金属3D打印技术在高端制造中的应用与挑战

发布时间:

2026-03-11

摘要：作为增材制造领域的重要分支，金属3D打印技术以其独特的制造方式和显著优势在制造业及其他诸多行业获得了广阔的应用前景，为制造复杂零件提供了创新性的方案。首先对金属3D打印进行了基础介绍；然后介绍了选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化成形(EBM)与激光近净成形(LENS)的技术特点与应用现状，并对这些技术未来的发展趋势进行了探讨；最后对几种技术以及金属3D打印未来的发展进行了展望。
引言
3D打印(ThreeDimensionPrint)是一种一体化快速制造技术，通过预先对目标物体进行三维建模，将三维模型逐层切片得到二维轮廓数据，用3D打印设备逐层堆积材料生产出三维零部件[1]。与传统方法相比，增材制造优势突出，如材料利用率高、设计自由度高、可对复杂零部件一体化设计制造等[2]。金属3D打印是目前技术成果最密集、应用前景最好的3D打印技术之一，主要用于设计制造复杂、定制化程度高的零部件，目前正在航空航天、汽车和医疗等领域迅速扩大应用范围[3]。
目前，市场上应用较广的金属3D打印技术根据其所用工艺与能源的不同，主要分为定向能量沉积技术(DED)、粉末床熔合技术(PBF)两大类。实际生产制造中，PBF的应用更广泛，主要有直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化成形(EBM)等；而DED技术主要有直接金属沉积(DMD)、激光近净成形(LENS)、电弧增材制造(WAAM)等[4-5]。本文对目前技术较成熟、应用前景较好的几种技术SLM、EBM和LENS进行论述。
1主流金属3D打印技术的特征和应用
1.1选择性激光熔化(SLM)技术
选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting,简称SLM)由德国团队于20世纪90年代开发出，是一种基于选择性激光烧结技术改进后发展的技术。通过精确控制高能激光逐层熔化金属粉末再凝固，堆叠出精密的金属零部件。SLM技术的核心优势在于能够保持高尺寸精度进行制造，生产具有复杂几何形状和近乎完全致密的金属零件，图1为选择性激光熔化(SLM)技术原理图[6]。
如图1所示，首先铺粉辊将一层金属粉末均匀铺在成形缸底部，然后光学系统（激光器、扩束镜、扫描振镜、f-θ透镜等）在惰性气体保护下控制激光束根据预设路径熔化粉末，每完成一层的熔化，成型缸下降一层粉末的厚度，铺粉辊再次铺上新粉末，激光束继续熔化，如此循环，直至零件成型完毕。

1.1.1技术特点
铺粉辊先在打印基板上均匀铺设一层金属粉末，之后激光熔化金属粉末，待被熔化粉末冷却凝固，铺粉辊再涂一层新粉，过程循环重复铺粉-熔化-凝固，直到成形出目标零部件。SLM在制造过程中的大功率激光可将金属粉末完全熔化，使成形件拥有更高的致密度，且成形室充满惰性气体，从而防止高温金属氧化，确保成形件质量与精度。不过SLM技术也存在着一些缺陷，如打印速度较慢、成形尺寸受限、设备成本较高等[7-8]。
1.1.2应用情况
随着全球对SLM技术持续深入研究，相关技术难题正在被逐一攻克，该技术正逐步在航空航天、汽车制造、医疗器械、国防装备等领域展现出巨大的应用潜力。
杨威等[9]优化了SLM技术制备316L不锈钢零件的工艺，通过研究改变激光功率、扫描速度等参数对SLM试样致密度和缺陷的影响，得出在扫描速度为700mm/s、激光功率为200W时，成形件致密度最高，未熔合缺陷数最少，这项研究为SLM技术在316L不锈钢零件的高效、高质量制造提供了重要的工艺参数依据。景鹏飞等[10]使用316L不锈钢粉末材料，通过SLM技术制备多孔支架，并用有限元分析探究了多孔支架的力学性能和生物兼容性，得出孔隙率为84%、孔径为700μm的成形支架在各项力学指标上与人骨非常契合，展现了SLM技术在生物医疗领域的广阔应用前景。西班牙萨拉曼卡大学成功利用澳大利亚科学协会研发的Arcam型SLM机器，定制了符合一位胸廓癌患者的钛合金骨骼，且术后适配性极高[11]；张家豪[12]研究了SLM技术制造Inconel718转子叶片，分析了激光功率、扫描速度和间距对致密度和微观结构的影响，优化了硬度和拉伸性能，发现激光功率为185W、扫描速度为700mm/s、间距为0.06mm时，合金叶片性能最佳，为SLM技术在航空领域的更进一步应用奠定了基础。
1.2电子束熔化(EBM)技术
电子束熔化(ElectronBeamMelting,简称EBM)于1994年由瑞典的Arcam公司研发，是一种在真空环境下利用电子束对金属粉末进行逐层熔化、逐层凝固堆积而制造致密金属部件的尖端金属增材制造技术。电子束熔化成形(EBM)技术原理及工艺流程[13]如图2所示，EBM技术利用高能电子束作为热源，通过由灯丝、阴极、阳极等组成的电子枪产生高能电子束并经聚焦线圈聚焦成细束，然后通过偏转线圈控制电子束精确扫描工作台上的金属粉末层，在真空室内，高能量电子束使粉末材料局部熔化并融合，形成固态的熔池。随着工作台的逐步下降和粉末的不断补充，熔池逐渐固化并形成三维实体零件。

