微观选择性激光熔化技术发展的现状及未来展望 - 图文

由天下分享时间：2025/1/23 23:26:28 加入收藏我要投稿点赞

2Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx黏结剂喷射、层压、定向能量沉积（DED）和粉床熔融（PBF）[7]。材料挤压、光聚合、材料喷射一般应用于非金属材料；层压可以加工金属，其基础是对金属片进行精密切片，然后再用键合、焊接或超声波加固进行堆垛[8]；然而，黏结剂喷射、DED和PBF被认为是处理金属最合适的工艺[6,7,9]。黏结剂喷射的作用是在金属粉末上沉积黏结剂，然后固化成“绿色”部分[10]。最后一部分是通过用另一种材料或同一种金属的纳米粒子的可选渗透剂烧结绿色部分实现的。强制热处理和高孔隙率是黏结剂喷射工艺的常见限制，因为它们阻碍了其在微观尺度上的应用能力[11]。DED也被称为激光熔覆、激光金属沉积（LMD）及激光工程化净成形技术（LENS），它是另一种用于制造金属部件的重要AM工艺[12]。在DED中，原料被直接沉积到熔池中，熔池是由集中的能源制造的。原料可以是粉末或线材，其中供给粉末的DED通常具有比供给线材的DED更高的分辨率[7]。由于DED只产生近净成形，因此需要进一步的处理。PBF通常用于制造需要良好表面光洁度的小部件，因为PBF比DED显示出更好的分辨率[4]。PBF通常具有较小的熔体池和层厚度，因此能制造出更好的分辨率和表面光洁度。PBF工艺涉及利用能源对一层粉末进行选择性熔化或烧结。电子束和激光束是用于PBF过程的两种主要能源，即依次为电子束熔化（EBM）和SLM能够生产具有与传统制造工艺相似的力学性能的部件[13]。尽管金属AM已经在生物医学和航空航天领域的各种应用中商业化（其中也包括航空航天部件的生产和维修[5]），但是AM的应用被限制在大尺度和中尺度的制备。应用于微米级制造的AM技术是近期开发的，用于在包括陶瓷、聚合物和金属在内的各种材料上生产3D微特征[14]。下面一节将重点介绍以往制造金属微部件的AM方法。2. 微型金属AM近几年来，微观尺度和纳米尺度的AM引起了人们的关注，从相应技术的综述论文[14–16]的出现就可以看出。Engstrom等[15]发表了关于纳米增材制造（ANM）技术的综述文章，该技术使用各种材料（包括金属、聚合物和有机分子）生产分辨率低于100 nm的最终部件。Hirt等[16]的研究专注于金属的微AM技术，分为金属转移技术和原位合成技术。他们定义了微AM技术的基准特征大小为10 μm。Vaezi等[14]将3D微AM技术分为两个主要类别，即3D直接写入和可缩放AM，如图1所示，3D直接写入包括基于油墨的喷嘴分配和气溶胶喷射技术、激光传输技术以及光束沉积方法，如激光化学气相沉积（LCVD）、聚焦离子束（FIB）写入和电子束（EB）写入。尽管直接写入过程典型地具有适合于纳米级制造的高分辨率，但是处理过程极其复杂和缓慢[15,16]。在可伸缩AM技术范畴内，尽管受到材料选择的限制，微型立体印刷术（MSL）因其高分辨率和可重复性而一直被视为最成功的微AM技术[17]。熔融沉积建模（FDM）和目标分层制造（LOM）技术在金属加工方面存在困难，此外它们在获得较高的特征分辨率方面也存在局限性。虽然金属油墨已被用于喷墨打印[18]，这种方法仍然严格限制于非金属。3D打印（3DP）/黏结剂喷射打印但印刷部件的孔隙率通常很高[19]。由于有能力制造真正的高分辨率3D微部件，对于没有任何树脂（如在MSL中）或黏合剂（如在3DP或BJP中）的金属加工，SLM和SLS（即采用激光的基于粉末层的逐层熔化或烧结）已经显示出潜力[14,20]。