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3D激光打印

增材制造工艺及其适用的材料

文/David L. Bourell，Christopher E. Roberts；德克萨斯大学奥斯汀分校

某 些聚合物、金属和陶瓷比 制的激光束扫描表面的粉末 ；然后再 范围最小化，并且经常导致高粘度熔
体，这是粉末床熔合工艺所不希望发
加入另一层粉末，再扫描，并重复该
其他材料更适用于增材制造
（AM）工艺。各种增材制造 过程。在定向能量沉积工艺中，粉末 生的。较宽的熔化温度范围，也会产
方法之间，也存在着一定的差异。随着 或细丝从侧面进入能量源（激光或电 生过分烧结的零部件结块问题。图 1
增材制造的零部件的机械性能不断提 子束）。粉末床熔合和定向能量沉积 中显示了无定形 PLA 粉末用于激光烧
升，增材制造正在逐渐赢得诸多应用领 这两种方法通常使用 50~500W 的激 结工艺的一个例子，其结果并不理想。
域的认可，适用于增材制造的各种材 光器，用于材料的加热熔化。容器内 粉末床熔合工艺中使用的半结晶
料也因此受到了业界更广泛的关注。 光聚合工艺通常使用适当波长的毫瓦 聚合物的一个重要特征是，加热时
材料与增材制造工艺密不可分， 级激光器，用于在液体热固性聚合物 较高的熔点和冷却时较低的结晶温
对于传统制造方式而言同样如此—— 原料中实现光引发交联。 度之间的差异。这个温度窗口应该
例如众所周知，并不是每种材料都是 很大。粉末床熔合建造室被加热到
可焊接的或可铸造的，因为材料必须 用于增材制造的聚合物材料 正好低于聚合物的熔点，建造温度
要与适当的工艺想配合，反之亦然。 根据增材制造研究机构 Wohlers 恰好足够低以防止粉末层结块。该
增材制造也是如此，要将制造工艺和 的报告，在 2016 年消耗的所有增材 温度应该处于结晶温度以上和熔点
原材料一起考虑。对增材制造材料感 制造聚合物中，有 46％为容器内光聚 以下的温度范围内。
兴趣的读者，若想了解更多信息，可 合树脂和材料沉积热固性树脂。用于 当激光扫描并熔化粉末时，其冷
以在参考文献 1 中查阅最近发表的一 材料挤出工艺的材料中，无定形聚合 却回建造室温度，但由于未达到结晶
篇关于该主题的评论文章。 物占 24％ ；用于粉末床熔合工艺的材 温度而保持其熔体状结构。因此，熔
2016 年增材制造材料的销售额为 料中，半结晶热塑性塑料占 30％。 化的部分保持熔化，通常在多层粉末
9 亿美元，同比增长 17％。自 2010 年 用于粉末床熔合工艺的聚合物通 已经放置在顶部之后缓慢地结晶。这
以来，增材制造材料的销售额大致呈 常为半结晶热塑性塑料，如聚酰胺、 在减少残余应力和减小零部件变形方
线性增长，预计到 2025 年，增材制造 PEEK 和 TPU。无定形热塑性塑料通 面具有显著优势。然而，这种现象对
料的销售额将达到 50-80 亿美元。 常不能很好地运行，因为其熔化温度 于金属来说通常是不可能的，并且需
增材制造联盟（AM community） 具有较大的粘性范围，使得工艺温度 要大量的支撑结构来防止零部件在构
目前已经将增材制造工艺分成了七 建期间变形。
大类（见表 1）。其中需要使用激 霍普金森提出了一种新颖的金
光的三种工艺分别是 ：粉末床熔合 属制造方法，其中合金原料被分成
（PBF）、定向能量沉积（EDE）和 两种高熔点成分。当激光（或电子
容器内光聚合。 束）扫描并熔化原料时，会形成较
粉末床熔合工艺先在基底上铺 低熔点的金属（如共晶），保持熔
图1：用无定形热塑性聚乳酸（PLA）材料实现的粉末床熔
洒一层薄薄的粉末，并用计算机控 合制造效果，结果并不理想。 化状态。这种方法模仿聚合物方法，

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