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

然而，黏結(jié)劑噴射、DED和PBF被認為是處理金屬最合適的工藝。黏結(jié)劑噴射的作用是在金屬粉末上沉積黏結(jié)劑，然后固化成綠色部分。最后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(jié)綠色部分實現(xiàn)的。強制熱處理和高孔隙率是黏結(jié)劑噴射工藝的常見限制，因為它們阻礙了其在微觀尺度上的應(yīng)用能力。

DED也被稱為激光熔覆、激光金屬沉積（LMD）及激光工程化凈成形技術(shù)（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只產(chǎn)生近凈成形，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，因為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(jié)。電子束和激光束是用于PBF過程的兩種主要能源，即依次為電子束熔化（EBM）和選擇性激光熔化（SLM）/選擇性激光燒結(jié)（SLS）。此外，SLM能夠生產(chǎn)具有與傳統(tǒng)制造工藝相似的力學(xué)性能的部件。

盡管金屬AM已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域的各種應(yīng)用中商業(yè)化（其中也包括航空航天部件的生產(chǎn)和維修），但是AM的應(yīng)用被限制在大尺度和中尺度的制備。應(yīng)用于微米級制造的AM技術(shù)是近期開發(fā)的，用于在包括陶瓷、聚合物和金屬在內(nèi)的各種材料上生產(chǎn)3D微特征。下面一節(jié)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(guān)注，從相應(yīng)技術(shù)的綜述論文的出現(xiàn)就可以看出。

Engstrom等發(fā)表了關(guān)于納米增材制造（ANM）技術(shù)的綜述文章，該技術(shù)使用各種材料（包括金屬、聚合物和有機分子）生產(chǎn)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(shù)，分為金屬轉(zhuǎn)移技術(shù)和原位合成技術(shù)。他們定義了微AM技術(shù)的基準特征大小為10 μm。Vaezi等將3D微AM技術(shù)分為兩個主要類別，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(shù)、激光傳輸技術(shù)以及光束沉積方法，如激光化學(xué)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，但是處理過程極其復(fù)雜和緩慢。在可伸縮AM技術(shù)范疇內(nèi)，盡管受到材料選擇的限制 ， 微型立體印刷術(shù)（MSL）因其高分辨率和可重復(fù)性而一直被視為最成功的微AM技術(shù)。熔融沉積建模（FDM）和目標分層制造（LOM）技術(shù)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?。?DP）/黏結(jié)劑噴射打?。˙JP）在多材料打印和冷加工方面有著很好的應(yīng)用前景，但印刷部件的孔隙率通常很高。

圖1 用于微觀尺度制造的AM技術(shù)的主要分類。MSL：微型立體印刷術(shù)；FDM：熔融沉積建模；LOM：目標分層制造。經(jīng)Springer-Verlag London，?2012許可摘自參考文獻

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(jié)）已經(jīng)顯示出潛力。大量關(guān)于在宏觀尺度加工中應(yīng)用SLM和SLS的現(xiàn)有知識可用來將該技術(shù)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(qū)別在于熔化程度。SLM可實現(xiàn)粉末的完全熔化，而SLS僅能達到粉末的燒結(jié)狀態(tài)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(shè)置和機制方面沒有差異。因此，為了比較工藝構(gòu)件和工藝參數(shù)，本文認為SLM和SLS是一致的。文章后面部分對粉末重涂系統(tǒng)和混合處理的討論也可用于其他PBF技術(shù)的小型化。

三、選擇性激光熔化

圖2展示了SLM流程設(shè)置的示意圖。在SLM和SLS中，首先在建筑基板上鋪一層粉末。激光束根據(jù)所需的幾何形狀熔化或燒結(jié)粉末。然后再將下一層粉末覆蓋在固化部分上，再進行激光熔化/燒結(jié)。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(jié)構(gòu)特征，所以加工零件的力學(xué)性能與常規(guī)工藝的力學(xué)性能不同。關(guān)于SLM的工藝機制的詳細報告見參考文獻[6,7,21]。由于所涉及的復(fù)雜系統(tǒng)和機制，SLM部件的最終質(zhì)量受到大量工藝參數(shù)的影響。

