4.3　粒状物料成型类

4.3.1　三维打印（3DP）

4.3.1.1　工作原理

三维打印（3D Printing，3DP）是一种基于粉末床、喷头和石膏的三维打印技术（Powder bed and inkjet head 3D printing，PP），其工作方式与二维平面打印相似，都利用了喷射打印的技术，二维打印的喷头用于喷射墨水，而3DP的喷头用于喷射液态黏结剂。计算机软件将打印对象的3D数据“切割”为一层层截面的2D数据，传输到三维打印机，三维打印机根据截面的2D数据，控制喷头移动，在铺设好的粉末上方选择性地喷射黏结剂，将相应位置的粉末黏结在一起而形成第一层的截面。然后，活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已黏结的截面之上，喷头再根据数据进行新的一层的喷射打印，与前一层截面黏结，此过程逐层循环直至整个物体成型。由于未黏结的粉末可以起到支撑的作用，3DP无需额外的支撑结构就可以打印相当复杂的形状。

3DP技术于1993年由麻省理工学院的学者研发，1995年Z Corparation公司获得了排他性的使用许可。3D System于2012年收购了Z Corporation，继续生产基于3DP技术的3D打印设备和材料。

4.3.1.2　特点

1．3DP的主要优点

（1）打印速度快。3DP仅有黏结剂是通过喷头喷射，作为支撑材料的粉末全部是通过铺撒的方式放置，因此打印速度比FDM快很多。

（2）多打印头同时工作。可以同时打印多个物体，也可以同时打印物体的不同部分，提高了打印速度。

（3）色彩丰富。3DP是唯一具有24位全彩打印能力的打印技术，其着色原理与二维打印相同，通过C、M、Y、Clear等4种色彩的黏结剂按不同比例的混合而形成多种色彩。

（4）无需额外的支撑结构，可打印几何形状复杂的物体。

2．3DP的主要缺点

（1）设备价格相对较高。

（2）生胚强度不高。但是可通过浸渗等后处理工序进行加强。

4.3.1.3　主要厂商和设备情况

3DP技术的主要厂家为3D System公司，公司基本情况介绍可参考下文中光聚合成型部分。

4.3.1.4　应用

由于具有打印速度快、色彩丰富等优点，3DP可以用于工业设计创意模型、原理样机的制造，建筑、工程和施工中建筑模型的制造，也可以用于地球空间分析、教育、医疗等领域。

4.3.1.5　材料

3DP及时为三维粉末黏接，所用的材料主要涉及两方面，一是被黏结的粉末材料，二是黏接用的黏剂，下面分别介绍。

1．粉末材料

粉末材料主要作为产品的主体部分，根据构成成本不同主要分为陶瓷粉末、金属粉末和塑料粉末等。陶瓷粉末包括矾土、氧化锆等；金属粉末包括铝、钛合金、不锈钢等；塑料粉末则包括ABS、PLA、PP等。

2．黏剂

黏剂的作用是将粉末黏结起来，应该具有与粉末附着后快速黏合、较强的结合力、后处理过程中不被去除等特点。从大类上划分可分为有机黏剂和无机黏剂。

4.3.2　选择性激光烧结（SLS）

4.3.2.1　工作原理

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术的工作过程与3DP相似，都是基于粉末床进行的，区别在于3DP是用喷射黏结剂来黏结粉末，而SLS是利用红外激光烧结粉末。计算机将物体的三维数据转化为一层层截面的2D数据并传输给打印机，打印机控制激光在铺设好的粉末上方选择性地对粉末进行照射，激光能量被选区内的粉末吸收并转换为热能，加热到烧结温度的粉末颗粒间接触界面扩大、气孔缩小、致密化程度提高，然后冷却凝固变成致密、坚硬的烧结体，加工成当前层。然后，活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已烧结的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行加工，与前一层截面黏结，此过程逐层循环直至整个物体成型。

