編者按：本文來自微信公眾號“AMLetters”（ID:AMLetters-），3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。

激光選區(qū)熔化工藝（也即激光粉末床熔融，簡記為SLM/LPBF）作為典型的金屬增材制造工藝，自1996年由弗朗霍夫激光所Wilhelm Meiners博士發(fā)明至今已有26年。

在這期間，LPBF工藝發(fā)展日益成熟，在合金粉末制備、成形設(shè)備研發(fā)、數(shù)值模擬、后處理、工程應(yīng)用等領(lǐng)域都取得了突破性的進(jìn)展。當(dāng)前，LPBF工藝已經(jīng)成為高性能金屬構(gòu)件制備的重要工藝之一。與傳統(tǒng)的鑄鍛焊相比，LPBF工藝具有一些顯著的優(yōu)勢：

①成形自由度大。

CAD設(shè)計模型自由度大，LPBF可以成形精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，不受三維模型幾何形狀限制。特別對于航空航天常用到的“深腔-異形-薄壁”構(gòu)件具有獨特的優(yōu)勢。

②成形工序簡單。

傳統(tǒng)的成形工藝往往需要車間、模具、后加工等復(fù)雜的配套設(shè)施，而LPBF無需模具，成形試樣幾乎接近最終實體構(gòu)件，需要后續(xù)的工藝很少，使得交貨速率大大提高。

③低碳環(huán)保經(jīng)濟(jì)。

LPBF工藝成形材料利用率高，基本沒有邊角料的浪費，成形過程也沒有污染物排放，低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

④優(yōu)異的力學(xué)性能。

LPBF成形過程屬于快速非平衡凝固過程，如圖1所示。成形后的晶粒組織細(xì)小，可獲得優(yōu)異的強(qiáng)度，在經(jīng)過后續(xù)熱處理進(jìn)行組織性調(diào)控后可獲得強(qiáng)韌性良好配合的合金構(gòu)件。

圖1 LPBF工藝示意圖

⑤工藝適應(yīng)強(qiáng)。

LPBF工藝對一些復(fù)雜、小批量、交貨周期短、定制化的合金構(gòu)件特別適用，極大的提高了生產(chǎn)效率。

雖然LPBF工藝具有諸多優(yōu)勢，但依然存在著一些不足。比如，LPBF成形構(gòu)件存在成形極限，對于一些尺寸小于300μm構(gòu)件成形效果差。另外，LPBF成形的構(gòu)件表面粗糙度并不理想。因此，找到一種適用于小尺寸構(gòu)件生產(chǎn)且兼顧表面光潔度的超高精度打印工藝顯得格外重要。

微激光粉末床熔融（μ-LPBF）工藝作為金屬增材制造工藝的突破，一經(jīng)問世就得到了廣泛的關(guān)注，在媒體以及材料學(xué)頂刊上都能找到它的身影。μ-LPBF工藝作為高精度金屬3D打印工藝，打印精度可達(dá)2~5μm，且在打印過程氣流平穩(wěn)、無需支撐。

從文獻(xiàn)調(diào)研來看，μ-LPBF工藝目前從主要用于NiTi合金和316L不銹鋼合金構(gòu)件的制備。中國石油大學(xué)(北京) 郝世杰教授團(tuán)隊使用Aixway Precision 100設(shè)備（Aixway, Germany）成形NiTi形狀記憶合金[1]，其中使用粒度尺寸分布在5.8-19.6μm內(nèi)，并將成果發(fā)表在金屬增材制造頂刊《Additive Manufacturing》。

從圖2和圖3可以明顯看出LPBF與μ-LPBF兩者所需粉末粒度差距較大，以往的LPBF工藝要求金屬粉末粒度為15~53μm，而μ-LPBF工藝要求粒度在20μm以下。

圖2用于LPBF工藝的NiTi合金粉末:（a）粉末形貌，（b）粒度分布

圖3用于μ-LPBF工藝的NiTi合金粉末:（a）粉末形貌，（b）粒度分布，(c)成分

該團(tuán)隊制造出厚度在52~90μm的薄壁結(jié)構(gòu)、薄支柱晶格和支架，它們具有優(yōu)異的質(zhì)量和功能特性（如圖4所示）。

圖4 μ-LPBF工藝成形NiTi合金實體薄壁構(gòu)件

制造的 NiTi 薄壁結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了 52 μm 的最小特征尺寸和 < 2 μm 的低表面粗糙度，而且與傳統(tǒng)的 LPBF工藝相比，μ-LPBF制備的NiTi合金具有更好的拉伸性能和形狀記憶效應(yīng)。制造出來的微型支架可承受高達(dá) 50% 的壓縮變形而不會出現(xiàn)機(jī)械故障，并且在加熱時表現(xiàn)出> 98%的形狀恢復(fù)。