大量关于在宏观尺度加工中应用SLM和SLS的现有知识可用来将该技术缩小到微观尺度。本文专注于SLM和SLS进行微尺度特征的制作。SLM与SLS的区别在于熔化程度[6]。SLM可实现粉末的完全熔化，而SLS仅能达到粉选择性激光熔化（SLM）/选择性激光烧结（SLS）。此外，（BJP）在多材料打印和冷加工方面有着很好的应用前景，图1. 用于微观尺度制造的AM技术的主要分类。MSL：微型立体印刷术；FDM：熔融沉积建模；LOM：目标分层制造。经Springer-Verlag Lon-don，?2012许可摘自参考文献[14]。Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx3末的烧结状态或部分熔化。除了粉末颗粒的全部或部分熔化外，SLM和SLS在工艺设置和机制方面没有差异。因此，为了比较工艺构件和工艺参数，本文认为SLM和SLS是一致的。文章后面部分对粉末重涂系统和混合处理的讨论也可用于其他PBF技术的小型化。厚度是控制部件性能的重要工艺参数之一。层厚、粒度分布（PSD）和激光参数影响激光与材料的相互作用，从而影响熔池的特性。使用SLM制造的AM组件的特性通常根据应用程序的不同，通过多个过程结果进行评估。图4总结了SLM制件的一些重要特征。与任何常规工艺一样，为了评估最终制造部件的质量，从而评估SLM过程，对其特征分辨率、表面光洁度、力学性能和微观结构进行了表征。图5说明了在SLM中可能会发生的缺陷。缺陷的形成本质上取决于工艺变量，为了制造无缺陷部件，需要对其进行优化。关于AM过程中的缺陷的详细报告可在其他文章中获得[7]。3. 选择性激光熔炼图2展示了SLM流程设置的示意图。在SLM和SLS中，首先在建筑基板上铺一层粉末。激光束根据所需的几何形状熔化或烧结粉末。然后再将下一层粉末覆盖在固化部分上，再进行激光熔化/烧结。由于激光源与粉末的相互作用时间短，SLM过程中的加热和冷却速率很高。由于所形成的熔体池几何形状显著地影响微观结构特征，所以加工零件的力学性能与常规工艺的力学性能不同[13]。关于SLM的工艺机制的详细报告见参考文献[6,7,21]。由于所涉及的复杂系统和机制，SLM部件的最终质量受到大量工艺参数的影响[22–29]。SLM工艺参数根据性质可大致分为粉末相关、激光相关和粉床相关变量，如图3所示。大多数粉末相关的工艺参数，如化学组成、颗粒的尺寸和形状以及表面形态，都是实际生产环境中的不变量[7]。与影响SLM过程的激光系统有关的参数包括激光类型[即连续波（CW）或脉冲]、激光功率和光斑大小。扫描参数（如扫描策略、图案间距和扫描速度）显著影响SLM建立的部件特性[30]。SLM工艺参数的第三种分类是粉床特性。在大多数粉床工艺中，粉末是通过耙式机构添加到建筑平台上的，这也被称为重涂。送粉系统的效率受多个参数的影响，包括重涂机的类型、重涂的送粉次数、每次送粉过程中回收的粉量以及至关重要的粉末性质。重涂层的4. 微观选择性激光熔化商用SLM系统通常采用粒径为20~50 μm的粉末颗图2. SLM工艺示意图。图3. SLM工艺参数总结。4Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx图4. SLM工艺输出特性概要。图5. 典型的SLM工艺缺陷。粒，涂层厚度为20~100 μm。为了使传统SLM的应用更加精确，提高特征分辨率，作者主要从三个方面开展研究：激光束直径、涂层厚度和颗粒大小（如图6所示）。