機(jī)處理器、噴墨打印頭、引線(xiàn)框架、電連接器、微燃料電池等等，都迫切的需要微尺度SLM技術(shù)。

本期A(yíng)MLetters帶大家了解一下微尺度SLM技術(shù)的具體情況，主要內(nèi)容如下所示：

1、SLM設(shè)備原理

選擇性激光熔化（SLM）設(shè)備的工作過(guò)程如上圖所示。首先在基板上鋪一層粉末，然后激光束根據(jù)所需的幾何形狀將粉末熔化或燒結(jié)。然后，鋪粉機(jī)構(gòu)（刮刀）將下一層粉末鋪在固化的零件上，接著進(jìn)行激光熔化/燒結(jié)，如此反復(fù)，直至零件加工完成。
SLM工藝，激光與粉末之間的相互作用時(shí)間較短，加熱和冷卻速率很高。熔池的幾何形狀和最后形成的顯微組織與傳統(tǒng)的鑄鍛等工藝有較大差異，導(dǎo)致SLM制備產(chǎn)品的力學(xué)性能與傳統(tǒng)工藝有所不同。

2、SLM核心參數(shù)
與粉體有關(guān)的工藝參數(shù)，如粉體的化學(xué)成分、顆粒的大小和形狀、表面形貌等，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中大多是不變量。
與激光系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，包括激光類(lèi)型(即連續(xù)波或脈沖)、激光功率和光斑大小、掃描策略、掃描線(xiàn)間距、掃描速度等。
與粉床相關(guān)的參數(shù)，送粉機(jī)構(gòu)、刮刀、層厚、保護(hù)氣體、風(fēng)場(chǎng)。

3、微尺度SLM定義
常規(guī)的SLM設(shè)備和工藝，光斑直徑在60-100μm范圍；粉末粒徑在15-53μm范圍，鋪粉層厚在20-100μm范圍。
實(shí)現(xiàn)微尺度的SΜM打印，主要是從這三個(gè)參數(shù)著手，獲得更小的光斑、更細(xì)的粉末、更薄的層厚。
因此我們把微尺度SLM定義為：光斑直徑< 20 μm，層厚< 10 μm，粉末粒徑< 10 μm的SLM打印。

4、微尺度SLM研究非常有限

微觀(guān)結(jié)構(gòu)方面

SLM中微觀(guān)組織的形成受多種機(jī)制的影響，包括傳熱、材料的熱物理性能和相變。熔池的溫度梯度和凝固速率控制著熔池的凝固模式和生成的微觀(guān)組織。在SLM中，因?yàn)榧庸み^(guò)程通常在相鄰層之間進(jìn)行快速加熱、凝固和再加熱，所以通常觀(guān)察到的微觀(guān)組織是柱狀枝晶。柱狀枝晶的形成主要?dú)w因于沿成形方向（Z軸）的較大溫度梯度。雖然化學(xué)成分、打印方向、零件結(jié)構(gòu)等也對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)有影響，但主要還是受激光功率、掃描策略控制。
盡管有大量的文獻(xiàn)報(bào)道了傳統(tǒng)SLM中所得到的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，但在微觀(guān)SLM中還沒(méi)有類(lèi)似的研究報(bào)道。

力學(xué)性能方面

最近幾年也有不少人對(duì)光斑大?。ɑ螂x焦量）與力學(xué)性能之間的關(guān)系展開(kāi)了深入研究，得出的結(jié)論是光斑大?。x焦量）對(duì)SLM的工藝特性有重要影響，這從邏輯上也是顯而易見(jiàn)的。
由于微尺度SLM中的光斑尺寸更小，層厚更小，粉末更細(xì)，成形過(guò)程的機(jī)制更加復(fù)雜。關(guān)于微尺度SΜM加工的各種材料的硬度、拉伸和疲勞性能都需要進(jìn)一步的研究。然而，目前這方面的研究還很少。這與微型SLM設(shè)備的市場(chǎng)化進(jìn)度緩慢有直接關(guān)系。

熱處理方面

SLM成形過(guò)程中快速的熔化和凝固速度，導(dǎo)致成形零件內(nèi)部積累了大量的殘余內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力需要通過(guò)后續(xù)的熱處理消除或減緩。SLM常見(jiàn)的熱處理有：去應(yīng)力退火、時(shí)效、固溶、熱等靜壓。
（1） 熱處理的動(dòng)機(jī)是減少或消除缺陷，控制組織，提高性能，減輕殘余應(yīng)力
（2） HIP通常用于封閉內(nèi)部孔隙和裂紋
（3） 再結(jié)晶則將組織細(xì)化為等軸細(xì)小晶粒
（4） 時(shí)效控制析出相的形成
由于SLM產(chǎn)生的顯微組織與傳統(tǒng)工藝形成的顯微組織不同，因此熱處理策略也不同。正如前面所討論的，微尺度SLM的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與常規(guī)SLM又有不同，因此，未來(lái)對(duì)微尺度SΜM熱處理的研究將具有重要的價(jià)值，這對(duì)于拓展微尺度SΜM的應(yīng)用也是必要的。