SLS技术在成型金属零件时，主要有以下几种方式：

采用两种以上不同熔点的金属粉末，通过熔化低熔点成分润湿并填充高熔点结构金属粉末颗粒间隙，将结构材料黏结起来烧结成金属零件；

通过激光熔化金属粉末颗粒的外层，而粉末颗粒的内部并没有熔化的方式，将粉末颗粒通过外层烧结黏结在一起；

采用高分子聚合物材料包裹高熔点的金属粉末，激光熔化聚合物材料以将金属粉末黏结起来获得原型件的方式，然后经过焙烧、熔浸低熔点金属液、热等静压等后处理工序进步制件的密度。

SLS技术最早由德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard和Joe Beaman开发并取得专利，他们创立了DTM公司进行基于SLS技术的3D打印设备的设计和生产。2001年，DTM被3D System收购。

4.3.2.2　特点

1．SLS的主要优点

（1）材料种类广泛。可使用的材料包括尼龙、聚苯乙烯等聚合物，铁、钛、合金等金属、陶瓷、覆膜砂等。

（2）成型效率高。由于SLS技术并不完全熔化粉末，而仅是将其烧结，因此制造速度比直接熔化的SLM更快。

（3）材料利用率高。在加工过程中，SLS可直接成型，不需要支撑材料，也不会出现废料，因此材料利用率特别高，几乎可以达到100%，这也在一定程度上降低了成本。

（4）生产周期短。在整个加工过程中都是数字化控制，成型时间也仅为几小时到几十小时，而且在加工过程中可随时做修正，生产周期较短。

（5）无需支撑材料。与其他需要支撑材料的工艺不同，SLS的工艺特点决定了在加工过程中不需要支撑材料，后处理较为简便。

（6）应用面广。由于几乎可以使用所有加热后黏度降低的粉末材料，因此SLS的应用范围较广，可用于制造原型设计模型、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。

2．SLS的主要缺点

SLS成型金属零件的原理是低熔点粉末黏结高熔点粉末，使得制件的孔隙度高，机械性能差，特别是延伸率很低，很少能够直接应用于功能零件的制造上。在烧结过程中会因粉末材料的融化而产生异味，而且由于SLS所用的材料差别较大，有时需要比较复杂的辅助工艺，如需要对原料进行长时间的预处理（加热）、造成完成后需要进行成品表面的粉末清理等。

4.3.2.3　主要厂商和设备情况

国际主要典型公司为3D System，前文已做介绍；国内典型公司为北京隆源，公司是国内最大的SLS技术提供商，公司全称为北京隆源自动成型系统有限公司，为三帝打印科技有限公司（3DP Technology，Inc.）控股子公司。成立于1994年，注册于中关村科技园区。自1994年研制成功第一台激光快速成型机开始，便倾力开发选区激光粉末烧结（SLS）快速成型机，同时致力快速原型的应用加工服务。它是我国最早开发、生产、销售激光选区粉末烧结快速成型机（工业级3D打印）的企业。公司于2002年通过了ISO 9001国际质量体系认证。2013年，三帝打印科技公司控股公司。

作为国内最大的3D打印（SLS）技术服务供应商，隆源成型通过拥有自主知识产权的3D打印设备及产品、全面的工艺及雄厚的技术实力为用户提供个性化的定制服务。隆源成型加工服务中心已为航空航天、汽车摩托车、泵业阀体等行业快速制造了大批量的异形复杂制件。迄今，公司已拥有近400家设备和加工服务用户，遍布航空航天、船舶、汽车制造、电子、铸造、医疗、文化艺术及研究院所和高校。

典型设备是3D System公司生产的ProX 500和sPro系列，主要适用于功能型热塑塑料。

主要性能指标如下：

（1）构建尺寸：550毫米×550毫米×750毫米（22英寸×22英寸×30英寸）；

（2）层厚：0.08～0.15毫米（0.003～0.006英寸）；

（3）体积构建速度：1.8升/小时（110立方英寸/小时）；

（4）扫描速度：6米/秒和12米/秒（240英寸/秒和480英寸/秒）；

（5）激光功率/类型：70瓦。

4.3.2.4　应用

由于机械性能不佳，SLS较少用于金属功能零件的制造，但是能够实现模型、样机的快速制作，也可以较高的建造速度用于非金属零件的小批量生产。能够应用于工业设计、航空航天、医疗用品、电子产品外壳等领域。