1.2.1技术特点
EBM的能量源为电子束，在成形过程中，金属粉末床会被预热到几百甚至上千摄氏度，且系统在真空环境下成形，其独特技术特点造就了以下优势[14]:①高能电子束可提高加工效率，适用于制造高熔点、高导热金属，如紫铜、镍合金等；②预热粉末床有助于减少成形件的残余应力，减少后续热处理的需要；③真空环境可以防止电子束散射、避免高温金属氧化，从而保证了成形件的优异性能。
1.2.2应用情况
EBM技术因其的真空环境、预热成形等独特优势，被广泛应用于医疗植入物制造、航空航天高性能复杂零部件制造、汽车耐高温部件制造等高端制造领域。
兰亮等[15]深入研究了EBM技术在Ti-6Al-4V钛合金制备中的应用，揭示了EBM技术在提高成形速度和能量利用率方面的优势，针对其在航空航天与生物医疗领域的应用进行了研究，得出通过优化工艺参数和使用热等静压等后处理技术，可以有效改善EBM成形钛合金构件的内部孔隙、表面粗糙度、残余应力等缺陷。杨睿[16]研究EBM在铜成形工艺中的应用，通过系统地分析电子束流和扫描速度等工艺参数对铜试样的致密度、微观组织和力学性能的影响，确定了合适的工艺参数，成功提高了铜试样的成形质量和力学性能，为EBM技术在航天等领域的应用提供了重要的理论和实践指导。闫景玉等[17]聚焦于EBM成形的零件后处理工艺，研究发现通过吹砂处理和机械加工可以有效改善EBM成形零件的表面粗糙度，热等静压(HIP)处理则能显著减少内部的未熔合和气孔缺陷，同时大幅提升零件的高周疲劳性能，从而拓展了EBM技术在航空航天等领域的应用潜力。
1.3激光近净成形(LENS)技术
激光近净成形(LaserEngineeredNetShaping,简称LENS)是一种由美国桑地亚实验室于20世纪末开发，融合了LMD和SLS原理的技术。该技术采用同轴送粉，通过高功率激光在金属表面产生熔池，将金属粉末送入并迅速融化凝固，堆叠出成形零件。
激光净成形(LENS)技术原理图[18]如图3所示，首先聚焦光学系统产生激光束，之后金属粉末被送粉装置送至激光束的作用区域，被局部熔化和融合，形成熔池，随着基体的逐步上升和粉末的不断补充，熔池逐渐固化并形成三维实体零件。整个过程在喷头保护气的作用下进行，以防止材料氧化，且反馈传感器1和反馈传感器2实时监测成形过程中的关键参数，以实现精确控制保证成形质量。

