微尺度SLM 金属3D打印技术发展介绍

来源：AMLetters

增材制造(Additive Manufacturing)正在制造业中获得越来越多的关注，它使用各种材料制造具有复杂几何形状的组件。选择性激光熔炼(SLM)是一种常用的基于粉末床(PBF)的金属增材工艺，但目前主流的SLM技术只专注于制造宏观和中尺度组件。
近年来，在电子、医疗、汽车、生物技术、能源、通信和光学等多个领域，为满足微型化发展的需要，对微型化增材技术的需求不断增加。众多的产品和组件，包括微驱动器、微机械设备、传感器和探针、微流体组件、医疗植入物、微开关、光学设备、存储芯片、微型电机、磁头、计算机处理器、喷墨打印头、引线框架、电连接器、微燃料电池等等，都迫切的需要微尺度SLM技术。

本期AMLetters带大家了解一下微尺度SLM技术的具体情况，主要内容如下所示：

1、SLM设备原理

选择性激光熔化（SLM）设备的工作过程如上图所示。首先在基板上铺一层粉末，然后激光束根据所需的几何形状将粉末熔化或烧结。然后，铺粉机构（刮刀）将下一层粉末铺在固化的零件上，接着进行激光熔化/烧结，如此反复，直至零件加工完成。
SLM工艺，激光与粉末之间的相互作用时间较短，加热和冷却速率很高。熔池的几何形状和最后形成的显微组织与传统的铸锻等工艺有较大差异，导致SLM制备产品的力学性能与传统工艺有所不同。

2、SLM核心参数
与粉体有关的工艺参数，如粉体的化学成分、颗粒的大小和形状、表面形貌等，在实际生产环境中大多是不变量。
与激光系统相关参数，包括激光类型(即连续波或脉冲)、激光功率和光斑大小、扫描策略、扫描线间距、扫描速度等。
与粉床相关的参数，送粉机构、刮刀、层厚、保护气体、风场。

3、微尺度SLM定义
常规的SLM设备和工艺，光斑直径在60-100μm范围；粉末粒径在15-53μm范围，铺粉层厚在20-100μm范围。
实现微尺度的SΜM打印，主要是从这三个参数着手，获得更小的光斑、更细的粉末、更薄的层厚。
因此我们把微尺度SLM定义为：光斑直径< 20 μm，层厚< 10 μm，粉末粒径< 10 μm的SLM打印。

4、微尺度SLM研究非常有限

微观结构方面

SLM中微观组织的形成受多种机制的影响，包括传热、材料的热物理性能和相变。熔池的温度梯度和凝固速率控制着熔池的凝固模式和生成的微观组织。在SLM中，因为加工过程通常在相邻层之间进行快速加热、凝固和再加热，所以通常观察到的微观组织是柱状枝晶。柱状枝晶的形成主要归因于沿成形方向（Z轴）的较大温度梯度。虽然化学成分、打印方向、零件结构等也对微观结构有影响，但主要还是受激光功率、扫描策略控制。
尽管有大量的文献报道了传统SLM中所得到的微观结构，但在微观SLM中还没有类似的研究报道。

力学性能方面

最近几年也有不少人对光斑大小（或离焦量）与力学性能之间的关系展开了深入研究，得出的结论是光斑大小（离焦量）对SLM的工艺特性有重要影响，这从逻辑上也是显而易见的。
由于微尺度SLM中的光斑尺寸更小，层厚更小，粉末更细，成形过程的机制更加复杂。关于微尺度SΜM加工的各种材料的硬度、拉伸和疲劳性能都需要进一步的研究。然而，目前这方面的研究还很少。这与微型SLM设备的市场化进度缓慢有直接关系。