具体而言，SLS的应用可大体归纳为六个方面。

（1）快速原型制造。SLS工艺能够快速制造模型，从而缩短从设计到看到成品的时间，通过制造出的原型可以对最终产品进行分析和评价，从而提高最终产品的质量，同时也可以使客户更加快速、直观地看到最终产品的原型。

（2）新型材料的制备及研发。采用SLS工艺可以研制一些新兴的粉末颗粒以加强复合材料的强度。

（3）小批量、特殊零件的制造加工。当遇到一些小批量、特殊零件的制造需求时，利用传统方法制造往往成本较高，而利用SLS工艺可以快速有效地解决这个问题，从而降低成本。

（4）快速模具和工具制造。目前，随着工艺水平的提高，SLS制造的部分零件可以直接作为模具使用，经过后处理，甚至可以直接使用功能性零件。

（5）在逆向工程上的应用。利用三维扫描工艺等技术，可以利用SLS工艺在没有图纸和CAD模型的条件下按照原有零件进行加工，根据最终零件构造成原型的CAD模型，从而实现逆向工程应用。

（6）在医学上的应用。由于SLS工艺制造的零件具有一定的孔隙率，因此可以用于制造人工骨骼，已经有临床研究证明，这种人工骨骼的生物相容性较好。

4.3.2.5　材料

由于SLS原理的特点，该工艺可以采用任何加热时黏度降低的粉末材料，包括蜡、PC、尼龙、金属等，但对粉末的粒径有较为严格的要求，当粉末粒径为0.1毫米以下时，成型后的原型精度可达±1%。

相关文献资料研究结果显示，具体而言用于SLS工艺的材料有各类粉末，包括金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末，如尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸酯粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉（成型后常需进行再烧结及渗铜处理）、覆裹热凝树脂的细砂、覆蜡陶瓷粉和覆蜡金属粉等，SLS工艺采用的粉末粒度一般在50～125微米。间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：一种是黏结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定的比例机械混合；另一种则是把金属或陶瓷粉末放到黏结剂稀释液中，使其具有黏结剂包裹的金属或陶瓷粉末。为了提高原型的强度，用于SLS工艺的材料正渐渐地转向金属和陶瓷。

4.3.3　选择性激光熔化（SLM）/直接金属激光烧结成型（DMLS）

4.3.3.1　SLM工作原理

SLM的工作原理与SLS相似，都是将激光的能量转化为热能使金属粉末成型，其主要区别在于SLS在制造过程中，金属粉末并未完全熔化，而SLM在制造过程中，金属粉末加热到完全熔化后成型。计算机将物体的三维数据转化为一层层截面的2D数据并传输给打印机，打印机控制激光在铺设好的粉末上方选择性地对粉末进行照射，激光能量被粉末吸收并转换为热能，选区内的金属粉末加热到完全熔化后成型，加工成当前层。然后，活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已烧结的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行加工，与前一层截面黏结，此过程逐层循环直至整个物体成型。SLM的整个加工过程在惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下氧化。

4.3.3.2　SLM特点

1．SLM的主要优点

（1）成型的金属零件致密度高，可达90%以上，某几种金属材料成型后的致密度近乎100%；抗拉强度等机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平；显微维氏硬度可高于锻件。

