粉末床融化（POWDER BED FUSION-PBF）過程

      有許多術語被用來描述基本相同的過程：通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，控制激光束或電子束選區熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。

     激光束或電子束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成型缸的基板上，激光束再按當前層的填充輪廓線選區熔化基板上的粉末，加工出當前層，然后成型缸下降一個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當前層上鋪好金屬粉末。設備調入下一層輪廓的數據進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發生反應。

許多人把這一技術稱為3D打印，但嚴格來說，這并不是這一技術的真正準確名稱，增材制造更為準確。

圖：顯示多個增材制造層的典型剖面，來源雷尼紹

     通過金屬增材制造工藝制造的零件通常被認為具有比砂型鑄造零件更好的材料性能，但通常達不到鍛造性能。原因是多方面的，也相當復雜。在大多數情況下，可以理解為一層一層融化金屬粉末的過程中使得具有不同的微觀結構與材料性能的金屬基體在熱影響區（HAZ）下進一步的差異化。這些成千上萬的微型焊接區域中包含更多的熱影響區。

針對PBF加工技術，ASTM正在出臺相關的標準。

圖：ASTM與ISO在現存的德國標準VDI3405基礎上發布FBF加工技術的標準，新標準計劃于2017年中完成。

由于激光或電子束快速熔化金屬粉末，然后快速固化，這一切發生在一個非常高的速度范圍內，由此產生的金相晶粒尺寸可以發生明顯的變化。通過調整許多工藝參數，最終對象機械性能的晶粒尺寸和微觀結構可實現一定程度的控制。

激光加工過程中，熔池的凝固行為對激光3D打印最終成形件的綜合性能具有至關重要的影響。凝固速率過慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強度；凝固速率過快易造成制件內部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導致制件使用過程中的提前失效。同時，伴隨凝固行為產生的殘余應力集中問題與制件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯系。國內在這一領域有著突出的研究。

圖：激光3D打印熔池橫截面SEM，來源：南京航空航天大學 

 常用合金粉末

     合金粉末最常用的是鈦合金Ti6Al4V或者叫Ti64，這種合金令人難以置信的多才多藝，通常用于許多行業，由于其高強度，可比鋼，但幾乎是鋼一半的重量，所以用途廣泛，成為最流行的合金之一。這種合金實際上主要有兩個檔次，更常見的是Grade 5級，和超低間隙Grade 23級。后者有更嚴格的控制氧和氮含量的要求。

ASTM F42所發布的關于鈦合金的各項標準對這種合金與應用領域的結合是非常有幫助的。

圖：現有ASTM 關于鈦與鋁的標準，可適用于增材制造

     由于每個設備供應商的系統操作起來都有自己的特點，而且Ti64的殘余應力是一個特別的問題。所以生產Ti64零件的過程不是那么簡單的設定好參數就可以完成的。值得注意的是，有許多不同的應力消除熱處理周期，每種周期將導致不同的機械性能。例如，雷尼紹在英國的醫療和牙科產品部門開發了一個定制的熱處理周期，提升了ELI合金的加工靈活性，目前他們將這一工藝加工的產品冠以X – Flex™的商標。

圖：Ti6Al4V力學性能比較表

當然其他的鈦金屬還包括工業純鈦Ti-CP、醫用鈦合金Ti7AI7Nb，和其他高溫或高強度鈦合金如Ti-6242。

     鋁合金的加工是另一門學問，將鋁合金加工工藝形成一整套體系的是美國Sintavia。Sintavia綜合制造能力使得F357鋁合金的制造更加快速，并且達到或超過行業的嚴格驗證參數要求。Sintavia獨家的鋁合金加工工藝是一整套的體系，不僅包括預構建材料分析，還包括后期熱處理和壓力消除，從而能夠生產出高達125%的設計強度，精密度達100%。通過常溫、高溫強度驗證，以及零度以下的溫度驗證，Sintavia能夠快速生產出滿足要求的鋁件。

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