热处理方面

SLM成形过程中快速的熔化和凝固速度，导致成形零件内部积累了大量的残余内应力，这些内应力需要通过后续的热处理消除或减缓。SLM常见的热处理有：去应力退火、时效、固溶、热等静压。
（1） 热处理的动机是减少或消除缺陷，控制组织，提高性能，减轻残余应力
（2） HIP通常用于封闭内部孔隙和裂纹
（3） 再结晶则将组织细化为等轴细小晶粒
（4） 时效控制析出相的形成
由于SLM产生的显微组织与传统工艺形成的显微组织不同，因此热处理策略也不同。正如前面所讨论的，微尺度SLM的微观结构与常规SLM又有不同，因此，未来对微尺度SΜM热处理的研究将具有重要的价值，这对于拓展微尺度SΜM的应用也是必要的。

5、国外微尺度SLM设备对比

除了德国企业3D MicroPrint 生产的EOSINT μ60设备外，其他的微型SLM设备采用的层厚仍然在10-50μm范围，不能实现亚微米尺寸的微特征。
由于SLM以一层一层的方式打印零件，因此有必要实现尽可能小的层厚度，弱化台阶效应，实现高的成形精度。获得高质量的小层厚铺粉需要新的铺粉工艺和更细的粉末，这也是微尺度SLM设备需要攻克的众多难题之一。关于现有铺粉技术的介绍篇幅较大，这里不展开，后续文章再系统介绍。

6、微尺度SLM面临的具体技术问题

6-1硬件问题

（1）对于微型SLM系统，打印平台的尺寸和整个设备占地面积更小。
（2）为实现精细光斑尺寸，光学系统必须从新调教。
（3）为实现高质量的小层厚，需要新的铺粉（刮刀）机构。
（4）亚微米级细粉，引入安全和健康风险，设备的防护设计要进一步加强，尽量避免人员直接接触粉末。
（5）微尺度的产品，使用传统的热处理工艺会不会发生变形等问题？
（6）微尺度薄壁结构可能无法加工，表面附着的粉末颗粒如何去除？

6-2效率问题

小光斑、细粉末、小层厚、更窄的扫描线间距，必然导致加工时间的增加。有学者报道，当层厚和粉末粒径减小一个数量级时，微尺度SLM打印相同部件的加工时间增加了12倍。研发具有更快的扫描速度的新工艺是提供加工速度的关键。

6-3支撑问题

SLM的支撑结构与零件之间是冶金结合的状态，常规SLM成形的零件可以通过钳工去除，但微尺度产品的支撑去除，可能会影响零件的尺寸精度。

6-4细粉团聚问题

为了制造亚微米的特性，10μm以内的超细粉是必要的。然而，超细粉较高的比表面积会导致团聚和氧化。在这个尺度上，范德华力对粉末的支配权重将超过重力。团聚增加了颗粒间的摩擦，降低了粉末的流动性，导致铺粉层厚不均匀。进一步的影响包括球化效应和孔隙度的增加。

6-5反射问题

细粉的反射率较高，降低了激光辐照的吸收率。

6-6吹粉问题

细粉容易被惰性气体流带走，发生更加严重的吹粉现象。

6-7气化问题

细粉更易在高能量密度下汽化。

6-8安全问题

细粉活性高，需要在处理和运输过程中采取额外的安全措施。

7、国内研究进展
7-1北京工业大学 张冬云 教授

7-2北京机科国创 王淼辉 研究员

7-3云耀深维（江苏）科技有限公司

8、AMLetters评论
虽然微尺度SLM领域的学术研究有限，但市场上已经有一些商业微型SLM系统，德国有3D MicroPrint，国内的云耀深维。国内的学术界目前除了北京工业大学的 张冬云教授和北京机科国创轻量化科学研究院 王淼辉 研究员在此领域有相关的公开报道外，还未见其他高校、研究所涉足此领域。放眼全球学术界，对微尺度SLM的研究都非常有限。可以说，我国在微尺度SLM商业化设备和微尺度SLM研究这两个方面都是走在世界前列的。
随着精密工程、生物医学、牙科、珠宝等各个领域对具有精细特征的金属微件的应用需求日益广泛，微尺度SLM的进一步完善必将进一步扩大金属增材制造的应用范围。