金屬零件3D打印技術作為3D打印領域中最前沿且最具發展潛力的分支，是先進制造技術的重要發展方向。隨著技術進步與應用需求增長，直接制造金屬功能零件已成為快速成型技術的主要趨勢。當前可用于此領域的方法主要包括：選區激光燒結（SLS）、直接金屬粉末激光燒結（DMLS）、選區激光熔化（SLM）、激光近凈成形（LENS）和電子束選區熔化（EBSM）等。

    國外研究進展與國內技術積累

    國外對金屬零件3D打印的理論與工藝研究起步較早。盡管我國在該領域起步較晚，但經過多年技術積累，國內多家企業已推出商業化金屬3D打印機。以下對直接制造金屬功能零件的主要方法進行系統總結。

    一、選區激光燒結（SLS）

    選區激光燒結技術（SLS）由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的CarlDeckard于1989年提出，其冶金機制為液相燒結，即加工過程中粉體部分熔化，保留固相核心，通過固相顆粒重排及液相凝固粘接實現致密化。美國DTM公司于1992年推出商業化設備SinterSation，德國EOS公司也在此領域開展深入研究并開發系列設備。國內華中科技大學、南京航空航天大學等多家單位的相關研究亦取得重大成果。

    SLS技術原理與特點

    工藝裝置由粉末缸和成型缸組成：粉末缸活塞（送粉活塞）上升，鋪粉輥將粉末均勻鋪于成型缸活塞（工作活塞）上；計算機根據原型切片模型控制激光束二維掃描軌跡，選擇性燒結粉末形成當前層。完成一層后，工作活塞下降一層厚度，鋪粉系統鋪新粉，激光束掃描燒結新層，循環往復直至零件成型。

    SLS采用半固態液相燒結機制，粉末未完全熔化，雖能降低熱應力，但導致孔隙率高、致密度低、拉伸強度差、表面粗糙度高等缺陷。半固態體系中固液混合物粘度較高，熔融材料流動性差，易引發SLS特有的“球化”效應——球化會增加表面粗糙度，阻礙鋪粉裝置均勻鋪粉，影響工藝順利進行。

    SLS的局限性與技術迭代

    燒結件強度較低，需經后處理才能達到較高強度，且存在精度低、表面質量差等問題。SLS初期因材料選擇范圍廣、無需支撐等優點被應用，但隨著2000年后激光設備進步（如高能光纖激光器、鋪粉精度提升），粉體完全熔化的冶金機制逐漸取代SLS，選擇性激光燒結技術（SLS）已被更先進的技術替代。

    二、直接金屬激光成形（DMLS）

    SLS制造金屬零部件分間接法（聚合物覆膜金屬粉末SLS）和直接法（直接金屬粉末激光燒結，DMLS）。自1991年比利時Leuvne的Chatofci大學開展金屬粉末直接激光燒結研究以來，DMLS成為快速原型制造的終極目標之一。相較于間接SLS，DMLS取消了昂貴且費時的預處理和后處理步驟。

    DMLS的技術特性

    DMLS是SLS的直接分支，原理與SLS相似，但精確成形復雜金屬零部件難度較大，主要受限于“球化”效應和燒結變形。球化是液態金屬為降低表面自由能，在界面張力作用下向球形轉變的現象，導致熔池不連續、零件疏松多孔。單組元金屬粉末因液相燒結階段粘度高，“球化”效應更顯著，且球形直徑常大于粉末顆粒，造成大量孔隙，需后續處理，并非真正意義上的“直接燒結”。

    DMLS的工藝優化方向

    為克服單組元粉末的“球化”、燒結變形及密度疏松問題，目前多采用多組元或預合金粉末。多組分體系由高熔點金屬（骨架）、低熔點金屬（粘結相）及添加元素組成，低熔點金屬熔化形成液相，包覆、潤濕并粘結固相顆粒，實現致密化。

    DMLS的燒結物理過程及致密化機理尚不明確，不同粉末體系的工藝參數需摸索，專用粉末研發待突破。建立數學物理模型、定量研究燒結行為和組織變化是關鍵。粉末物性（燒結特性、攤鋪特性、穩定性）對燒結質量影響顯著，需根據粉末體系優化工藝參數。大量研究表明，燒結特性、攤鋪特性、穩定性是影響DMLS質量的三大核心物性參數。

    三、選區激光熔化（SLM）

    SLM思想由德國Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年取得突破，2003年底英國MCP集團旗下德國分公司推出首臺SLM設備。為獲得全致密件，SLM采用粉體完全熔化的冶金機制，受益于2000年后激光設備進步（如高能光纖激光器、鋪粉精度提升）。例如，德國EOS公司雖沿用“燒結”表述，但其EOSINTM270/280型設備已裝配200W光纖激光器，采用完全熔化機制，成形性能顯著提升。目前SLM在歐洲（如德國、英國）快速發展，即便沿用“SLS”表述，實際機制已轉為粉體完全熔化。

    SLM的技術原理

    SLM基于SLS發展，需完全熔化金屬粉末直接成型金屬件。加工前，鋪粉輥將粉末平鋪于基板；激光束按輪廓選擇性熔化粉末，形成當前層；隨后可升降系統下降一層厚度，鋪粉輥鋪新粉，進行下一層加工，循環直至零件完成。整個過程在真空或保護氣體中進行，避免金屬與氣體反應。

    SLM的發展挑戰

    SLM中Fe基合金（如鋼）研究較多，但成形工藝需優化，致密化是關鍵瓶頸。鋼的SLM成形難度與Fe、Cr的強親氧性有關，常規條件下易氧化，導致熔體表面污染層降低潤濕性，引發球化效應和凝固裂紋，降低致密度及機械性能。此外，C含量過高會加劇球化效應，形成的復雜碳化物增大脆性。因此，鋼的SLM需提高激光能量密度和成形溫度，促進碳化物溶解及合金元素均勻化。

    綜上，金屬零件3D打印技術體系通過SLS、DMLS、SLM等方法不斷演進，雖面臨材料、工藝及設備成本的挑戰，但其對個性化制造、復雜結構成形的突破，正推動制造業向更高效、更精準的方向發展。