微觀選擇性激光熔化技術發展的現狀及未來展望

編者按

增材制造是對傳統制造方法的巨大變革，爲制造産業提供了一種全新的制造模式，在醫療、航空、航天、汽車、建築、國防、消費領域具有廣泛應用。從上世紀80年代嶄露頭角以來，增材制造技術的快速發展爲金屬制造開辟了新的領域。近年來，微觀尺度和納米尺度的增材制造引起了人們的關注。

中國工程院院刊《Engineering》2019年第4期刊發《微觀選擇性激光熔化技術發展的現狀及未來展望》，系統地回顧了選擇性激光熔化技術在金屬材料上實現微尺度特征的應用，綜合評價了利用選擇性激光熔化和選擇性激光燒結制造微尺度零件的各種研究工作和商業系統，詳細闡述了選擇性激光熔化未來的發展方向。

一、引言

近年來，人們對微制造技術的需求不斷增加，以此來滿足不同行業的發展需求，這些行業包括電子學、醫學、汽車、生物技術、能源、通信和光學。許多産品和部件，包括微制動器、微機械裝置、傳感器和探針、微流控元件、醫用植入設備、微轉換器、光學器件、存儲芯片、微電機、磁性硬盤磁頭、計算機處理器、噴墨打印頭、引腳、電子連接器、微型燃料電池，以及最重要的微機電系統（MEMS）設備，都是通過微加工技術制造的。

微觀尺度制造過程通常可分爲基于MEMS的（或基于光刻的）和基于非MEMS的（或非光刻的）過程。金屬材料在微部件中的應用取得了顯著的進展，很大程度上是由于它們在力學性能和電氣性能方面的適用性（即強度、延展性、電導率等）。微制造中的金屬的加工處理通常通過基于非光刻的技術來實現，如機械加工、成形和接合。傳統的微制造方法具有以下一個或多個限制：難以制造形狀複雜的原件、材料限制、工具相關問題、無法執行真實的三維（3D）制造等。

增材制造（AM）技術在過去20年中的發展爲金屬制造開辟了新的領域，因爲AM能夠制造出任何形狀複雜的元件。AM將粉末或線材原料以一種逐層的方式整合成最終産品。AM流程首先對所需部件進行3D建模，然後將其切片成不同的二維（2D）層。隨後沉積原料，並利用一種能源選擇性地增加每一層。

AM技術通常可分爲七大類：材料擠壓、光聚合、材料噴射、黏結劑噴射、層壓、定向能量沉積（DED）和粉床熔融（PBF）。

材料擠壓、光聚合、材料噴射一般應用于非金屬材料；層壓可以加工金屬，其基礎是對金屬片進行精密切片，然後再用鍵合、焊接或超聲波加固進行堆垛；

然而，黏結劑噴射、DED和PBF被認爲是處理金屬最合適的工藝。黏結劑噴射的作用是在金屬粉末上沉積黏結劑，然後固化成“綠色”部分。最後一部分是通過用另一種材料或同一種金屬的納米粒子的可選滲透劑燒結綠色部分實現的。強制熱處理和高孔隙率是黏結劑噴射工藝的常見限制，因爲它們阻礙了其在微觀尺度上的應用能力。

DED也被稱爲激光熔覆、激光金屬沉積（LMD）及激光工程化淨成形技術（LENS），它是另一種用于制造金屬部件的重要AM工藝。在DED中，原料被直接沉積到熔池中，熔池是由集中的能源制造的。原料可以是粉末或線材，其中供給粉末的DED通常具有比供給線材的DED更高的分辨率。由于DED只産生近淨成形，因此需要進一步的處理。

PBF通常用于制造需要良好表面光潔度的小部件，因爲PBF比DED顯示出更好的分辨率。PBF通常具有較小的熔體池和層厚度，因此能制造出更好的分辨率和表面光潔度。PBF工藝涉及利用能源對一層粉末進行選擇性熔化或燒結。電子束和激光束是用于PBF過程的兩種主要能源，即依次爲電子束熔化（EBM）和選擇性激光熔化（SLM）/選擇性激光燒結（SLS）。此外，SLM能夠生産具有與傳統制造工藝相似的力學性能的部件。

盡管金屬AM已經在生物醫學和航空航天領域的各種應用中商業化（其中也包括航空航天部件的生産和維修），但是AM的應用被限制在大尺度和中尺度的制備。應用于微米級制造的AM技術是近期開發的，用于在包括陶瓷、聚合物和金屬在內的各種材料上生産3D微特征。下面一節將重點介紹以往制造金屬微部件的AM方法。

二、微型金屬 AM

近幾年來，微觀尺度和納米尺度的AM引起了人們的關注，從相應技術的綜述論文的出現就可以看出。

Engstrom等發表了關于納米增材制造（ANM）技術的綜述文章，該技術使用各種材料（包括金屬、聚合物和有機分子）生産分辨率低于100 nm的最終部件。Hirt等的研究專注于金屬的微AM技術，分爲金屬轉移技術和原位合成技術。他們定義了微AM技術的基准特征大小爲10 μm。Vaezi等將3D微AM技術分爲兩個主要類別，即3D直接寫入和可縮放AM，如圖1所示，3D直接寫入包括基于油墨的噴嘴分配和氣溶膠噴射技術、激光傳輸技術以及光束沉積方法，如激光化學氣相沉積（LCVD）、聚焦離子束（FIB）寫入和電子束（EB）寫入。盡管直接寫入過程典型地具有適合于納米級制造的高分辨率，但是處理過程極其複雜和緩慢。在可伸縮AM技術範疇內，盡管受到材料選擇的限制，微型立體印刷術（MSL）因其高分辨率和可重複性而一直被視爲最成功的微AM技術。熔融沉積建模（FDM）和目標分層制造（LOM）技術在金屬加工方面存在困難，此外它們在獲得較高的特征分辨率方面也存在局限性。雖然金屬油墨已被用于噴墨打印，這種方法仍然嚴格限制于非金屬。3D打印（3DP）/黏結劑噴射打印（BJP）在多材料打印和冷加工方面有著很好的應用前景，但印刷部件的孔隙率通常很高。

由于有能力制造真正的高分辨率3D微部件，對于沒有任何樹脂（如在MSL中）或黏合劑（如在3DP或BJP中）的金屬加工，SLM和SLS（即采用激光的基于粉末層的逐層熔化或燒結）已經顯示出潛力。大量關于在宏觀尺度加工中應用SLM和SLS的現有知識可用來將該技術縮小到微觀尺度。本文專注于SLM和SLS進行微尺度特征的制作。SLM與SLS的區別在于熔化程度。SLM可實現粉末的完全熔化，而SLS僅能達到粉末的燒結狀態或部分熔化。除了粉末顆粒的全部或部分熔化外，SLM和SLS在工藝設置和機制方面沒有差異。因此，爲了比較工藝構件和工藝參數，本文認爲SLM和SLS是一致的。文章後面部分對粉末重塗系統和混合處理的討論也可用于其他PBF技術的小型化。

三、選擇性激光熔化

圖2展示了SLM流程設置的示意圖。在SLM和SLS中，首先在建築基板上鋪一層粉末。激光束根據所需的幾何形狀熔化或燒結粉末。然後再將下一層粉末覆蓋在固化部分上，再進行激光熔化/燒結。由于激光源與粉末的相互作用時間短，SLM過程中的加熱和冷卻速率很高。由于所形成的熔體池幾何形狀顯著地影響微觀結構特征，所以加工零件的力學性能與常規工藝的力學性能不同。關于SLM的工藝機制的詳細報告見參考文獻[6,7,21]。由于所涉及的複雜系統和機制，SLM部件的最終質量受到大量工藝參數的影響。