Fischer等[31]将微观SLM的范围定义如下：激光束直径小于40 μm，涂层厚度小于10 μm，颗粒尺寸小于10 μm。4.1. 现有技术水平十余年前，一家名为“Mittelsachsen”的激光研究所[32]使用Q调掺钕杂钇铝石榴石（Nd:YAG）激光（0.5~2 kW）制造了首个微观SLS系统，即激光微烧结。该系统涉及一项特殊的耙动步骤，首先施加一层厚粉末，再从相反的方向不断剪切以得到薄层。为了确保涂层厚度的精度达到亚微米级，撒粉器和建模平台的分辨率达到0.1 μm。通过这种方法制造的微部件结构分辨率小于30 μm，纵横比大于10，表面粗糙度为5 μm。如图7所图6. 微观SLM的特征要求。图7. 实验结构；激光微烧结制造微观特征。（b）三个嵌套的空心球；（a（）由钨粉（c）同心环；300 nm（d）多种材料（）制成的烧结Cu和? 2007Ag）的激光烧结。（a）和（b）经Emerald Group Publishing Limited, Co. KGaA, ? 2007许可摘自参考文献shing Limited, ? 2005许可摘自参考文献[33]；（b）经许可摘自参考文献[20]WILEY-VCH Verlag GmbH & [34]；（c。）经Emerald Group Publi-示，研究测试了钨（W）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）等多种金属[20,33,34]。图7（a）[33]展示了此设备用300 nm钨粉得到的初始特征之一。虽然粉末在10–3 Pa的真空条件下耙动更好，但是耙动后的粉床密度（pow-der-bed density，PBD）仍在15%左右。钨铜粉末混合物烧结后可得到90%的最大部件密度。该研究团队还开发了一款改进后的系统，配备两个横截面呈圆形的耙子，用于铺开粉末[20,35]。图7（b）~ d）[20,33,34]展示了用改进设备制造的不同的特征形状。两款设备的不同之处在于粉末重涂机制，新款的耙子在粉末储存器和建模平台之间以圆周运动穿行。具有锋利边缘的金属圆柱体用作耙刀。配备两个耙子的设计能够利用多种材料制造部件，或使部件的晶粒尺寸随部件厚度梯度变化，如图7（d）所示。除耙动之外，重涂系统还可通过压力手动压实粉末。这种独特装置能够通过激光微烧结生产各种金属的微部件，包括钨、铝、（Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx5铜、银、316L、钼（Mo）、钛（Ti）和80Ni20Cr。不断改进工艺特性之后，金属的激光微烧结的最小分辨率为15 μm，表面粗糙度为1.5 μm。据报道，氧化陶瓷和合金的最大部件密度可达98%和95%[36]。2013年，Gieseke等[37,38]开发出一款微观SLM系统，用于生产美国钢铁协会（AISI）的316L空心微针，其最小壁厚为50 μm。为了呈现精细特征，激光光斑直径缩小至19.4 μm。为了生产内径为160 μm、层厚为20 μm的针，研究人员采用了粒径为5~25 μm的粉末。尽管光斑和粉末的尺寸都十分精细，但是生产的部件表面粗糙度仍然不佳（Ra ≈ 8 μm）。细粉的团聚会造成粉末扩散不均匀，这一原因可以解释光洁度不佳的结果。由于高能量输入，墙上明显出现粉末黏附现象。虽然部分支柱失效，但也产生了更复杂的螺旋形状，其最小支柱直径为60 μm[38]。随后Gieseke的研究团队[39]使用形状记忆合金（Ni-Ti）制造部件，如图8（a）所示，在较低的激光功率和较高的扫描速度下分辨率为50 μm。