同時研究還表明與傳統(tǒng)的 LPBF成形 NiTi 合金相比，μ-LPBF工藝制備NiTi 表現(xiàn)出更寬的相變峰和更低的相變潛熱，這些特性是由μ-LPBF 在成形材料過程中采用單道掃描模式所導(dǎo)致的弱熱循環(huán)造成的。

目前除了NiTi合金，μ-LPBF還用來制備316L不銹鋼。湖南大學(xué)陳根余教授團(tuán)隊使用μ-LPBF工藝制備316L不銹鋼，并將成果發(fā)表在《Optics & Laser Technology》期刊[2]。該團(tuán)隊使用的316L合金粉末為0-25μm，平均粒徑為11.5μm。

實驗通過響應(yīng)面實驗（BBD）對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝參數(shù)。所得合金試樣的最優(yōu)性能為：UTS=580±8.2 MPa， YS=398±7.4 MPa，El=46±1.75%，滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)。

另外，使用μ-LPBF工藝制備316L合金的還有新加坡制造學(xué)院的Hang LiSeet教授團(tuán)隊[3]，該團(tuán)隊使用的成形設(shè)備為自主研發(fā)的μ-LPBF系統(tǒng)，該設(shè)備配備IPG光纖激光器，波長為1070 nm，最大激光功率為100 W，焦斑尺寸為15 μm，層厚為10 μm。粉末使用氣霧化制備的平均直徑為 13.32 μm 的316L合金粉末。

實驗成功實現(xiàn)了近乎全致密的高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼316L（孔隙率低于0.1%）。拉伸試驗表明，試樣的屈服強(qiáng)度在 645 MPa 到 690 MPa 之間，極限抗拉強(qiáng)度765～795 MPa，總伸長率超過 40%。與傳統(tǒng)LPBF工藝相比，試樣并沒有犧牲延伸率且具有高強(qiáng)度。該現(xiàn)象可歸因于精細(xì)的蜂窩結(jié)構(gòu)（280-300 nm），如圖6和圖7所示。

圖6胞狀結(jié)構(gòu)的STEM-HAADF 圖像

圖 7 使用鋪粉層厚分別為15 μm (a)、25 μm (b)、35 μm (c) 和 45 μm (d)制造的樣品的胞狀結(jié)構(gòu)

與文獻(xiàn)中的 μ-LPBF 制造的試樣相比，薄壁有助于略微提高屈服強(qiáng)度。另外，研究還表明掃描間距對胞狀結(jié)構(gòu)尺寸影響很小，但對晶粒大小影響較大，如表1所示。該成果發(fā)表在《Materials Science and Engineering: A》，對μ-LPBF制備316L不銹鋼的微觀組織機(jī)理又有了更進(jìn)一步的研究。

表1 不同掃描間距制備的樣品的晶粒尺寸和 LAGB 百分比匯總

μ-LPBF工藝作為一項新的工藝極具科研和應(yīng)用價值，其最大的特點在于成形構(gòu)件尺寸較小，表面粗糙度較高。該工藝在航空航天、生物醫(yī)學(xué)植入體、微電子、精密儀器等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，但μ-LPBF工藝發(fā)展也存在一些挑戰(zhàn)。比如粉末制備、設(shè)備研發(fā)及成本等。

在粉末制備這一塊小編深有體會，眾所周知小粒度粉末制備困難，產(chǎn)出率低，而且粉末過小容易團(tuán)聚黏著，鋪粉效果特別差。小編曾接觸過0-10μm粒度的NiTi合金粉末μ-LPBF打印，但是粉末就像“潮濕”一樣無法進(jìn)行鋪展。

總之，一項新的技術(shù)出現(xiàn)，往往會成為行業(yè)的風(fēng)口。3D打印發(fā)展方興未艾，相信不久的將來，μ-LPBF工藝會憑借著自身的優(yōu)勢在工程制造領(lǐng)域大放異彩。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Micro laser powder bed fusion of NiTi alloys with superior mechanical property and shape recovery function[J]. Additive Manufacturing,2022,57. DOI: 10.1016/J.ADDMA.2022.102960

[2]Process optimization of micro selective laser melting and comparison of different laser diameter for forming different powder[J]. Optics and Laser Technology,2022,150. DOI: 10.1016/J.OPTLASTEC.2022.107953

[3]Micro laser powder bed fusion of stainless steel 316L: Cellular structure, grain characteristics, and mechanical properties[J]. Materials Science & Engineering A,2022,848.DOI: 10.1016/J.MSEA.2022.143345