圖2 SLM工藝示意圖

SLM工藝參數根據性質可大致分爲粉末相關、激光相關和粉床相關變量，如圖3所示。大多數粉末相關的工藝參數，如化學組成、顆粒的尺寸和形狀以及表面形態，都是實際生産環境中的不變量。與影響SLM過程的激光系統有關的參數包括激光類型[即連續波（CW）或脈沖]、激光功率和光斑大小。掃描參數（如掃描策略、圖案間距和掃描速度）顯著影響SLM建立的部件特性。SLM工藝參數的第三種分類是粉床特性。在大多數粉床工藝中，粉末是通過耙式機構添加到建築平台上的，這也被稱爲重塗。送粉系統的效率受多個參數的影響，包括重塗機的類型、重塗的送粉次數、每次送粉過程中回收的粉量以及至關重要的粉末性質。重塗層的厚度是控制部件性能的重要工藝參數之一。層厚、粒度分布（PSD）和激光參數影響激光與材料的相互作用，從而影響熔池的特性。

圖3 SLM工藝參數總結

使用SLM制造的AM組件的特性通常根據應用程序的不同，通過多個過程結果進行評估。圖4總結了SLM制件的一些重要特征。與任何常規工藝一樣，爲了評估最終制造部件的質量，從而評估SLM過程，對其特征分辨率、表面光潔度、力學性能和微觀結構進行了表征。圖5說明了在SLM中可能會發生的缺陷。缺陷的形成本質上取決于工藝變量，爲了制造無缺陷部件，需要對其進行優化。關于AM過程中的缺陷的詳細報告可在其他文章中獲得。

圖4 SLM工藝輸出特性概要

圖5 典型的SLM工藝缺陷

四、微觀選擇性激光熔化

商用SLM系統通常采用粒徑爲20~50 µm的粉末顆粒，塗層厚度爲20~100 µm。爲了使傳統SLM的應用更加精確，提高特征分辨率，作者主要從三個方面開展研究：激光束直徑、塗層厚度和顆粒大小（如圖6所示）。Fischer等將微觀SLM的範圍定義如下：激光束直徑小于40 µm，塗層厚度小于10 µm，顆粒尺寸小于10 µm。

圖6 微觀SLM的特征要求

（一）現有技術水平

十余年前，一家名爲“Mittelsachsen”的激光研究所使用Q調摻钕雜钇鋁石榴石（Nd:YAG）激光（0.5~2 kW）制造了首個微觀SLS系統，即激光微燒結。該系統涉及一項特殊的耙動步驟，首先施加一層厚粉末，再從相反的方向不斷剪切以得到薄層。爲了確保塗層厚度的精度達到亞微米級，撒粉器和建模平台的分辨率達到0.1 µm。通過這種方法制造的微部件結構分辨率小于30 µm，縱橫比大于10，表面粗糙度爲5 µm。如圖7所示，研究測試了鎢（W）、鋁（Al）、銅（Cu）、銀（Ag）等多種金屬。圖7（a）展示了此設備用300 nm鎢粉得到的初始特征之一。雖然粉末在10–3 Pa的真空條件下耙動更好，但是耙動後的粉床密度（powder-bed density，PBD）仍在15%左右。鎢銅粉末混合物燒結後可得到90%的最大部件密度。

圖7 激光微燒結制造微觀特征。（a）由鎢粉（300 nm）制成的燒結實驗結構；（b）三個嵌套的空心球；（c）同心環；（d）多種材料（Cu和Ag）的激光燒結。（a）和（b）經Emerald Group Publishing Limited, © 2007許可摘自參考文獻；（b）經WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, © 2007許可摘自參考文獻；（c）經Emerald Group Publishing Limited, © 2005許可摘自參考文獻

該研究團隊還開發了一款改進後的系統，配備兩個橫截面呈圓形的耙子，用于鋪開粉末。圖7（b）~（d）展示了用改進設備制造的不同的特征形狀。兩款設備的不同之處在于粉末重塗機制，新款的耙子在粉末儲存器和建模平台之間以圓周運動穿行。具有鋒利邊緣的金屬圓柱體用作耙刀。配備兩個耙子的設計能夠利用多種材料制造部件，或使部件的晶粒尺寸隨部件厚度梯度變化，如圖7（d）所示。除耙動之外，重塗系統還可通過壓力手動壓實粉末。這種獨特裝置能夠通過激光微燒結生産各種金屬的微部件，包括鎢、鋁、銅、銀、316L、钼（Mo）、钛（Ti）和80Ni20Cr。不斷改進工藝特性之後，金屬的激光微燒結的最小分辨率爲15 µm，表面粗糙度爲1.5 µm。據報道，氧化陶瓷和合金的最大部件密度可達98%和95%。

2013年，Gieseke等開發出一款微觀SLM系統，用于生産美國鋼鐵協會（AISI）的316L空心微針，其最小壁厚爲50 µm。爲了呈現精細特征，激光光斑直徑縮小至19.4 µm。爲了生産內徑爲160 µm、層厚爲20 µm的針，研究人員采用了粒徑爲5~25 µm的粉末。盡管光斑和粉末的尺寸都十分精細，但是生産的部件表面粗糙度仍然不佳（Ra ≈ 8 µm）。細粉的團聚會造成粉末擴散不均勻，這一原因可以解釋光潔度不佳的結果。由于高能量輸入，牆上明顯出現粉末黏附現象。雖然部分支柱失效，但也産生了更複雜的螺旋形狀，其最小支柱直徑爲60 µm。隨後Gieseke的研究團隊使用形狀記憶合金（Ni-Ti）制造部件，如圖8（a）所示，在較低的激光功率和較高的掃描速度下分辨率爲50 µm。Yadroitsev和Bertrand使用PM 100商業系統來制造由不鏽鋼（SS）904L制成的微流體系統，如圖8（b）所示，光斑直徑和層厚分別爲70 µm和5 µm。他們還制造了100~150 µm的正常運行部件，其中結構原件爲20 µm。值得注意的是，此處的光斑直徑仍然很大，表面粗糙度很差。

2014年，Fischer等使用EOSINT µ60系統研究微觀SLM的工藝參數。最小粗糙度和最大特征分辨率分別達到7.3 µm和57 µm。立方結構的SLM的最大相對密度可達99.32%。盡管所使用的粉末相對較細，粒徑爲3.5 µm，但是取得的分辨率無法滿足微部件的尺寸規格。Abele和Kniepkamp使用輪廓掃描策略進一步改善了由微觀SLM制造的部件的表面質量，沿壁構建方向上的最小表面粗糙度達1.69 µm。Kniepkamp等還使用參數優化來制造微觀SLM部件，頂部表面粗糙度小于1 µm。最近，Robert和Tien使用微觀SLS制造SS微電極陣列，其垂直和橫向分辨率分別爲5 µm和30 µm。

微觀AM的最新研究成果來自得克薩斯大學奧斯汀分校，其微觀SLS系統由一個超快激光器、一個基于微鏡的光學系統、基板加熱和一個精確的重塗系統組成，特征分辨率可達1 µm。他們對典型SLS系統做出三項重要修改：

• 采用全新的塗布機設計，結合精密的刀片和滾輪。滾輪裝有線性音圈致動器，以提供極低幅度的高頻振動。這一全新設置能利用振動壓實粉末，得到幾微米的薄層。

• SLM機器中常用的檢流鏡在本裝置中替換爲數字微鏡器件（DMD），以提高系統吞吐量。

• 裝置中添加了額外的聚焦光學器件以實現1 µm的光斑。此外，裝置還采用一款線性致動系統，將粉床分辨率提高至幾十納米。

雖然研究者在SLS系統中加入振動滾輪作爲粉末塗布機，但是粉末顆粒團聚現象仍然存在。研究者對微觀SLS系統進行了兩項修改：①將幹燥粉末替換爲納米墨水；②將顆粒分配機制由傳統的刀片/滾輪改爲槽模塗布或旋塗技術。在改進的裝置中，微觀SLS系統增加了靈活性好的槽模塗布機制。通過精確計量和可控分配，槽模塗布所沉積的塗層厚度在20~150 µm之間。此外，系統配備了使用音圈致動器的精確的納米定位台來保證精度。然而，該系統只適用于漿料或墨水，因爲細小的幹燥粉末會受到範德華力産生團聚。