圖2 SLM工藝示意圖

SLM工藝參數(shù)根據(jù)性質(zhì)可大致分為粉末相關(guān)、激光相關(guān)和粉床相關(guān)變量，如圖3所示。大多數(shù)粉末相關(guān)的工藝參數(shù)，如化學(xué)組成、顆粒的尺寸和形狀以及表面形態(tài)，都是實際生產(chǎn)環(huán)境中的不變量。與影響SLM過程的激光系統(tǒng)有關(guān)的參數(shù)包括激光類型[即連續(xù)波（CW）或脈沖]、激光功率和光斑大小。掃描參數(shù)（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(shù)的第三種分類是粉床特性。在大多數(shù)粉床工藝中，粉末是通過耙式機構(gòu)添加到建筑平臺上的，這也被稱為重涂。送粉系統(tǒng)的效率受多個參數(shù)的影響，包括重涂機的類型、重涂的送粉次數(shù)、每次送粉過程中回收的粉量以及至關(guān)重要的粉末性質(zhì)。重涂層的厚度是控制部件性能的重要工藝參數(shù)之一。層厚、粒度分布（PSD）和激光參數(shù)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(shù)總結(jié)

使用SLM制造的AM組件的特性通常根據(jù)應(yīng)用程序的不同，通過多個過程結(jié)果進行評估。圖4總結(jié)了SLM制件的一些重要特征。與任何常規(guī)工藝一樣，為了評估最終制造部件的質(zhì)量，從而評估SLM過程，對其特征分辨率、表面光潔度、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進行了表征。圖5說明了在SLM中可能會發(fā)生的缺陷。缺陷的形成本質(zhì)上取決于工藝變量，為了制造無缺陷部件，需要對其進行優(yōu)化。關(guān)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(tǒng)通常采用粒徑為20~50 μm的粉末顆粒，涂層厚度為20~100 μm。為了使傳統(tǒng)SLM的應(yīng)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、涂層厚度和顆粒大?。ㄈ鐖D6所示）。Fischer等將微觀SLM的范圍定義如下：激光束直徑小于40 μm，涂層厚度小于10 μm，顆粒尺寸小于10 μm。

圖6 微觀SLM的特征要求

（一）現(xiàn)有技術(shù)水平

十余年前，一家名為Mittelsachsen的激光研究所使用Q調(diào)摻釹雜釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光（0.5~2 kW）制造了首個微觀SLS系統(tǒng)，即激光微燒結(jié)。該系統(tǒng)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。為了確保涂層厚度的精度達到亞微米級，撒粉器和建模平臺的分辨率達到0.1 μm。通過這種方法制造的微部件結(jié)構(gòu)分辨率小于30 μm，縱橫比大于10，表面粗糙度為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(shè)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，但是耙動后的粉床密度（powder-bed density，PBD）仍在15%左右。鎢銅粉末混合物燒結(jié)后可得到90%的最大部件密度。

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

該研究團隊還開發(fā)了一款改進后的系統(tǒng)，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(shè)備制造的不同的特征形狀。兩款設(shè)備的不同之處在于粉末重涂機制，新款的耙子在粉末儲存器和建模平臺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(shè)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，重涂系統(tǒng)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(jié)生產(chǎn)各種金屬的微部件，包括鎢、鋁、銅、銀、316L、鉬（Mo）、鈦（Ti）和80Ni20Cr。不斷改進工藝特性之后，金屬的激光微燒結(jié)的最小分辨率為15 μm，表面粗糙度為1.5 μm。據(jù)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(fā) 出 一 款 微 觀SLM系統(tǒng)，用于生產(chǎn)美國鋼鐵協(xié)會（AISI）的316L空心微針，其最小壁厚為50 μm。為了呈現(xiàn)精細特征，激光光斑直徑縮小至19.4 μm。為了生產(chǎn)內(nèi)徑為160 μm、層厚為20 μm的針，研究人員采用了粒徑為5~25 μm的粉末。盡管光斑和粉末的尺寸都十分精細，但是生產(chǎn)的部件表面粗糙度仍然不佳（R_a≈ 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(jié)果。由于高能量輸入，墻上明顯出現(xiàn)粉末黏附現(xiàn)象。雖然部分支柱失效，但也產(chǎn)生了更復(fù)雜的螺旋形狀，其最小支柱直徑為60 μm。隨后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為50 μm。Yadroitsev和Bertrand使用PM 100商業(yè)系統(tǒng)來制造由不銹鋼（SS）904L制成的微流體系統(tǒng)，如圖8（b）所示，光斑直徑和層厚分別為70 μm和5 μm。他們還制造了100~150 μm的正常運行部件，其中結(jié)構(gòu)原件為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。

圖8 使用微觀SLM制造的部件。（a） Ni-Ti微執(zhí)行器；（b）SS 904L微流體系統(tǒng)俯視圖，小圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（a）經(jīng)Elsevier B.V., ? 2010 許可摘自參考文獻；（b）經(jīng)DAAAM International, ? 2010許可摘自參考文獻