Yadroitsev和Bertrand [40]使用PM 100商业系统来制造由不锈钢（SS）904L制成的微流体系统，如图8（b）所示，光斑直径和层厚分别为70 μm和5 μm。他们还制造了100~150 μm的正常运行部件，其中结构原件为20 μm。值得注意的是，此处的光斑直径仍然很大，表面粗糙度很差。2014年，Fischer等[31]使用EOSINT μ60系统研究微观SLM的工艺参数。最小粗糙度和最大特征分辨率分别达到7.3 μm和57 μm。立方结构的SLM的最大相对密度可达99.32%。尽管所使用的粉末相对较细，粒径为3.5 μm，但是取得的分辨率无法满足微部件的尺寸规格。Abele和Kniepkamp [41]使用轮廓扫描策略进一步改善了由微观SLM制造的部件的表面质量，沿壁构建方向上的最小表面粗糙度达1.69 μm。Kniepkamp等[42]还使图8. 体系统俯视图，小图为其内部结构。使用微观SLM制造的部件。（a）（ Ni-Tia）经微执行器；Elsevier B.V（b）., ? 2010 SS 904L微流许可摘自参考文献[39]；（b）经DAAAM International, ? 2010许可摘自参考文献[40]。用参数优化来制造微观SLM部件，顶部表面粗糙度小于1 μm。最近，Robert和Tien [43]使用微观SLS制造SS微电极阵列，其垂直和横向分辨率分别为5 μm和30 μm。微观AM的最新研究成果来自得克萨斯大学奥斯汀分校[44,45]，其微观SLS系统由一个超快激光器、一个基于微镜的光学系统、基板加热和一个精确的重涂系统组成，特征分辨率可达1 μm。他们对典型SLS系统做出三项重要修改：? 采用全新的涂布机设计，结合精密的刀片和滚轮。滚轮装有线性音圈致动器，以提供极低幅度的高频振动。这一全新设置能利用振动压实粉末，得到几微米的薄层。? SLM机器中常用的检流镜在本装置中替换为数字微镜器件（DMD），以提高系统吞吐量。? 装置中添加了额外的聚焦光学器件以实现1 μm的光斑。此外，装置还采用一款线性致动系统，将粉床分辨率提高至几十纳米。虽然研究者在SLS系统中加入振动滚轮作为粉末涂布机[45]，但是粉末颗粒团聚现象仍然存在。研究者对微观SLS系统进行了两项修改：①将干燥粉末替换为纳米墨水；②将颗粒分配机制由传统的刀片/滚轮改为槽模涂布或旋涂技术。在改进的装置中，微观SLS系统增加了灵活性好的槽模涂布机制。通过精确计量和可控分配，槽模涂布所沉积的涂层厚度在20~150 μm之间[44]。此外，系统配备了使用音圈致动器的精确的纳米定位台来保证精度。然而，该系统只适用于浆料或墨水，因为细小的干燥粉末会受到范德华力产生团聚[46]。表1 [31,32,35,37,38,42,43]总结了使用微观SLM/SLS处理金属材料的研究工作。值得注意的是，CW激光和脉冲激光在微观SLM系统中均有应用，而在传统SLM系统中，CW激光的应用突出。Regenfuss等[33]起初在激光微烧结装置中使用Q调脉冲激光，其有效原因如下：①提高部件分辨率；②减少残余应力；③减少氧化效应，可能由于气体或等离子膨胀产生屏蔽效应；④消除低压下基底部件黏附性差和材料升华等问题，这些问题通常在使用CW激光烧结亚微米级粉末时产生；⑤适合处理电介质。脉冲激光和CW激光相比，激光强度更大，能够产生窄而深的切口、冷冻喷射和扁平凹坑。但是脉冲激光的熔池不稳定，会导致表面光洁度差、轨迹不规整和球化现象。Ke等[47]