表1總結了使用微觀SLM/SLS處理金屬材料的研究工作。值得注意的是，CW激光和脈沖激光在微觀SLM系統中均有應用，而在傳統SLM系統中，CW激光的應用突出。Regenfuss等起初在激光微燒結裝置中使用Q調脈沖激光，其有效原因如下：①提高部件分辨率；②減少殘余應力；③減少氧化效應，可能由于氣體或等離子膨脹産生屏蔽效應；④消除低壓下基底部件黏附性差和材料升華等問題，這些問題通常在使用CW激光燒結亞微米級粉末時産生；⑤適合處理電介質。脈沖激光和CW激光相比，激光強度更大，能夠産生窄而深的切口、冷凍噴射和扁平凹坑。但是脈沖激光的熔池不穩定，會導致表面光潔度差、軌迹不規整和球化現象。

Ke等在激光微燒結平均粒徑4 µm的鎳（Ni）粉末實驗中對CW激光和脈沖激光模式進行比較。實驗發現，CW激光的球化現象比脈沖激光更加明顯；等離子體的平坦效應和快速冷卻速率減少了後者的球化現象。而且，脈沖激光的潤濕性更好。但是，脈沖激光産生的單條軌迹形成了波紋和溝槽，表面光潔度差。同樣，Kniepkamp等報道使用50 W光纖激光的脈沖模式表面光潔度差，出現不連續軌迹。Fischer等選取了大量的激光功率和脈沖重複率數據進行測試，但是發現脈沖激光不能産生沒有缺陷的均勻單軌迹。除了金屬，微觀SLS中的脈沖波激光還用陶瓷進行了測試，結果發現有效。對陶瓷而言，使用Q調脈沖激光得到的分辨率比CW激光的高，因爲脈沖激光不會聚集熱量。盡管激光微燒結裝置配合Q調脈沖激光能夠成功燒結某些金屬和陶瓷材料，但是在微觀SLM中運用脈沖激光仍然存在局限性，如表面光潔度、熔池穩定性和缺陷。這些局限和傳統SLM中CW激光的廣泛應用可以解釋爲何本領域內最新的研究結果都是使用CW激光進行的。

表1 用于微觀制造的SLM/SLS技術文獻綜述

NS: Not specified. D90 : the diameter of the particle that 90% of the particle distribution is below this value.

應該指出的是，人們對微觀SLM的研究工作相當有限，這與人們對于傳統宏觀SLM領域的熱衷不相符。對于傳統SLM，文獻中已廣泛報道了各種工藝參數（如圖3所示）對工藝特性的影響。雖然微觀SLM工藝參數預計會對工藝結果産生顯著的影響，包括特征分辨率、缺陷、表面光潔度和微觀結構，但是在文獻中提到微觀SLM參數研究的不多。Kniepkamp等報道了在316L粉末的微觀SLM過程中，隨著激光功率的降低，某些部件特征的尺寸精度增加。Fischer等在一系列掃描速度和激光功率下利用316L粉末的微觀SLM研究了單軌和批量特征的形成，並確定了均勻軌道和密集立方體的制程窗口。Abele和Kniepkamp研究了在316L粉末的微觀SLM過程中，輪廓掃描策略、激光功率和掃描速度對垂直壁表面粗糙度和形貌的影響。在優化的曝光參數下，輪廓掃描降低了部件的垂直表面粗糙度。盡管做出了這些努力，但在以往對微觀SLM/SLS的研究工作中，未對制造特征的力學性能、微觀結構或殘余應力分布進行報道。由于那些工作的重點主要是獲取具有光滑表面的精細致密特征，因此僅報道了諸如特征分辨率、部件密度和表面光潔度等特征。通過傳統SLM制造的大多數部件具有結構應用，其中力學性能和微觀結構因素如晶粒形態和晶體結構是顯著的。由于通過微觀SLM制造的部件可能也對力學性能、殘余應力和微觀結構有要求，因此有必要理解該工藝的基本行爲。

SLM中微觀結構的形成受到許多機制的影響，包括熱傳遞、材料的熱物理性質和相變。凝固形式和由此産生的微觀結構由熔化槽的溫度梯度（G）和液-固界面速度（即凝固速率，R）控制，這通過凝固圖（G對應R的圖像）表示。凝固形式有等軸枝晶型、柱狀枝晶型、胞狀晶型和平面狀晶型。已經發現在SLM中經常觀測到的微觀結構是柱狀晶，因爲AM工藝通常在相鄰層的熔化過程中經曆快速加熱、凝固和再加熱。SLM中柱狀晶的形成主要可歸因于沿構建方向的溫度梯度較大。SLM中産生的微觀結構主要受激光功率、掃描速度和掃描策略等工藝變量控制，雖然元素組成、構建方向、零件幾何形狀等因素也有影響。

盡管已有大量文獻對傳統SLM産生的微觀結構進行了研究，但對微觀SLM的研究還沒有類似的報道。最近，人們嘗試通過在諸如EBM和SLM的PBF過程中使用光束散焦來研究激光光斑直徑（見4.2節）的影響。Al-Bermani報道了在SS的EBM過程中，通過改變聚焦偏移使電子束散焦顯著影響熔池形態。Phan等使用钴（Co）基合金EBM中窄聚焦束的類似方法，致使水平枝晶限制了典型柱狀枝晶的生長。McLouth等研究了IN718 SLM時激光光束的聚焦位移，發現由于更高的功率密度，光斑尺寸越小，産生的微觀結構越精細，等軸結構越好。在我們最近對316L粉末單向形成的微觀SLM研究中，由于我們研究的激光光斑尺寸精細，所觀察到的“雙峰”表面的熔池形態與宏觀SLM中單向形成的熔池形態有較大差異。上述關于散焦影響的研究表明激光光斑直徑大小可能在微觀SLM的工藝特性中具有重要的作用。由于微觀SLM中光斑尺寸較小，層厚較小，粉體較細，預計其微觀組織形成與傳統SLM不同。此外，由于微觀SLM具有細小的光斑尺寸，溫度梯度和凝固速率預計會更大，這可能會導致更快的冷卻速率，從而得到更精細的枝晶。然而，預測微觀SLM的微觀結構很難，因爲它取決于許多涉及複雜機制的因素。通過許多研究，我們已經能夠得知利用傳統SLM方法制備的部件的力學性能，包括它的材料硬度、抗拉力和疲勞性能。但是，文獻中幾乎沒有研究過微觀SLM部件的力學性能。力學性能通常受缺陷、微觀結構、殘余應力和隨後熱處理的影響。

根據已發表的與SLM和PBF有關的綜述，通常使用以下熱處理後處理方法：應力消除、老化、固溶處理和熱等靜壓（HIP）。熱處理的目的是爲了減少或消除瑕疵，控制微觀結構，改善性能，以及減輕殘余應力。HIP通常用來封閉內部孔隙和裂紋，重結晶將微觀結構細化爲等軸細晶粒，老化則控制沉澱形成。由于SLM産生的微觀結構不同于傳統工藝形成的微觀結構，因此熱處理方法也不同。如前所述，超細小的光斑尺寸可能會導致微觀SLM與傳統SLM形成不同的微觀結構。通過適當的熱處理，有望控制微觀結構，同時改善力學性能。由于SLM部件的後期熱處理取決于許多因素，包括初始微觀結構、缺陷、殘余應力、元素組成和期望的輸出特性，所以爲微觀SLM預測合適的熱處理具有挑戰性。因此，未來對微觀SLM熱處理的研究將會非常有價值，因爲它們將會爲拓寬相關應用帶來重大機遇。但是，首先有必要了解各種材料的微觀SLM所産生的微觀結構特征，如晶粒形態和相的形成，以確定最佳的後期熱處理。