2014年，F(xiàn)ischer等使用EOSINT μ60系統(tǒng)研究微觀SLM的工藝參數(shù)。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(jié)構(gòu)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，粒徑為3.5 μm，但是取得的分辨率無法滿足微部件的尺寸規(guī)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(zhì)量，沿壁構(gòu)建方向上的最小表面粗糙度達1.69 μm。Kniepkamp等還使用參數(shù)優(yōu)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為5 μm和30 μm。

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

? 采用全新的涂布機設(shè)計，結(jié)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(shè)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為數(shù)字微鏡器件（DMD），以提高系統(tǒng)吞吐量。

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

雖然研究者在SLS系統(tǒng)中加入振動滾輪作為粉末涂布機，但是粉末顆粒團聚現(xiàn)象仍然存在。研究者對微觀SLS系統(tǒng)進行了兩項修改：①將干燥粉末替換為納米墨水；②將顆粒分配機制由傳統(tǒng)的刀片/滾輪改為槽模涂布或旋涂技術(shù)。在改進的裝置中，微觀SLS系統(tǒng)增加了靈活性好的槽模涂布機制。通過精確計量和可控分配，槽模涂布所沉積的涂層厚度在20~150 μm之間。此外，系統(tǒng)配備了使用音圈致動器的精確的納米定位臺來保證精度。然而，該系統(tǒng)只適用于漿料或墨水，因為細小的干燥粉末會受到范德華力產(chǎn)生團聚。

表1總結(jié)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(tǒng)中均有應(yīng)用，而在傳統(tǒng)SLM系統(tǒng)中，CW激光的應(yīng)用突出。Regenfuss等起初在激光微燒結(jié)裝置中使用Q調(diào)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(yīng)力；③減少氧化效應(yīng)，可能由于氣體或等離子膨脹產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)；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(jié)亞微米級粉末時產(chǎn)生；⑤適合處理電介質(zhì)。脈沖激光和CW激光相比，激光強度更大，能夠產(chǎn)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(wěn)定，會導(dǎo)致表面光潔度差、軌跡不規(guī)整和球化現(xiàn)象。

Ke等在激光微燒結(jié)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(fā)現(xiàn)，CW激光的球化現(xiàn)象比脈沖激光更加明顯；等離子體的平坦效應(yīng)和快速冷卻速率減少了后者的球化現(xiàn)象。而且，脈沖激光的潤濕性更好。但是，脈沖激光產(chǎn)生的單條軌跡形成了波紋和溝槽，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(xiàn)不連續(xù)軌跡。Fischer等選取了大量的激光功率和脈沖重復(fù)率數(shù)據(jù)進行測試，但是發(fā)現(xiàn)脈沖激光不能產(chǎn)生沒有缺陷的均勻單軌跡。除了金屬，微觀SLS中的脈沖波激光還用陶瓷進行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有效。對陶瓷而言，使用Q調(diào)脈沖激光得到的分辨率比CW激光的高，因為脈沖激光不會聚集熱量。盡管激光微燒結(jié)裝置配合Q調(diào)脈沖激光能夠成功燒結(jié)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(wěn)定性和缺陷。這些局限和傳統(tǒng)SLM中CW激光的廣泛應(yīng)用可以解釋為何本領(lǐng)域內(nèi)最新的研究結(jié)果都是使用CW激光進行的。

表1 用于微觀制造的SLM/SLS技術(shù)文獻綜述

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

應(yīng)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(tǒng)宏觀SLM領(lǐng)域的熱衷不相符。對于傳統(tǒng)SLM，文獻中已廣泛報道了各種工藝參數(shù)（如圖3所示）對工藝特性的影響。雖然微觀SLM工藝參數(shù)預(yù)計會對工藝結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，包括特征分辨率、缺陷、表面光潔度和微觀結(jié)構(gòu)，但是在文獻中提到微觀SLM參數(shù)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，并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(yōu)化的曝光參數(shù)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(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)或殘余應(yīng)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(tǒng)SLM制造的大多數(shù)部件具有結(jié)構(gòu)應(yīng)用，其中力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)因素如晶粒形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)是顯著的。由于通過微觀SLM制造的部件可能也對力學(xué)性能、殘余應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)有要求，因此有必要理解該工藝的基本行為。