（2）尺寸精度较高。

（3）与传统减材制造相比，可节约大量材料，对于较昂贵的金属材料而言，可节约一定成本。

2．SLM的主要缺点

（1）成型速度较低，为了提高加工精度，加工层较薄，加工小体积零件所用时间也较长，因此难以应用于大规模制造；

（2）设备稳定性、可重复性还需要提高；

（3）零件的表面粗糙度较高；

（4）熔化金属粉末需要大功率激光，能耗较高。

4.3.3.3　SLM主要厂商和设备情况

SLM技术的代表公司为德国的EOS GmbH Electro Optical Systems，公司自1989年在德国慕尼黑成立以来，一直致力雷射粉末烧结快速制造系统的研究开发与设备制造工作。EOS公司现在已经成为全球最大同时也是技术最领先的雷射粉末烧结快速成型系统的制造商，其所拥有的雷射烧结技术也正是e-Manufacturing的核心技术。

e-Manufacturing是由EOS公司所倡导的全新e制造整合服务，基于雷射粉末烧结成型技术的全新制造概念。从数位档直接进行快速的立体制作，达到弹性大、低成本的制造模式。这种制造方式能够符合从单件产品制造到大量生产的不同市场需求。

EOS雷射粉末烧结快速制造系统具有弹性、客制化与绿色制造的优点，适于应用在3C产品开发、航太产品、精密模具、样品打样、生医材料制造上。目前德国EOS公司在金属粉末雷射快速制造设备上为全球最顶尖供应商。

典型设备为EOS公司的EOSINT M 280，主要参数如下。

主要性能指标如下：

（1）构建尺寸：250毫米×250毫米×325毫米（9.85英寸×9.85英寸×12.8英寸）；

（2）层厚：0.03毫米/0.06毫米；

（3）扫描速度：最快7米/秒；

（4）激光功率/类型：Yb-fibre激光发射器，200瓦或400瓦。

4.3.3.4　SLM应用

由于能够实现较高的打印精度和足够的机械性能，SLM不仅可用于模型、样机的制造，也可用于复杂形状的金属零件的小批量生产，能够应用于航空航天、医疗用品等领域。

目前，SLM技术最令人瞩目的是在Elon Musk的SpaceX公司开发的新一代Dragon V2载人飞船的SuperDraco引擎的制造中的应用——SuperDraco引擎的燃烧室是使用EOS公司的SLM设备制造的。SuperDraco引擎的冷却道、喷射头、节流阀等结构的复杂程度非常高，3D打印很好地解决了复杂结构的制造问题。同时，SuperDraco是在6900kPa的高温高压环境下工作，而且作为一款在一次载人过程中多次点火的引擎，其重复使用次数和可靠性相当重要，SLM制造出的零件的强度、韧性、断裂强度等性能完全可以满足各种严苛的要求。

世界范围内，已经有多家成熟的设备制造商，包括德国EOS公司、德国MCP公司、Concept Laser公司等。EOS应用SLM技术的设备包括EOSINT M系列、EOS M系列、PRECIOUS M系列。

4.3.3.5　SLM材料

与SLS类似，可以用于SLM技术路径的粉末材料也比较广泛，一般可以将SLM技术路径使用的粉末材料分为三类，分别是混合粉末、预合金粉末、单质金属粉末。

（1）混合粉末。混合粉末由一定比例的不同粉末混合而成，在设计过程中需要考虑激光光斑大小对粉末粒度的要求。现有的研究表明，利用SLM成型的构件机械性能受致密度、成型均匀度的影响，而目前混合粉的致密度还有待提高。

（2）预合金粉末。根据成分不同，可以将预合金粉末分为镍基、钴基、钛基、铁基、钨基、铜基等，研究表明，预合金粉末材料制造的构件致密度可以超过95%。

（3）单质金属粉末。一般，单质金属粉末主要为金属钛，其成型性较好，致密度可达到98%。

4.3.3.6　DMLS工作原理

DMLS（Direct Metal Laser Sintering）又称金属激光烧结、金属直接表面烧结或者激光熔覆。其原理是通过在基材表面覆盖熔覆材料，利用激光使其与基材表面一起熔凝在一起的方法。