表2在構建體積、可實現的層厚度、激光規格、激光光斑大小、重塗系統、加工材料等方面比較了用于微制造技術的商用AM系統的各種特性。第一個微觀SLS商用系統是建立在一項基于激光微燒結技術的專利之上的。一家由3D-Micromac AG 和EOS GmbH 成立的名爲3D MicroPrint GmbH的公司將微觀SLS工藝商業化爲“EOSINT μ60”，這家公司專門開發用于金屬精密加工的微觀SLS系統。從表2可以看出，現有的商用系統的激光光斑直徑大于或等于20 µm。應該注意的是，爲了制造精密的部件，今後我們必須盡可能減小激光光斑尺寸。由于SLM/SLS工藝以逐層的方式構建部件，因此有必使層厚度盡可能小，以降低特征分辨率。除EOSINT μ60之外，其他現有的微觀SLS系統通常産生10~50 µm的層厚度，不能用于實現亞微米規模的微觀特征。盡管人們致力于使用不同的重塗系統，商用體系依然都采用葉片或者滾輪系統，這和宏觀SLM系統類似。減少層厚度的能力與所使用粉末的粒徑相關聯，傳統的SLM/SLS通常使用直徑爲20~50 µm的粉末，而微SLS工藝則需要直徑遠小于10 µm的微粒。

表2 用于微制造技術的商用AM系統標杆

最近，新加坡制造技術研究所（SIMTech）的研究者開發了一種內部微觀SLM系統[圖9（a）]，具有精細的激光光斑尺寸和一種能夠處理精細粉末的新型粉末重塗系統。使用SS 316L粉末（D50 ≈10 µm，其中D50 是微粒的直徑，50%的微粒直徑分布在該值以下）的初始實驗結果證明開發的微觀SLM系統能生産具有良好表面光潔度的微觀特征。通過改變激光功率、掃描策略、掃描速度和孵化密度，對這個系統進行了各種實驗驗證。圖9（b）顯示了使用微觀SLM系統制作的各種特征，其工藝參數如下：層厚度爲10 µm，光斑直徑爲15 µm，激光功率爲50 W，掃描速度爲800~1400 mm·s−1 ，孵化間距爲10 µm。目前，可以實現的最小特征尺寸爲60 µm，最小表面粗糙度（Ra ）爲1.3 µm，而該系統能夠處理亞微米和納米級粉末以産生1 µm的層厚度。隨著層厚和粉末粒度的進一步減小，使用該研發系統可以獲得更精細的特征分辨率（< 15 µm）和小于1 µm的表面粗糙度。

圖9 （a）SIMTech開發的微觀SLM系統；（b）使用微觀SLM制作的各種特征；（c）特征頂面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

從傳統SLM按比例縮小到微觀SLM需要考慮某些注意事項，可以分類爲：①設備相關的；②工藝相關的和③後處理因素。大多數工藝機制和工藝參數的影響都可以在不同尺寸的SLM中得到。精細的光斑尺寸和微粒尺寸自然會減小層厚度和孵化間距，導致工藝周期時間的增加。Regenfuss等的文章提到，當層厚度和粒度降低一個數量級時，激光微燒結打印相同組件的加工時間增加了12倍。在微觀尺寸上應用精細光斑，功率密度將大大提高。因此，通過使用更小的激光功率和（或）更快的掃描，可以提高工藝産量。支撐結構設計是微觀SLM的另一個關注點，因爲移除結構很困難，可能會影響零件的尺寸。同樣，在高深寬比薄壁的情況下，特別是當建築支撐結構困難時，預熱可能是一個問題。

與設備相關的縮放比例因素包括建築平台、光學系統、粉末重塗、粉末處理和粉末回收。對于微觀SLM系統，建築平台的尺寸和整個設備的占地面積都較小。爲了滿足實現精細光斑尺寸的主要要求之一，必須對光學單元進行修改，這將在第4.2節中描述。微觀SLM的另一個重要要求是得到更小的層厚，這可以通過用于粉末分配和建築平台的精密驅動來實現。與按比例縮小尺寸有關的主要設備問題是需要使用亞微米級甚至納米級的細粉。由于細小的納米顆粒暴露在環境中會帶來安全和健康危害，因此建議盡量減少人工處理這些粉末。對于任何SLM機器來說，爲建築室提供一個緊密的封閉空間是非常必要的。粉末粒度和重塗系統的影響將分別在第4.3和4.4節中討論。後處理差異包括對AM部件上進行的表面處理和熱處理。對薄的微部件進行熱處理可能會導致零件變形。粉末黏附于牆體在SLM中是一種常見的現象，這需要在印刷後進行進一步精加工。在微尺度上，薄壁的加工是不可能的。正如Gieseke等所觀察到的，非接觸式精加工如電抛光也可能是無效的。因此，有必要制造表面和沿壁表面光潔度均良好的零件，而不是依靠二次處理。第5節詳細討論了表面處理效果。

（二）激光光斑

激光束直徑是影響特征分辨率的最重要參數之一。激光交點處的光斑尺寸最小，常被用于AM工藝，因爲功率密度在這個焦點能被最大化。PBF工藝使用直徑在50~100 µm範圍內的激光束，而DED工藝使用大小處于毫米級的斑點。Ma等研究了通過激光熔覆工藝（LCD）和SLM工藝制造的SS 316L所表現的金屬熔融情況的差異，其中，LCD工藝的光斑尺寸（> 1 mm）遠大于SLM工藝（0.12~0.15 mm）。SLM工藝下熔池的深寬比、冷卻速率更高，主蜂窩臂間距更小，顆粒縱橫比更低，顯微硬度、強度更高。雖然通過本研究很難將SLM工藝的表現歸因于光束直徑，但這項研究爲後續研究提供了一些方向，表明光斑尺寸的變化會産生的不同的能量輸入及凝固速率，並在熔體池和微觀結構方面産生差異。Liu等使用SS 316L粉末研究了激光束直徑在SLM工藝下的影響。當光束直徑從48 µm減小到26 µm時，工藝在部件密度、表面光潔度和力學性能方面都得到了改進。Makoana等使用兩種應用不同的光束直徑（80 µm和240 µm）的系統來研究基于激光的PBF工藝中光斑尺寸增大的影響。爲了研究光束直徑的影響，功率密度保持恒定。研究發現較小的光束直徑和較小的激光功率會産生較窄和較淺的熔池，並導致較小的填充間距和層厚度。

Helmer等通過改變激光焦點研究了激光光斑大小在EBM工藝中的影響。結果表明，對應于聚焦（400 µm）和散焦光束（500 µm）的不同光斑尺寸下的熔池幾何形狀和微觀結構存在顯著差異。McLouth等最近的一篇論文將改變激光焦點的分析擴展到SLM工藝。與使用散焦光束制造的樣品相比，在激光焦點處制造的IN718樣品具有更精細的微結構。這種行爲被歸因于較小光斑尺寸導致的較高功率密度。一篇關于激光焦點偏移對孔隙率、表面粗糙度和拉伸強度的影響的同時期研究揭示了在焦點偏移下建構部件性能發生的顯著變化。研究觀察到從負偏移（–2 mm）處的熔合不足到由于在正偏移（+3 mm）處的過多能量而形成的鎖孔結構等不同的熔體行爲。能量輸入的變化以及焦點偏移和光斑尺寸與光束呈高斯分布的發散相對應。然而，研究也注意到最佳焦點偏移以及光斑尺寸與掃描速度和激光功率相關。對類似工藝（即激光焊接）的研究強調了由于功率密度的增加，更小的激光光斑大小通過實現更快的焊接速度或更深的穿透對改善焊接性能産生的作用。

盡管已經對SLM工藝進行了廣泛的研究，但值得注意的是，對于光斑尺寸對工藝表現的影響的研究，特別是在特征分辨率上的研究是非常稀缺的。從表1中可以看出，微SLM系統的光斑尺寸在20~30 µm的範圍內，而相應的最小特征分辨率與光斑尺寸相似或略大。與之類似，商業微SLM系統具有大于20 µm的激光光斑尺寸（表2）。爲了實現精細的微觀特征，有必要實現更精細的激光束光斑尺寸。DebRoy等強調需要通過小光斑尺寸和低功率來實現更精細的零件分辨率。光斑尺寸通常可以由光纖纖芯直徑、聚焦透鏡和准直透鏡構成函數表示。通過適當的光學設計，減小激光光斑尺寸非常簡單。SLM工藝中的光學系統通常由准直器、光束整形器、掃描儀和作爲物鏡的F-θ透鏡組成。傳統和微觀SLM機器中的掃描系統通常使用由兩個反射鏡組成的檢流計，以在至少兩個軸上引導激光束。在由Regenfuss等開發的最初的一套SLS系統中，掃描場爲25 mm×25 mm的SCANLAB光束掃描儀與Q調Nd:YAG激光器一起使用，在TEM00模式下功率爲0.1~10 W。爲了實現更精細的光斑尺寸，光學設計還可以包括其他機制，例如數字鏡裝置。然而，對光學系統的詳細評測超出了本研究的範圍。