編者按：本文來自微信公眾號“AMLetters”（ID:AMLetters-），3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。

激光選區(qū)熔化工藝（也即激光粉末床熔融，簡記為SLM/LPBF）作為典型的金屬增材制造工藝，自1996年由弗朗霍夫激光所Wilhelm Meiners博士發(fā)明至今已有26年。

在這期間，LPBF工藝發(fā)展日益成熟，在合金粉末制備、成形設(shè)備研發(fā)、數(shù)值模擬、后處理、工程應(yīng)用等領(lǐng)域都取得了突破性的進(jìn)展。當(dāng)前，LPBF工藝已經(jīng)成為高性能金屬構(gòu)件制備的重要工藝之一。與傳統(tǒng)的鑄鍛焊相比，LPBF工藝具有一些顯著的優(yōu)勢：

①成形自由度大。

CAD設(shè)計模型自由度大，LPBF可以成形精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，不受三維模型幾何形狀限制。特別對于航空航天常用到的“深腔-異形-薄壁”構(gòu)件具有獨特的優(yōu)勢。

②成形工序簡單。

傳統(tǒng)的成形工藝往往需要車間、模具、后加工等復(fù)雜的配套設(shè)施，而LPBF無需模具，成形試樣幾乎接近最終實體構(gòu)件，需要后續(xù)的工藝很少，使得交貨速率大大提高。

③低碳環(huán)保經(jīng)濟(jì)。

LPBF工藝成形材料利用率高，基本沒有邊角料的浪費，成形過程也沒有污染物排放，低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

④優(yōu)異的力學(xué)性能。

LPBF成形過程屬于快速非平衡凝固過程，如圖1所示。成形后的晶粒組織細(xì)小，可獲得優(yōu)異的強(qiáng)度，在經(jīng)過后續(xù)熱處理進(jìn)行組織性調(diào)控后可獲得強(qiáng)韌性良好配合的合金構(gòu)件。

圖1 LPBF工藝示意圖

⑤工藝適應(yīng)強(qiáng)。

LPBF工藝對一些復(fù)雜、小批量、交貨周期短、定制化的合金構(gòu)件特別適用，極大的提高了生產(chǎn)效率。

雖然LPBF工藝具有諸多優(yōu)勢，但依然存在著一些不足。比如，LPBF成形構(gòu)件存在成形極限，對于一些尺寸小于300μm構(gòu)件成形效果差。另外，LPBF成形的構(gòu)件表面粗糙度并不理想。因此，找到一種適用于小尺寸構(gòu)件生產(chǎn)且兼顧表面光潔度的超高精度打印工藝顯得格外重要。

微激光粉末床熔融（μ-LPBF）工藝作為金屬增材制造工藝的突破，一經(jīng)問世就得到了廣泛的關(guān)注，在媒體以及材料學(xué)頂刊上都能找到它的身影。μ-LPBF工藝作為高精度金屬3D打印工藝，打印精度可達(dá)2~5μm，且在打印過程氣流平穩(wěn)、無需支撐。

從文獻(xiàn)調(diào)研來看，μ-LPBF工藝目前從主要用于NiTi合金和316L不銹鋼合金構(gòu)件的制備。中國石油大學(xué)(北京) 郝世杰教授團(tuán)隊使用Aixway Precision 100設(shè)備（Aixway, Germany）成形NiTi形狀記憶合金[1]，其中使用粒度尺寸分布在5.8-19.6μm內(nèi)，并將成果發(fā)表在金屬增材制造頂刊《Additive Manufacturing》。

從圖2和圖3可以明顯看出LPBF與μ-LPBF兩者所需粉末粒度差距較大，以往的LPBF工藝要求金屬粉末粒度為15~53μm，而μ-LPBF工藝要求粒度在20μm以下。

圖2用于LPBF工藝的NiTi合金粉末:（a）粉末形貌，（b）粒度分布

圖3用于μ-LPBF工藝的NiTi合金粉末:（a）粉末形貌，（b）粒度分布，(c)成分

該團(tuán)隊制造出厚度在52~90μm的薄壁結(jié)構(gòu)、薄支柱晶格和支架，它們具有優(yōu)異的質(zhì)量和功能特性（如圖4所示）。

圖4 μ-LPBF工藝成形NiTi合金實體薄壁構(gòu)件

制造的 NiTi 薄壁結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了 52 μm 的最小特征尺寸和 < 2 μm 的低表面粗糙度，而且與傳統(tǒng)的 LPBF工藝相比，μ-LPBF制備的NiTi合金具有更好的拉伸性能和形狀記憶效應(yīng)。制造出來的微型支架可承受高達(dá) 50% 的壓縮變形而不會出現(xiàn)機(jī)械故障，并且在加熱時表現(xiàn)出> 98%的形狀恢復(fù)。