4.3.3.7　DMLS特点

1．DMLS的主要优点

（1）对基材改变较小。通过DMLS技术，对基材的热影响程度较小，引起的变形程度也较小。

（2）材料范围广。根据不同的基材，可以使用不同的粉末材料进行加工，可以用于不同用途。

（3）提高部件使用寿命。可对局部磨损或损伤的大型设备贵重零部件、模具进行修复，延长使用寿命。

（4）降低成本。可以快速修复受损部件，减少因设备损坏造成的停工时间，从而降低维护成本。

2．DMLS的主要缺点

存在的缺点基本与SLM路径相同，主要是成型速度慢、需要大功率激光设备等。

4.3.3.8　DMLS应用

DMLS主要用于受损零件的修复，下游行业主要涉及冶金、石化、船舶、电力、机械、液压、化工、模具等行业，可对大型转动设备重要零部件如轴、叶片、轮盘、曲轴、泵轴、齿轴以及模具、阀门等进行腐蚀、冲蚀和磨损后的激光熔覆修复。

4.3.3.9　DMLS材料

DMLS技术的材料主要包括自熔性合金粉末、碳化物复合粉末、自黏结复合粉末、氧化物陶瓷粉末等。

（1）自熔性合金粉末。主要特点是含硼和硅，具有自我脱氧和造渣的性能，因此这类粉末被称为自熔性合金粉末，可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金、铁基自熔合金。

（2）碳化物复合粉末。碳化物复合粉末是由碳化物硬质相与金属或合金作为黏结相所组成的粉末体系。这类粉末中的黏结相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，特别是经预合金化的碳化物复合粉末，能获得具有硬质合金性能的涂层。

（3）自黏结复合粉末。自黏结复合粉末是指在热喷涂过程中，由于粉末产生的放热反应能使涂层与基材表面形成良好结合的一类热喷涂材料，其最大的特点是具有工作粉和打底粉的双重功能。

（4）氧化物陶瓷粉末。氧化物陶瓷粉末具有优良的抗高温氧化能力，还有隔热、耐磨、耐蚀等性能，是一类重要的热喷涂材料，也是目前极受重视的激光熔覆材料。

4.3.4　电子束熔炼（EBM）

4.3.4.1　工作原理

电子束熔炼（Electron Beam Melting，EBM）也是一种金属增材制造技术。EBM的工作原理与SLM相似，都是将金属粉末完全熔化后成型。其主要区别在于SLM技术是使用激光来熔化金属粉末，而EBM技术是使用高能电子束来熔化金属粉末。计算机将物体的三维数据转化为一层层截面的2D数据并传输给打印机，打印机在铺设好的粉末上方选择性地向粉末发射电子束，电子的动能转换为热能，选区内的金属粉末加热到完全熔化后成型，加工成当前层。然后，活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已烧结的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行加工，与前一层截面黏结，此过程逐层循环直至整个物体成型。

EBM对零件的制造过程需要在高真空环境中进行，一方面是防止电子散射，另一方面是某些金属（如钛）在高温条件下会变得非常活泼，真空环境可以防止金属的氧化。

EBM技术最早由瑞典Arcam公司研发并取得专利。Arcam成立于1997年，专注于EBM设备的研发、制造，目前拥有超过50项相关专利。

4.3.4.2　特点

EBM技术同样具有SLM技术的致密度高、机械性能好、硬度高、尺寸精度较高、节约材料等优点。

1．与SLM相比，EBM技术的主要优点

（1）电子束的能量转换效率非常高（80%～90%），远高于激光（常用的CO₂激光器能量转换效率不足20%），能量密度更高，粉末材料熔化速度更快，因此可以得到更快的成型速度，且节省能源。

（2）高能量密度能够熔化熔点高达3400℃的金属。

（3）电子束的扫描速度远高于激光，因此在造型时一层一层扫描造型台整体进行预热以提高电子粉末的温度。经过预热的粉末在造型后残余应力较小，在特定形状的造型上会有优势，且无须热处理。

（4）EBM技术同样具有SLM技术的成型效率低，设备稳定性、可重复性低，表面粗糙度高等缺点。

2．与SLM相比，EBM技术的主要缺点

（1）由于EBM对粉末进行预热，金属粉末会“变成类似假烧结的状态”（略微凝固的状态），造型结束后，SLM的未造型粉末极易清除，而EBM的未造型粉末需要通过喷砂去除，但是复杂造型内部会有难以去除的问题；