（三）粉末

幾種粉末特性（圖3）會影響SLM工藝的性能，並由此影響制造的部件質量。粉末形狀、尺寸和表面粗糙度是影響粉末流動性的最重要參數，並會因此影響粉末床性質、熔池性能和部件特性。

Olakanmi研究了粉末特性對純鋁和鋁合金的SLM/SLS工藝表現的影響。結果表明，粉末顆粒的形狀對加工結構和致密化過程有顯著影響，粉末中具有不規則形狀的粉末顆粒加劇了附聚物和孔隙的形成。對SLM中原始Ti-TiB粉末形狀的分析表明，不規則形狀的粉末顆粒對致密化過程有消極影響，因此對抗拉強度也不利。在對粉末特性的研究中，Cordova等使用了不同的金屬粉末，發現了最大粉末堆積密度，且具有最均勻的形態（即最大球形）。Liu等觀察到，由于有著不規則的角形態和細小的粒徑，水霧化的11 µm粉末與表觀密度和振實密度相比具有較低的PBD。這些研究表明，在進行SLM和AM工藝的加工時普遍認爲應該采用球形的粉末顆粒。

正如Sutton等所述，SLM中顆粒直徑的影響已經被廣泛研究。較小的顆粒尺寸通常會意味著更好的粉末堆積（表觀密度增加）和較差的流動性。相比之下，使用更精細的IN718粉末則表現出了較差的表觀密度、振實密度和PBD。在經過SLM工藝之後，更細的粉末會使最終部件的表面粗糙度更好，但孔隙率增加。Simchi報道在沒有結塊的情況下，在SLM期間具有更細的粉末粒度或更大的表面積可以更好地使部件致密化。最佳粉末粒度取決于其他工藝變量，因爲使用尺寸大于激光光斑尺寸和層厚度的粉末通常會導致不均勻的能量分布，這會進一步影響熔池行爲。

除粒徑外，PSD也會顯著影響SLM過程。Liu等發現PSD越寬，表面粗糙度和部件密度越好；而PSD越窄，硬度和拉伸強度越好。確定最佳粉末粒徑和PSD是具有挑戰性的，因爲具有窄PSD的細粉末會導致聚集，而具有更寬PSD的粗粉末則會導致分離。此外，許多研究強調雙峰或多峰粉末分布增加了粉末堆積密度和部件密度。基于這一優勢，Vaezi等提出了一種用于微尺度黏合劑噴射工藝的雙峰方法，以改善零件表面質量。

傳統的SLM/SLS通常使用粒徑爲25~50 µm的粉末，而微SLS工藝需要直徑遠小于10 µm的顆粒。微米級和亞微米級粉末已經在微SLS系統中進行了測試，但在零件質量方面表現出了局限性。Regenfuss等使用0.3 µm的粉末進行激光微燒結工藝，以産生圖7所示的特征。Fischer等使用尺寸爲3.5 µm的粉末，但最精細的特征分辨率爲約57 µm。爲了制造亞微米特征，納米粉末是必要的。然而，納米粉末由于高表面積與體積比而導致過度聚集和氧化。圖10顯示了不規則形狀和細球形粉末顆粒的聚集。在納米尺度上，範德華力大于重力。團聚會增加顆粒間的摩擦並降低粉末的流動性，導致不均勻的粉末分層。進一步的效果包括球化效應和孔隙率的增加。

除了凝聚之外，爲了改進微觀SLM體系，還需要解決細粉粒子帶來的其他問題。這些問題如下：

• 細微粉末顆粒的反射率較高，降低了SLM過程中激光照射的吸收率。

• Nguyen等觀察到在IN718的SLM期間，惰性氣體流帶走了粒徑小于幾微米的細微粉末顆粒。

• 如在SLM中所觀察到的，細微粉末顆粒可能在非常高的能量密度下蒸發，導致部件密度降低。

• 另一個缺點是細微粉末顆粒的反應性，這使得其在處理和運輸過程中需要額外的安全措施。

（四）粉末重塗系統

據報道，金屬微SLM/SLS工藝的主要問題是傳統的重塗系統無法有效地將粉末沉積在粉末床上。學界一直認爲有必要研發一種新型粉末重塗機制，以便均勻散布亞微米級或納米級的粉末。然而，如前所述，納米粉末由于高表面積與體積比並且導致高表面能而易于過度聚集。在納米尺度下，範德華力大于重力，導致在AM過程的重塗步驟中形成不均勻的粉末層。爲了實現具有良好粉末堆積密度的有效分層，微SLM需要采用以下一種或多種方法：

• 有效的粉末分配策略，以避免粉末堵塞；

• 凝聚粉末的機械分離；

• 熱能增加填料密度（預熱/預燒結）；

• 使用額外的黏合劑進行有效分配（基于漿料）。

爲了設計應用範圍不限于微SLM的新粉末分配策略，有必要理解當前在傳統SLM中使用的現有技術。

1. 目前應用的耙動法

粉末床重塗取決于粉末的流動性，這同時受到粉末和設備特性的影響。必須首先增加流動性以獲得更好的粉末分布，而粉末在被鋪展後還需要完好無損。大多數商業SLM/SLS系統使用刮刀或滾筒重新塗覆粉末層（圖11），如表2所述。

圖11 粉末床AM中現有耙動系統的示意圖。（a）刮刀；（b）正轉滾筒（FR）；（c）反轉滾筒（CR）；（d）合並FR-CR；（e）組合刮刀和振動CR；（f）三滾筒系統；（g）帶壓實機構的圓柱形耙動系統

應用最爲廣泛的機制是使用刮刀平整，如圖11（a）所示。刮刀是一小塊金屬或陶瓷，用于將粉末刮過粉末床的表面。由于粉末沒有通過刀片撒布器流化，因此會將高剪切力施加到先前沉積的層。預計在刀片上施加超聲波振動會降低這些剪切應力。

滾筒是第二常用的粉末耙動設備。滾筒通過在粉末床上的平移或順時針旋轉産生向前旋轉運動，稱爲正向旋轉滾筒（FR），如圖11（b）所示。這種方法傾向于將粉末壓實，因爲在其平移期間滾筒前面有更多的粉末。但是在向前運動期間，會有粉末黏在滾筒上並在粉末床中形成凹坑。在相反方向上的滾筒旋轉，稱爲反向旋轉滾筒（CR），具有更好的流動性，因爲它在粉末流化的同時迫使粉末上升[圖11（c）]。但是，通過CR方法無法壓實粉末。Niino和Sato提出了FR和CR的組合設置，如圖11（d）所示。CR首先從床上除去多余的粉末，這對于通過FR將粉末更好的壓實有幫助。Budding和Vaneakar用刮刀取代了CR，以便在減少處理時間的同時得到相同的刮擦效果。然而，這些方法仍然會在粉末床上産生凹坑。Roy和Cullinan分別使用刮刀和CR，以分別平整和壓實粉末床。在圖11（e）所示的裝置中，加入CR的振動以壓實最初由刮刀擴散出的粉末。Haferkamp等使用三個滾筒的組合來提供正向和反向旋轉的滾動動作[圖11（f）]，其中層厚度由滾筒之間的距離控制。Regenfuss等除了刮刀外還使用壓實圓筒，以分散、壓實用于微粉末床工藝的細粉末。粉末耙動系統的示意圖如圖11（g）所示。在該設置中，構建基板、熔化部分和新粉末層下方的剩余粉末朝手動蓋向上提升，以壓實粉末。表3比較了文獻中描述的不同粉末耙動系統。