在激光微烧结平均粒径4 μm的镍（Ni）粉末实验中对CW激光和脉冲激光模式进行比较。实验发现，CW激光的球化现象比脉冲激光更加明显；等离子体的平坦效应和快速

6Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx冷却速率减少了后者的球化现象。而且，脉冲激光的润湿性更好。但是，脉冲激光产生的单条轨迹形成了波纹和沟槽，表面光洁度差。同样，Kniepkamp等[42]报道使用50 W光纤激光的脉冲模式表面光洁度差，出现不连续轨迹。Fischer等[31]选取了大量的激光功率和脉冲重复率数据进行测试，但是发现脉冲激光不能产生没有缺陷的均匀单轨迹。除了金属，微观SLS中的脉冲波激光还用陶瓷进行了测试，结果发现有效[48]。对陶瓷而言，使用Q调脉冲激光得到的分辨率比CW激光的高，因为脉冲激光不会聚集热量。尽管激光微烧结装置配合Q调脉冲激光能够成功烧结某些金属和陶瓷材料，但是在微观SLM中运用脉冲激光仍然存在局限性，如表面光洁度、熔池稳定性和缺陷。这些局限和传统SLM中CW激光的广泛应用可以解释为何本领域内最新的研究结果都是使用CW激光进行的。应该指出的是，人们对微观SLM的研究工作相当有限，这与人们对于传统宏观SLM领域的热衷不相符。对于传统SLM，文献中已广泛报道了各种工艺参数（如图3所示）对工艺特性的影响[13,23,25,27,49,50]。虽然微观SLM工艺参数预计会对工艺结果产生显著的影响，包括特征分辨率、缺陷、表面光洁度和微观结构，但是在文献中提到微观SLM参数研究的不多。Kniepkamp等[42]报道了在316L粉末的微观SLM过程中，随着激光功率的降低，某些部件特征的尺寸精度增加。Fischer等[31]在一系列扫描速度和激光功率下利用316L粉末的微观SLM研究了单轨和批量特征的形成，并确定了均匀表 1 用于微观制造的SLM/SLS技术文献综述SpecificationsAspect ratioLayer thickness (μm)Surface roughness (μm)Laser specificationsStructural resolution (μm)

< 30> 10NS< 3.5

Nd:YAG laser (CW)Power: 0.1–10 WFreq: 0.5–50 kHz25

W, Al, Cu, Ag0.3–10

Vacuum (10–3 Pa) or reduced shield gas pressures (104–105 Pa)Customized

轨道和密集立方体的制程窗口。Abele和Kniepkamp [41]研究了在316L粉末的微观SLM过程中，轮廓扫描策略、激光功率和扫描速度对垂直壁表面粗糙度和形貌的影响。在优化的曝光参数下，轮廓扫描降低了部件的垂直表面粗糙度。尽管做出了这些努力，但在以往对微观SLM/SLS的研究工作中，未对制造特征的力学性能、微观结构或残余应力分布进行报道。由于那些工作的重点主要是获取具有光滑表面的精细致密特征，因此仅报道了诸如特征分辨率、部件密度和表面光洁度等特征。通过传统SLM制造的大多数部件具有结构应用，其中力学性能和微观结构因素如晶粒形态和晶体结构是显著的。由于通过微观SLM制造的部件可能也对力学性能、残余应力和微观结构有要求，因此有必要理解该工艺的基本行为。SLM中微观结构的形成受到许多机制的影响，包括热传递、材料的热物理性质和相变[51]。凝固形式和由此产生的微观结构由熔化槽的温度梯度（G）和液-固界面速度（即凝固速率，R）控制，这通过凝固图（G对应R的图像）表示[21]。凝固形式有等轴枝晶型、柱状枝晶型、胞状晶型和平面状晶型。已经发现在SLM中经常观测到的微观结构是柱状晶，因为AM工艺通常在相邻层的熔化过程中经历快速加热、凝固和再加热[7,11,21,51]。SLM中柱状晶的形成主要可归因于沿构建方向的温度梯度较大[11]。SLM中产生的微观结构主要受激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺变量控制，虽然元素组成、构建方向、零件几何形状等因素也有影Regenfuss et al. [32]Streek et al. [35]15NS1–101.5–3.5

Nd:YAG laser (pulsed)

Gieseke et al. [37,38]< 5030:120 8

Fiber laser

Power: 25 W/50 W19.4

Fischer et al. [31,42]< 402627> 7.29

Pulsed laserPower: 30 W

Freq: 1 kHz–1 MHz30 SS 316L3.5

Argon

(O2 & H2O < 10 ppm)EOSINT μ60

Roberts and Tien [43]30NS55NS

Spot size (μm)Material

Powder particle size (μm)Environment