（2）需要额外的系统以制造真空工作环境。

4.3.4.3　主要厂商和设备情况

瑞典Arcam公司成立于1997年，目前已经在斯德哥尔摩股票交易所上市，2003年3月公司第一台EBM S12机器上市，随后推出基于EBM技术的改进机型，目前在欧洲、亚洲、美洲等地设有分支机构，典型设备为Arcam公司的产品Q10、Q20、A2X等。

主要性能指标如下：

（1）构建尺寸：200毫米×200毫米×380毫米；

（2）层厚：0.05毫米；

（3）体积构建速度：55/80立方厘米/小时（Ti6Al4V材料）；

（4）扫描速度：最高8000米/秒；

（5）EBM功率：50～3000瓦（连续可变）。

4.3.4.4　应用

EBM可用于模型、样机的制造，也可用于复杂形状的金属零件的小批量生产。目前EBM主要应用于航空航天，如制造起落架部件和火箭发动机部件等，同时可应用于骨科植入物领域，目前已经有成功案例。

4.3.4.5　材料

EBM的材料多为金属材料，不同的应用领域对强度、弹性、硬度、热性能等要求有所区别，因此根据不同的用途需要进行调配，一般为多金属混合粉末合金材料，如目前主流的Ti6Al4V、钴铬合金、高温铜合金等。这些材料具有自己独有的一些特征，如高温铜合金具有高相对强度、潜在地用于高热焊剂的应用（可达到700℃）、极好地升高温度的强度、极好的热传导性、极好的抗蠕变性等特征。

4.3.5　选择性热烧结（SHS）

4.3.5.1　工作原理

选择性热烧结（Selective Heat Sintering，SHS）也是一种基于粉末床的增材制造技术，由丹麦Blueprinter公司开发，其工作过程与SLS有相似之处，区别在于SLS使用激光烧结粉末，SHS使用热敏打印头的热量烧结热敏性粉末。计算机将物体的三维数据转化为一层层截面的2D数据并传输给打印机，打印机控制热敏打印头在铺设好的粉末上方选择性地移动，打印头的热量将选区内的粉末加热至熔融温度以上，粉末融化并黏结在一起，加工成当前层。然后，活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已烧结的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行加工，与前一层截面黏结，此过程逐层循环直至整个物体成型。

4.3.5.2　特点

1．SHS的优点

（1）是一种低成本的3D打印技术，材料和设备价格相对低廉。

（2）与其他粉末床打印技术一样，无须额外的支撑结构，可打印几何形状复杂的物体。

（3）多打印头同时工作，可以打印复杂的几何形状。

2．SHS的缺点

（1）材料单一，仅包括热塑性尼龙粉末。

（2）成型精度低。

（3）成型速度慢。

4.3.5.3　主要厂商和设备情况

丹麦的Blueprinter公司是唯一应用该技术的厂商，公司成立于2009年，公司成立的宗旨是制造优惠和实用的适用于办公室环境的3D打印机。公司的专利技术SHS最早亮相于2011年的欧洲模具展，目前公司产品主要销售地为欧洲，正在拓展其他国家市场。

目前推出的主流设备型号为Blueprinter M3。

主要性能指标如下：

（1）构建尺寸：200毫米×157毫米×140毫米；

（2）层厚：0.1毫米；

（3）构建速度：2～3毫米/小时；

（4）解析度：0.1毫米。

4.3.5.4　应用

由于只能使用热敏性塑料粉末，因此采用SHS技术打印出的物件强度有限，只能用于创意模型、模具的打印，暂时不能用于功能件的打印。但与设计激光的3D打印机相比，该技术可以放置于办公室环境中，从而成为桌面级3D打印机，可以与FDM技术形成重要的桌面级打印机的技术来源。

4.3.5.5　材料

基于SHS的材料主要是热敏性材料，如尼龙等。针对不同的构件，尼龙粉末的粒径可能会有所不同，在打印结束后打印的最终部件会被未熔化的粉末所包围，因此需要进行后处理，这就要求材料要能够轻易去除。