1.3.1技术特点
LENS技术的显著优势在于可直接在零件表面进行材料沉积和修复，且成形部分组织致密、力学性能好；LENS技术能够处理多种材料，允许在生产过程中根据零件需求放置材料，实现材料和性能的完美融合，因此造就了其制造异质、梯度材料金属零件的一大优势。不过，LENS技术也有成形过程中激光功率过高导致零件体积收缩、成形精度低等缺陷。
1.3.2应用情况
LENS技术在航空航天、国防军工、汽车制造等领域广泛应用，尤其适合制造高强金属零件。该技术能直接制造出全致密的金属零件，无需或只需少量后续加工，大大提高了制造效率。此外，LENS技术的突出优势是可以在现有零件上直接进行修复和再制造，特别适用于修复金属零件与装备。
早在阿富汗战争时，美军就曾利用LENS技术对直升机引擎叶片进行过即时修复[19]。2018年，美国Tinker空军基地维修中心也用LENS技术成功修复了F-15战斗机的涡轮叶片[20]。石龙飞[21]在吴东江教授的指导下，通过LENS技术对金属三元叶轮叶片进行实验研究，探索了倾斜薄壁结构的激光近净成形方法，成功实现了大倾斜角度结构的成形，为大倾斜角度结构的快速制造和修复提供了新思路。时文杰等[22]采用LENS技术成功制备了具有多孔结构的316L不锈钢试件，并通过测试发现激光近净成形多孔试件的晶粒组织细密，硬度更高，且多孔样本的孔洞表面能够生成羟基磷灰石，展现出优异的生物兼容性，该研究为LENS技术在医用多孔材料制造的应用提供了理论依据和实验支持。耿海龙等[23]详细探讨了LENS技术在Ti-1300钛合金制备中的应用，通过热处理等实验方法研究了此技术制备钛合金金属零件的可行性，为LENS技术在高强韧钛合金的制备和应用提供了重要的理论和实验依据。
2金属3D打印技术的发展展望
随着金属3D打印逐渐受到国家重视，可以预见几项常见金属3D打印技术将迅速发展，技术演进步伐也将日益加快，具体表现在以下几个方面：
(1)对于SLM技术，将致力于在保证成形件质量的同时，提高激光器功率，以实现更高的零件成形效率；开发更多适用于该技术的复合材料粉末。
(2)对于EBM技术，将改进电子束的控制精度，以提高熔化效率与零件的微观结构均匀程度；开发更大尺寸的打印室以实现更大尺寸零件的制造。
(3)对于LENS技术，将优化送粉系统和提高激光束聚焦精度，从而在提高成形精度的同时提高粉末利用率；开发更先进的支撑结构，使成形过程更稳定；开发更多适用本技术的粉末材料。
3结束语
金属3D打印技术正以较大设计自由度、极高的材料利用率、快速制造复杂零部件等优势，推动制造业转型升级。随着精密加工技术以及后期处理工艺的不断进步，技术成本的降低与生产效率的提高，将进一步拓宽其在各领域应用可能性，持续推动制造业向更加智能化、定制化的方向发展。未来，金属3D打印一定会给全球制造业乃至服务业带去更为深远的影响，开启新质生产力的新篇章。

星尘科技所制得的3d打印合金粉末，通过精准配比原料、等离子体高温熔融、快速冷却成型及分级筛选等工序，确保粉末品质稳定可控，该制备工艺符合公司ISO9001:2015等质量管理体系相关标准，可有效降低粉末杂质含量，提升球形度与粒度均匀性。该粉末具有高纯度、含氧量低的特点，球形度高、表面光滑无卫星球，粒度分布集中，流动性能优异，松装密度与振实密度达标，同时依托高熵合金的固有特性，具备良好的高温强度、耐腐蚀性及抗辐射性能，化学成分均匀无偏析，可适配多种精密成型工艺。其应用领域主要覆盖航空航天、国防军工、核能工业等极端环境场景，可用于制备高温结构件、核反应堆相关部件等，同时在高端装备制造、催化、电磁屏蔽等领域也具有潜在应用价值。面对的客户群体主要为从事高端难熔材料研发、精密成型加工的企业，包括航空航天领域的配套制造企业、国防军工相关科研生产单位、核能装备制造企业，以及高校、科研院所等从事相关研究的机构，可为客户提供粉体制备及应用相关的技术支持，满足不同场景下的个性化使用需求。更多产品信息请联系段经理13378621675