表3 粉末耙動系統的比較

現有的耙動系統對于傳統的SLM工藝是有效的，因爲在現有工藝中，粉末擴散中的微小不准確性可以忽略不計。然而，在微觀尺度上，類似的問題可能導致制造的零件尺寸出現較大的偏差。由于微粉末被用于微觀SLM，這樣的情況會加劇。盡管一直致力于改進耙動方法，但那些方法缺乏微SLM所需的精度。現有的重塗方法無法在粉末床上獲得均勻、致密的細粉末層。細粉末顆粒與耙粒組分之間的相互作用極大地影響粉末擴散的效率。

文獻綜述表明，耙動系統不僅可以將粉末分散到粉末床上，而且可以提供更好的體積填充密度。因此，需要有效的粉末重塗系統來將層厚度控制到亞微米級或納米級精度，同時沿著粉末床産生均勻的粉末分布。

2. 幹粉分配

爲了克服當前粉末分配系統存在的問題，Vaezi等建議使用幹粉分配技術，特別針對微觀PBF工藝流程。幹粉分配的機械方法包括氣動、容積和螺旋/螺旋鑽方法，這些方法進料速度慢並且不能處理細粉末。這些方法的空間分辨率比微SLM所需的空間分辨率低至少兩個數量級。

振動方法在細粉供給領域受到越來越多的關注。這些方法使用振動行爲來增加自由體積，從而改善粒子位移。震動法還能破壞粒子附聚物。Matsusaka首先使用垂直毛細管的振動[如圖12（a）所示]來控制粒徑爲20 μm和不規則形狀的細氧化鋁粉末的流動。由于黏合性，細粉末不能完全通過重力流過毛細管。當通過可變直流（DC）電動機在毛細管上引起振動時，它會傳播到粉末中，導致管壁和粉末之間的摩擦應力降低。振動的幅度和頻率都是影響流速的關鍵參數。粉末流速與振動頻率成正比，但與振幅成反比。該研究小組使用超聲波換能器來引起毛細管振動。Yang和Evans [如圖12（b）所示]開發了類似的裝置，使用基板上尺寸爲12 μm的粒子來印刷多邊形碳化鎢粉末顆粒。Li等使用由壓電傳感器産生的超聲振動來饋送3 μm銅和SS粉末。由于超聲頻率中的微振動，內壁附近的薄粉層表現爲潤滑劑。由于超聲波沿著毛細管行進，超聲波粉末進料的好處在于其防止粉末聚集並實現連續和均勻粉末進料的能力。Yang和Evans開發了一種系統，如圖12（c）所示，使用單獨的粉末料鬥和混合料鬥混合和沉積多種材料，其中流速由聲振動控制。這些研究工作已經證明了基于超聲波的微饋電裝置的能力，該微饋電裝置可以與激光器集成並用于普通的AM系統中。

AM的另一種有應用前景的粉末進料機制是基于靜電的分配。靜電塗層和噴塗已廣泛用于工業塗料和建築行業。在Yang等所詳述的最近的一篇綜述中，它已經在藥片的幹燥包衣中得到應用。該方法基于相反電荷之間的靜電吸引原理工作。如圖13（a）所示，粉末顆粒在暴露于強電場的同時被充電。帶負電的顆粒被吸引到基板上，基板帶正電或接地。在靜電噴塗中，當粉末顆粒通過噴槍時，粉末開始充電，然後沉積在接地基板上。與其他幹塗布方法相比，靜電塗層由于電引力而大大提高了塗層效率和黏附性。

電子照相術是使用靜電方法的另一種常見應用，其中照相紙用調色劑顆粒印刷。在電子照相術中，首先通過高壓電暈對光敏光電導體充電，然後通過光源選擇性地使其表面放電，在光電導體上産生潛像。帶電的調色劑顆粒沉積在光電導體上，然後將其轉移到紙上。基于電子照相技術，Liew等開發了一種二次粉末沉積系統，用于使用SLS的多材料制造。在簡單的實驗裝置中，用聚四氟乙烯刮刀分離帶負電荷的碳粉，然後將其沉積在帶正電荷的紙上。Kumar和Zhang開發了基于電子照相的粉末沉積技術，如SLM / SLS，用于粉末床技術，也可用于黏合劑噴射。它們的設置示意圖類似于電子照相過程的示意圖，如圖13（b）所示。將粒徑爲5 μm的聚苯乙烯粉末沉積在鋁建築平台上並通過加熱輥熔合在一起以獲得厚度爲1 mm的部件。在該技術中，層厚度由光導帶的速度、單位質量的電荷和顯影輥速度等參數控制。Thomas等還爲SLM工藝開發了一種基于電子照相的粉末沉積方法。他們的設置證明了聚合物粉末從充電板到基板的良好轉移。這兩項研究都提出了使用電子照相技術的多材料粉末沉積，發現沉積效率受電勢和充電板與基板之間的距離的影響。盡管在基底上最初形成均勻的單層粉末，但在基于電子照相的沉積中難以控制SLM所需的其他層的堆疊。爲了在典型的SLM工藝中實現粉末沉積，他們提出了兩種方法，使光電導體與襯底或固化的部分表面之間保持恒定的電勢：①從熔融層去除殘余電荷；②通過電暈裝置進行額外充電，以增加電荷密度。

Melvin和Beaman設計了一種篩網進料系統，用于SLS。與電子照相術不同，篩網供給系統通過去除靜電荷來工作。在篩網進料系統中，通過帶電或研磨的篩子將粉末壓在粉末床上，而通過刮板或輥子進行流平。與輥式進料相比，在使用篩式進料系統燒結聚碳酸酯粉末之後，構件強度增強了3~4倍，部件密度增加了10％ ~15％。觀察到實驗結果歸因于PBD的相應增加，這是由從通過篩子的粉末中除去靜電電荷而引起的。然而，該系統難以實現精確的分層和均勻的塗層厚度。同樣的研究人員開發了一種基于靜電塗層的SLS粉末重塗方法。盡管靜電粉末分層比輥産生更好的分散，但燒結部分仍具有很大的孔隙率。

應用材料公司（Applied Materials Inc.）最近的一項專利使用靜電充電，將擴散粉末層與基板或預燒結部分致密，如圖13（c）所示。當電極和新鮮進料粉末層之間的間隙處的電位降大于穿過燒結和新鮮進料材料層的電位降時，應用靜電壓實。通過氣流産生的等離子體也可用于增加壓實力。在這種情況下，大部分潛在的下降發生在任何先前沉積的層和新鮮進料材料層上。Paasche等概念化了使用靜電粉末沉積的AM粉末床系統，如圖13（d）所示。在他們的設置中，帶正電的基板在施加電壓的情況下從帶負電的粉末容器中收集粉末。一旦粉末沉積，襯底就朝向激光束橫穿以便隨後熔化。重複該過程直到制造整個部件。

該系統的實施可能存在以下問題：①將基板定位在激光照射的焦點處以及每層的粉末沉積的特定位置耗時並且可能導致錯誤；②在每層之間穿過基板可能會導致定位不准確和零件移位；③在移位之前處理捕獲的粉末可能很困難。此外，該系統可能仍然缺乏實現進一步分層的能力。

盡管已證明振動和靜電粉末分配在粉末床工藝中精確和選擇性分層的可行性，但這些技術具有一定的局限性：

（1）通過基于噴嘴的系統的粉末分配受到工藝環境的強烈影響，並且噴嘴堵塞將妨礙粉末輸送的可靠性。

（2）幹粉末分配系統比傳統的粉末重塗方法具有更高的沉積時間。與常規制造工藝相比，當AM已經解決了更高循環時間的問題時，將增加粉末床工藝的工藝循環時間。

（五）粉末床表征

對于微米尺度的SLM，薄粉層的應用是一個關鍵步驟，因爲它會極大地影響零件分辨率、表面光潔度、孔隙率、微觀結構和力學性能。Liu等表示，PBD對SLS中的制造部件密度有顯著影響。值得注意的是，目前不存在任何工藝變量可以用來比較不同的粉末分配技術。如果存在的話，是通過燒結或熔化的部件密度進行的。SLM收許多工藝參數影響，因此在比較最終結果時難以分離粉末床特性的影響。本節詳細介紹了PBD，因爲它是影響微尺度粉末床系統的一個重要因素。