5、國(guó)外微尺度SLM設(shè)備對(duì)比

除了德國(guó)企業(yè)3D MicroPrint 生產(chǎn)的EOSINT μ60設(shè)備外，其他的微型SLM設(shè)備采用的層厚仍然在10-50μm范圍，不能實(shí)現(xiàn)亞微米尺寸的微特征。
由于SLM以一層一層的方式打印零件，因此有必要實(shí)現(xiàn)盡可能小的層厚度，弱化臺(tái)階效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高的成形精度。獲得高質(zhì)量的小層厚鋪粉需要新的鋪粉工藝和更細(xì)的粉末，這也是微尺度SLM設(shè)備需要攻克的眾多難題之一。關(guān)于現(xiàn)有鋪粉技術(shù)的介紹篇幅較大，這里不展開(kāi)，后續(xù)文章再系統(tǒng)介紹。

6、微尺度SLM面臨的具體技術(shù)問(wèn)題

6-1硬件問(wèn)題

（1）對(duì)于微型SLM系統(tǒng)，打印平臺(tái)的尺寸和整個(gè)設(shè)備占地面積更小。
（2）為實(shí)現(xiàn)精細(xì)光斑尺寸，光學(xué)系統(tǒng)必須從新調(diào)教。
（3）為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的小層厚，需要新的鋪粉（刮刀）機(jī)構(gòu)。
（4）亞微米級(jí)細(xì)粉，引入安全和健康風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備的防護(hù)設(shè)計(jì)要進(jìn)一步加強(qiáng)，盡量避免人員直接接觸粉末。
（5）微尺度的產(chǎn)品，使用傳統(tǒng)的熱處理工藝會(huì)不會(huì)發(fā)生變形等問(wèn)題？
（6）微尺度薄壁結(jié)構(gòu)可能無(wú)法加工，表面附著的粉末顆粒如何去除？

6-2效率問(wèn)題

小光斑、細(xì)粉末、小層厚、更窄的掃描線(xiàn)間距，必然導(dǎo)致加工時(shí)間的增加。有學(xué)者報(bào)道，當(dāng)層厚和粉末粒徑減小一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，微尺度SLM打印相同部件的加工時(shí)間增加了12倍。研發(fā)具有更快的掃描速度的新工藝是提供加工速度的關(guān)鍵。

6-3支撐問(wèn)題

SLM的支撐結(jié)構(gòu)與零件之間是冶金結(jié)合的狀態(tài)，常規(guī)SLM成形的零件可以通過(guò)鉗工去除，但微尺度產(chǎn)品的支撐去除，可能會(huì)影響零件的尺寸精度。

6-4細(xì)粉團(tuán)聚問(wèn)題

為了制造亞微米的特性，10μm以?xún)?nèi)的超細(xì)粉是必要的。然而，超細(xì)粉較高的比表面積會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚和氧化。在這個(gè)尺度上，范德華力對(duì)粉末的支配權(quán)重將超過(guò)重力。團(tuán)聚增加了顆粒間的摩擦，降低了粉末的流動(dòng)性，導(dǎo)致鋪粉層厚不均勻。進(jìn)一步的影響包括球化效應(yīng)和孔隙度的增加。

6-5反射問(wèn)題

細(xì)粉的反射率較高，降低了激光輻照的吸收率。

6-6吹粉問(wèn)題

細(xì)粉容易被惰性氣體流帶走，發(fā)生更加嚴(yán)重的吹粉現(xiàn)象。

6-7氣化問(wèn)題

細(xì)粉更易在高能量密度下汽化。

6-8安全問(wèn)題

細(xì)粉活性高，需要在處理和運(yùn)輸過(guò)程中采取額外的安全措施。

7、國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
7-1北京工業(yè)大學(xué) 張冬云 教授

7-2北京機(jī)科國(guó)創(chuàng) 王淼輝 研究員

7-3云耀深維（江蘇）科技有限公司

8、AMLetters評(píng)論
雖然微尺度SLM領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究有限，但市場(chǎng)上已經(jīng)有一些商業(yè)微型SLM系統(tǒng)，德國(guó)有3D MicroPrint，國(guó)內(nèi)的云耀深維。國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)界目前除了北京工業(yè)大學(xué)的 張冬云教授和北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院 王淼輝 研究員在此領(lǐng)域有相關(guān)的公開(kāi)報(bào)道外，還未見(jiàn)其他高校、研究所涉足此領(lǐng)域。放眼全球?qū)W術(shù)界，對(duì)微尺度SLM的研究都非常有限?？梢哉f(shuō)，我國(guó)在微尺度SLM商業(yè)化設(shè)備和微尺度SLM研究這兩個(gè)方面都是走在世界前列的。
隨著精密工程、生物醫(yī)學(xué)、牙科、珠寶等各個(gè)領(lǐng)域?qū)哂芯?xì)特征的金屬微件的應(yīng)用需求日益廣泛，微尺度SLM的進(jìn)一步完善必將進(jìn)一步擴(kuò)大金屬增材制造的應(yīng)用范圍。