SLM中微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)和相變。凝固形式和由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jīng)發(fā)現(xiàn)在SLM中經(jīng)常觀測到的微觀結(jié)構(gòu)是柱狀晶，因為AM工藝通常在相鄰層的熔化過程中經(jīng)歷快速加熱、凝固和再加熱。SLM中柱狀晶的形成主要可歸因于沿構(gòu)建方向的溫度梯度較大。SLM中產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)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(gòu)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(tǒng)SLM產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)）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(tài)。Phan等使用鈷（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(fā)現(xiàn)由于更高的功率密度，光斑尺寸越小，產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)越精細，等軸結(jié)構(gòu)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(tài)與宏觀SLM中單向形成的熔池形態(tài)有較大差異。上述關(guān)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(yù)計其微觀組織形成與傳統(tǒng)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(yù)計會更大，這可能會導(dǎo)致更快的冷卻速率，從而得到更精細的枝晶。然而，預(yù)測微觀SLM的微觀結(jié)構(gòu)很難，因為它取決于許多涉及復(fù)雜機制的因素。通過許多研究，我們已經(jīng)能夠得知利用傳統(tǒng)SLM方法制備的部件的力學(xué)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(xué)性能。力學(xué)性能通常受缺陷、微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和隨后熱處理的影響。

根據(jù)已發(fā)表的與SLM和PBF有關(guān)的綜述，通常使用以下熱處理后處理方法：應(yīng)力消除、老化、固溶處理和熱等靜壓（HIP）。熱處理的目的是為了減少或消除瑕疵，控制微觀結(jié)構(gòu)，改善性能，以及減輕殘余應(yīng)力。HIP通常用來封閉內(nèi)部孔隙和裂紋，重結(jié)晶將微觀結(jié)構(gòu)細化為等軸細晶粒，老化則控制沉淀形成。由于SLM產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)工藝形成的微觀結(jié)構(gòu)，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(dǎo)致微觀SLM與傳統(tǒng)SLM形成不同的微觀結(jié)構(gòu)。通過適當?shù)臒崽幚?，有望控制微觀結(jié)構(gòu)，同時改善力學(xué)性能。由于SLM部件的后期熱處理取決于許多因素，包括初始微觀結(jié)構(gòu)、缺陷、殘余應(yīng)力、元素組成和期望的輸出特性，所以為微觀SLM預(yù)測合適的熱處理具有挑戰(zhàn)性。因此，未來對微觀SLM熱處理的研究將會非常有價值，因為它們將會為拓寬相關(guān)應(yīng)用帶來重大機遇。但是，首先有必要了解各種材料的微觀SLM所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒形態(tài)和相的形成，以確定最佳的后期熱處理。

表2在構(gòu)建體積、可實現(xiàn)的層厚度、激光規(guī)格、激光光斑大小、重涂系統(tǒng)、加工材料等方面比較了用于微制造技術(shù)的商用AM系統(tǒng)的各種特性。第一個微觀SLS商用系統(tǒng)是建立在一項基于激光微燒結(jié)技術(shù)的專利之上的。一家由3D-Micromac AG 和EOS GmbH 成立的名為3D MicroPrint GmbH的公司將微觀SLS工藝商業(yè)化為EOSINT μ60，這家公司專門開發(fā)用于金屬精密加工的微觀SLS系統(tǒng)。從表2可以看出，現(xiàn)有的商用系統(tǒng)的激光光斑直徑大于或等于20 μm。應(yīng)該注意的是，為了制造精密的部件，今后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(gòu)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(xiàn)有的微觀SLS系統(tǒng)通常產(chǎn)生10~50 μm的層厚度，不能用于實現(xiàn)亞微米規(guī)模的微觀特征。盡管人們致力于使用不同的重涂系統(tǒng)，商用體系依然都采用葉片或者滾輪系統(tǒng)，這和宏觀SLM系統(tǒng)類似。減少層厚度的能力與所使用粉末的粒徑相關(guān)聯(lián)，傳統(tǒng)的SLM/SLS通常使用直徑為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(shù)的商用AM系統(tǒng)標桿