粉末床加工過程中粉末的填充會影響零件密度。然而，沒有標准的方法來表征粉末床的密度。Elliott等設計了一種方法來表征用于黏合劑噴射印刷的粉末床密度。首先，使用CR將粉末沉積在粉末床上。接下來，沿著杯子的輪廓施加黏合劑射流，在腔中留下松散的粉末。印刷後，取出杯子並測量松散粉末的重量。因爲杯子的重量和體積是已知的，故可以計算PBD。Liu等使用了類似的方法。對于SLM，通過熔化方形容器壁來測量PBD。在兩項研究中，發現PBD在在粉末的表觀密度和振實密度之間。Gu等設計了一種無需黏合劑或沿盤燒結的計算PBD的方法。將直徑爲60 mm的SS盤放置在燒結機的建築平台上，分別將三層0.03 mm厚的粉末塗在其上，總高度爲0.09 mm，從而可以確定粉末的體積。然後將盤從母板中取出並分別在有和沒有粉末的情況下稱重，其差異即是三層粉末的質量。使用質量和體積計算PBD。從結果中觀察到粉末流動性（休止角）和PBD之間沒有相關性。在Zocca等的實驗中，通過在打印機的建築平台中沉積50層粉末（每層厚度爲100 µm）之後稱量粉末，並將質量除以獲得的幾何體積來確定粉末床的密度。

五、表面精整處理和混合處理

SLM制造的部件的表面粗糙度通常大于10 μm，所以後續處理還是必要的。盡管爲了得到粗糙度小于1 μm的光滑表面已經做出了很多努力，但仍不可避免地要對微觀AM部件要進行二次精加工。本節首先重點介紹AM組件的典型表面處理技術，以及這些技術的功能。接下來，簡要討論了這些方法能否適用于微觀SLM零件，即能否單獨後期處理SLM零件或者能否與微觀SLM零件整合形成一個混合系統。

表4比較了一些AM組件常見的表面處理技術。傳統的減法加工通常用來改善AM生産的近淨成形部件的表面光潔度。簡單的機械研磨和（或）抛光雖然通常不能滿足高質量零件所需的標准，但對某些應用來說可能是足夠的。

表4 AM制造零件表面精加工技術的比較

CNC: computer numerically controlled; CHE: chemical etching; ECP: electrochemical polishing.

化學和電化學抛光（ECP）比傳統加工方法更適用于複雜特征。Pyka等采用化學蝕刻（CHE）和ECP對钛合金基開放多孔結構進行了研究，研究發現CHE主要去除附著粉末顆粒，ECP則進一步降低了粗糙度。Alrbaey等采用ECP將SLM制造的SS 316L的粗糙度從10~17.5 μm降低到0.5 μm。Yang等電解抛光EBM制造的Ti6Al4V樣品，使其表面粗糙度從23 µm減小到6 µm。研究觀察到不同區域和時間的形狀精度損失和抛光並不一致。除了相關的環境問題之外，ECP易對材料造成侵蝕，這也會使尺寸精度産生偏差。

激光抛光或激光重熔已經成爲SLM表面潛在的經濟有效的表面處理工藝，並可以使用與AM相同的激光源。將SLM制造的SS 316L的激光重熔後，在初始粗糙度爲12 µm的情況下，Yasa等得到了1.5 µm的最終表面粗糙度並且在熱影響區沒有出現裂縫或孔隙。用青銅滲透的激光抛光附加制造的SS AISI 420，將表面粗糙度（Ra）從7.5~7.8 µm降低到1.49 µm以下。Ma等觀察到Ti基合金表面粗糙度從5 µm減小到1 μm以下。Marimuthu等把SLM制造的Ti6Al4V的粗糙度從10.2 µm降低到2.4 µm，並且沒有形成α殼或熱裂紋。雖然激光抛光AM部件可行，但該方法僅限于平坦表面和外部特征。

此外，表面重熔也會影響表面化學和熱殘余應力。磨料噴砂通常被稱爲噴砂，在工業中廣泛用于表面清潔、雕刻和去毛刺。砂、磨料和堅果殼用作噴射介質，由加壓空氣或流體推進。De Wild等使用噴砂來整飾通過SLM制造的多孔矯形Ti植入物。使用金剛砂噴砂後，植入物的表面粗糙度（Sa）從3.33 µm減小到0.94 µm。Strickstrock等使用氧化钇四方氧化锆多晶（Y-TZP）顆粒噴砂Y-TZP表面以達到1.7 μm的粗糙度。Klotz等使用金剛砂和玻璃珠噴砂來抛光SLM制造的黃金合金，初始粗糙度爲12.9~4.2 µm。噴砂還用于改善SLM制造的馬氏體時效鋼的美學外觀。Qu等報道，通過噴砂處理，放電加工（EDM）粗切WC-Co零件的表面粗糙度得到顯著改善，平均表面粗糙度（Ra ）從1.3 µm降至0.7 µm。

表5總結了不同噴砂處理對各種材料的最終表面質量的影響。可以推斷，噴砂處理可以有效地將表面粗糙度降低50％ ~70％，最小Ra 小于1 µm。即使磨料噴砂的工藝可重複性受到限制，卻常被用于微組件。因爲它在工藝簡單性、靈活性、循環時間和成本方面是有優勢的。

表5 各種噴砂條件對表面光潔度的影響對比

HSS: high-speed steel; CVD: chemical vapor deposition; NA: not available.

爲了滿足複雜的表面處理的要求，一些新的和不同的技術已經應用于複雜的AM組件。Tan和Yeo開發了一種用于AM部件的新技術——超聲空化磨料精加工。在該方法中，超聲壓力波在液體介質中産生的空化泡可去除部分熔融粉末。空化氣泡的破裂引起沖擊波，將磨料顆粒傳播到樣品表面，去除材料。接收基IN625的表面粗糙度從6.5~7.5 µm降低到3.7 µm。Wang等采用磨料流加工（AFM）處理SLM部件。AFM是一種衆所周知的精加工技術，可以強制半固體磨料介質穿過表面。在AFM之後，SLM制造的鋁合金的表面光潔度得到顯著改善，表面粗糙度從14 µm降低到0.94µm。磁力研磨抛光（MAF）可以通過作用在磁性研磨劑上的磁力産生磨損力，將SS 316L內部通道的表面粗糙度從0.6 µm降低到0.01 µm。Guo等研究出MAF振動輔助磁性研磨抛光（VAMAP）的改進版來整飾微通道和凹槽。該方法實現了微槽延邊的表面光潔度從2.2 µm降至0.3 µm。

整體研磨技術諸如振動研磨和滾筒抛光基于部件表面和磨料顆粒之間的滑動原理應用于AM部件。振動研磨應用于平均粗糙度爲17.9 μm的SLM制造的Ti6Al4V，得到的最終粗糙度爲0.9 µm。然而，振動研磨導致表面産生大量的粗糙凹槽。Boschetto等使用滾筒抛光（通過旋轉桶的翻滾作用去除材料）完成SLM制造的Ti6Al4V。該技術大幅度降低了SLM試樣的表面粗糙度（48 h的處理時間內從13.3 µm到0.2 µm）。盡管該技術具有良好的表面處理性能和工藝簡單性，但缺點是耗費時間長。