同時研究還表明與傳統(tǒng)的 LPBF成形 NiTi 合金相比，μ-LPBF工藝制備NiTi 表現(xiàn)出更寬的相變峰和更低的相變潛熱，這些特性是由μ-LPBF 在成形材料過程中采用單道掃描模式所導(dǎo)致的弱熱循環(huán)造成的。

目前除了NiTi合金，μ-LPBF還用來制備316L不銹鋼。湖南大學(xué)陳根余教授團(tuán)隊使用μ-LPBF工藝制備316L不銹鋼，并將成果發(fā)表在《Optics & Laser Technology》期刊[2]。該團(tuán)隊使用的316L合金粉末為0-25μm，平均粒徑為11.5μm。

實驗通過響應(yīng)面實驗（BBD）對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝參數(shù)。所得合金試樣的最優(yōu)性能為：UTS=580±8.2 MPa， YS=398±7.4 MPa，El=46±1.75%，滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)。

另外，使用μ-LPBF工藝制備316L合金的還有新加坡制造學(xué)院的Hang LiSeet教授團(tuán)隊[3]，該團(tuán)隊使用的成形設(shè)備為自主研發(fā)的μ-LPBF系統(tǒng)，該設(shè)備配備IPG光纖激光器，波長為1070 nm，最大激光功率為100 W，焦斑尺寸為15 μm，層厚為10 μm。粉末使用氣霧化制備的平均直徑為 13.32 μm 的316L合金粉末。

實驗成功實現(xiàn)了近乎全致密的高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼316L（孔隙率低于0.1%）。拉伸試驗表明，試樣的屈服強(qiáng)度在 645 MPa 到 690 MPa 之間，極限抗拉強(qiáng)度765～795 MPa，總伸長率超過 40%。與傳統(tǒng)LPBF工藝相比，試樣并沒有犧牲延伸率且具有高強(qiáng)度。該現(xiàn)象可歸因于精細(xì)的蜂窩結(jié)構(gòu)（280-300 nm），如圖6和圖7所示。

圖6胞狀結(jié)構(gòu)的STEM-HAADF 圖像

圖 7 使用鋪粉層厚分別為15 μm (a)、25 μm (b)、35 μm (c) 和 45 μm (d)制造的樣品的胞狀結(jié)構(gòu)

與文獻(xiàn)中的 μ-LPBF 制造的試樣相比，薄壁有助于略微提高屈服強(qiáng)度。另外，研究還表明掃描間距對胞狀結(jié)構(gòu)尺寸影響很小，但對晶粒大小影響較大，如表1所示。該成果發(fā)表在《Materials Science and Engineering: A》，對μ-LPBF制備316L不銹鋼的微觀組織機(jī)理又有了更進(jìn)一步的研究。

表1 不同掃描間距制備的樣品的晶粒尺寸和 LAGB 百分比匯總

μ-LPBF工藝作為一項新的工藝極具科研和應(yīng)用價值，其最大的特點在于成形構(gòu)件尺寸較小，表面粗糙度較高。該工藝在航空航天、生物醫(yī)學(xué)植入體、微電子、精密儀器等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，但μ-LPBF工藝發(fā)展也存在一些挑戰(zhàn)。比如粉末制備、設(shè)備研發(fā)及成本等。

在粉末制備這一塊小編深有體會，眾所周知小粒度粉末制備困難，產(chǎn)出率低，而且粉末過小容易團(tuán)聚黏著，鋪粉效果特別差。小編曾接觸過0-10μm粒度的NiTi合金粉末μ-LPBF打印，但是粉末就像“潮濕”一樣無法進(jìn)行鋪展。

總之，一項新的技術(shù)出現(xiàn)，往往會成為行業(yè)的風(fēng)口。3D打印發(fā)展方興未艾，相信不久的將來，μ-LPBF工藝會憑借著自身的優(yōu)勢在工程制造領(lǐng)域大放異彩。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Micro laser powder bed fusion of NiTi alloys with superior mechanical property and shape recovery function[J]. Additive Manufacturing,2022,57. DOI: 10.1016/J.ADDMA.2022.102960

[2]Process optimization of micro selective laser melting and comparison of different laser diameter for forming different powder[J]. Optics and Laser Technology,2022,150. DOI: 10.1016/J.OPTLASTEC.2022.107953

[3]Micro laser powder bed fusion of stainless steel 316L: Cellular structure, grain characteristics, and mechanical properties[J]. Materials Science & Engineering A,2022,848.DOI: 10.1016/J.MSEA.2022.143345