爲了從前文討論的可用技術庫中識別出適用于微觀SLM組件的表面處理工藝，必須考慮許多因素，包括制造特征的初始粗糙度、零件尺寸、幾何形狀、最小特征尺寸分辨率、工藝複雜性、周期時間等。微觀SLM組件的尺寸通常爲毫米級，而最小特征分辨率卻在幾微米的範圍內（表1）。表4中列出了用于微觀SLM組件的技術的合格性。盡管整體研磨技術可以獲得良好的表面光潔度，但可能會在此過程中損害微尺度特征。用計算機數控技術（CNC）加工微觀SLM零件是可行的，但複雜幾何條件下的微加工和刀具路徑控制是難點。特別是，薄壁的精密加工以及內部和高深寬比特征的精密加工非常困難且耗時。CHE和ECP通常要求表面平整，並要沿著邊緣侵蝕材料，這可能會導致微小零件的尺寸誤差較大。磨料噴砂通常用于整飾許多行業（如牙科和珠寶）的微小零件，所以可能是一種理想的選擇。微磨料噴砂是一系列醫療應用中最常用的表面處理之一，例如用微磨料噴砂可獲得支持骨整合的牙種植體所需的表面光潔度。Kennedy等在高速鋼（HSS）和塗層碳化物上使用陶瓷珠進行微噴丸處理，表面粗糙度降低60%，最細的表面R a 爲0.4 µm。激光抛光是另一種合適的選擇，盡管重熔引起的熱應力可能導致部件變形，尤其殘余的熱應力對薄弱部分的沖擊很大。

混合制造系統將AM與減法或其他輔助系統集成在一起，以提高機器系統的生産率和定制性能。AM中的混合系統把激光熔覆頭（在LMD的情況下）安裝在銑床的z 軸上，然後集成激光系統和CNC銑床。總的來說，系統設計應該以最少的後處理來提高結構的構建性能、精度和表面光潔度。在粉末床熔融添加劑制造（PBF-AM）的情況下，除了Sodick OPM250E和Matsuura LUMEX Avance-25之外，很少有混合系統可用，盡管PBF-AM之後的組件的表面質量一直存在問題。雖然在粉末床AM加工過程中，精密加工已經改善了許多，但是還沒有開發出包括加成和減成加工的混合系統來制造微尺度的金屬材料。與表4中列出的精密加工工藝相比，激光重熔或激光抛光與微SLM集成來開發混合系統似乎是最可行選擇。可以在現有SLM系統中使用相同的激光源或不同的激光源。盡管如此，應該承認每種精密加工技術都有其自身的優點和局限性，而選擇一種理想的表面處理工藝取決于SLM制造零件的初始條件和精加工要求。因此，應改進SLM技術的能力以制造具有精細表面光潔度的特征，以便消除對任何二次加工的需要。

六、潛在應用

微觀AM（特別是微觀SLM）已經應用于多個領域的精密器件和元件的制造中。微流體裝置可應用于細胞生物學、生物醫學科學和臨床診斷領域。本文嘗試了直接型AM的微流體裝置，但發現該方法的生産率遠低于典型的注射成型工藝。制造微流體裝置的最常用技術是噴射模塑法和熱壓成型。這些技術需要主模具或工具插件把特征複制到基板上。用于微流體的主模具通常由光刻、電鍍和模塑（LIGA）及類似LIGA的工藝制造出來。然而，這些技術受到材料和設計的限制。用電鑄鎳來制造金屬母模也是一種方法，但制造出來的模具硬度不夠，微型模具的強度還需要改進。精密的制造金屬微型模具的AM技術可以提高工具壽命，從而提高生産率。相同的技術可用于生産高深寬比的微結構，這種微結構越來越多地應用于MEMS。Roy等使用微型SLS工藝來制造電氣互連實體和電介質，用于組裝集成電路（IC）組件。兩個柔性基板是通過在預制的迹線上印刷銀電極和銀連接體橋接的。

微觀AM也可以應用于牙科領域。目前，除了最常見的立體光刻和數字光投影（DLP）之外，SLM和SLS也用于牙科。牙橋和牙冠、牙種植體、局部義齒和模型鑄件都是微觀AM在牙科行業中的一些潛在應用。

在過去十年中，珠寶行業一直在嘗試使用AM加工珠寶。這個領域正在不斷發展，因爲幾乎所有主要的AM設備制造商都不斷加大使用AM來加工貴金屬：如金、鉑和钯合金的力度。AM除了一些常見的優勢，如近淨成形制造，減少材料浪費，以及加快小批量的整體工藝周期速度外，微觀AM制造薄壁、花絲、網狀物的能力，還有輕巧的部件可以增強設計的自由度和美感，是吸引珠寶行業的特定因素。珠寶制造商的多項研究強調，盡管目前局限性仍然存在，但是SLM將與傳統鑄造共存，以節約成本和實現設計的多功能性。

Hirt等設想可以將設備和傳感器直接印刷應用到航空、汽車、醫療和光學行業的現有技術上。微米級或納米級分辨率的部件有助于實現可控的微結構。利用微結構的精確控制來改善AM制造部件的機械強度和摩擦學性能。

七、結論

本文系統地回顧了SLM技術在金屬材料上實現微尺度特征的應用。微觀SLM與傳統SLM的區別在于三個因素：激光光斑尺寸、粉末顆粒尺寸和層厚度。微觀SLM的現有研究成功證明了在不同材料上（包括聚合物、陶瓷和金屬）制作具有微觀分辨率特征的可行性。目前的微觀SLM系統的最小特征分辨率爲15 µm，最小表面粗糙度爲1 µm，最大部件密度爲99.3%。考慮到該領域的學術研究有限，讓人驚歎的是，市場上已經出現了一些商業化的微觀SLM系統。

商業系統可達到的最小光斑尺寸和層厚度分別爲20 µm和1 µm。現有文獻的一個主要限制是，沒有一項工作試圖研究制造零件的物理性質和微觀結構，這使得跨尺度比較SLM工藝變得困難。

爲了發展微觀SLM技術，SLM系統還需要進一步的修改，如調整光學系統，粉末重塗和粉末的分配和成形階段的驅動。目前限制獲得薄且均勻的粉末層的因素主要是粉末特性和粉末重塗系統。文獻表明，目前的粉末重塗方法主要是通過刀片或滾輪進行的，並不適合處理細粉末。本文綜述了幾種可能的幹粉滴塗方法在粉末床AM系統中的可行性。在已經實施和測試的AM系統中，人們采用了振動和靜電的粉末分配方法。靜電技術在塗層循環時間方面似乎是最有希望的。微觀SLM的有效策略是整合所有子系統：如粉末分配、收集和粉末篩分，並建立一個閉環反饋系統。

本文還研究了SLM部件表面處理技術。雖然大多數工藝可以實現小于1 µm的表面粗糙度，但是選擇一個理想的微觀SLM工藝要基于許多因素，包括零件幾何形狀、特征分辨率和精加工要求。文獻表明，噴砂是目前微零件常用的精加工技術。在混合處理的方法中，激光抛光作爲微觀SLM的二次精加工技術似乎比其他技術更實用。

不限于SLM/SLS，制約微AM應用的常見因素有：粉末粒徑有限，由于金屬中的高散熱導致加熱區的限制較低，分辨率控制困難，表面粗糙，粉末處理能力不理想以及取模困難。這些因素表明有必要開發新的系統，使用新型的方法來進行粉末配置和部件的後期處理。

微觀SLM未來方向應側重于兩個方面：與設備有關的因素和與工藝有關的因素。應設計一種系統來處理納米級且易于聚集的金屬粉末。重點應放在開發一種創新性的粉末重塗系統，該系統可以實現亞微米級厚度的均勻粉末層，同時不會影響重塗速度。關于工藝知識，需要更多的研究來了解納米級粉末顆粒與激光束之間的相互作用。由于目前研究數量有限，需要進一步了解微SLM制造的部件的微觀結構和力學性能。考慮到具有優良性能的金屬微粒在精密工程、生物醫學、牙科和珠寶等各個領域的應用日益廣泛， SLM的進一步改進將擴大它本身甚至AM的應用領域。

注：本文內容呈現略有調整。

改編原文：

Balasubramanian Nagarajan, Zhiheng Hu, Xu Song, Wei Zhai, Jun Wei.Development of Micro Selective Laser Melting: The State of the Art and Future Perspectives[J].Engineering,2019,5(4):702-720.

來源：中國工程院院刊

軍事

微觀選擇性激光熔化技術發展的現狀及未來展望

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