最近，新加坡制造技術(shù)研究所（SIMTech）的研究者開發(fā)了一種內(nèi)部微觀SLM系統(tǒng)[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涂系統(tǒng)。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(jié)果證明開發(fā)的微觀SLM系統(tǒng)能生產(chǎn)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(tǒng)進行了各種實驗驗證。圖9（b）顯示了使用微觀SLM系統(tǒng)制作的各種特征，其工藝參數(shù)如下：層厚度為10 μm，光斑直徑為15 μm，激光功率為50 W，掃描速度為800~1400 mm·s^?1，孵化間距為10 μm。目前，可以實現(xiàn)的最小特征尺寸為60 μm，最小表面粗糙度（Ra ）為1.3 μm，而該系統(tǒng)能夠處理亞微米和納米級粉末以產(chǎn)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(fā)系統(tǒng)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(fā)的微觀SLM系統(tǒng)；（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(tǒng)SLM按比例縮小到微觀SLM需要考慮某些注意事項，可以分類為：①設(shè)備相關(guān)的；②工藝相關(guān)的和③后處理因素。大多數(shù)工藝機制和工藝參數(shù)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(dǎo)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(shù)量級時，激光微燒結(jié)打印相同組件的加工時間增加了12倍。在微觀尺寸上應(yīng)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，可以提高工藝產(chǎn)量。支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計是微觀SLM的另一個關(guān)注點，因為移除結(jié)構(gòu)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，特別是當建筑支撐結(jié)構(gòu)困難時，預(yù)熱可能是一個問題。

與設(shè)備相關(guān)的縮放比例因素包括建筑平臺、光學(xué)系統(tǒng)、粉末重涂、粉末處理和粉末回收。對于微觀SLM系統(tǒng)，建筑平臺的尺寸和整個設(shè)備的占地面積都較小。為了滿足實現(xiàn)精細光斑尺寸的主要要求之一，必須對光學(xué)單元進行修改，這將在第4.2節(jié)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筑平臺的精密驅(qū)動來實現(xiàn)。與按比例縮小尺寸有關(guān)的主要設(shè)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(huán)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，為建筑室提供一個緊密的封閉空間是非常必要的。粉末粒度和重涂系統(tǒng)的影響將分別在第4.3和4.4節(jié)中討論。后處理差異包括對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(dǎo)致零件變形。粉末黏附于墻體在SLM中是一種常見的現(xiàn)象，這需要在印刷后進行進一步精加工。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拋光也可能是無效的。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(jié)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(shù)之一。激光交點處的光斑尺寸最小，常被用于AM工藝，因為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范圍內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)歸因于光束直徑，但這項研究為后續(xù)研究提供了一些方向，表明光斑尺寸的變化會產(chǎn)生的不同的能量輸入及凝固速率，并在熔體池和微觀結(jié)構(gòu)方面產(chǎn)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(xué)性能方面都得到了改進。Makoana等使用兩種應(yīng)用不同的光束直徑（80 μm和240 μm）的系統(tǒng)來研究基于激光的PBF工藝中光斑尺寸增大的影響。為了研究光束直徑的影響，功率密度保持恒定。研究發(fā)現(xiàn)較小的光束直徑和較小的激光功率會產(chǎn)生較窄和較淺的熔池，并導(dǎo)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(jié)果表明，對應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這種行為被歸因于較小光斑尺寸導(dǎo)致的較高功率密度。一篇關(guān)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(gòu)部件性能發(fā)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(jié)構(gòu)等不同的熔體行為。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(fā)散相對應(yīng)。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(guān)。對類似工藝（即激光焊接）的研究強調(diào)了由于功率密度的增加，更小的激光光斑大小通過實現(xiàn)更快的焊接速度或更深的穿透對改善焊接性能產(chǎn)生的作用。

盡管已經(jīng)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(xiàn)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(tǒng)的光斑尺寸在20~30 μm的范圍內(nèi)，而相應(yīng)的最小特征分辨率與光斑尺寸相似或略大。與之類似，商業(yè)微SLM系統(tǒng)具有大于20 μm的激光光斑尺寸（表2）。為了實現(xiàn)精細的微觀特征，有必要實現(xiàn)更精細的激光束光斑尺寸。DebRoy等強調(diào)需要通過小光斑尺寸和低功率來實現(xiàn)更精細的零件分辨率。光斑尺寸通?？梢杂晒饫w纖芯直徑、聚焦透鏡和準直透鏡構(gòu)成函數(shù)表示。通過適當?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計，減小激光光斑尺寸非常簡單。SLM工藝中的光學(xué)系統(tǒng)通常由準直器、光束整形器、掃描儀和作為物鏡的F-θ透鏡組成。傳統(tǒng)和微觀SLM機器中的掃描系統(tǒng)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(dǎo)激光束。在由Regenfuss等開發(fā)的最初的一套SLS系統(tǒng)中，掃描場為25 mm×25 mm的SCANLAB光束掃描儀與Q調(diào)Nd:YAG激光器一起使用，在TEM00模式下功率為0.1~10 W。為了實現(xiàn)更精細的光斑尺寸，光學(xué)設(shè)計還可以包括其他機制，例如數(shù)字鏡裝置。然而，對光學(xué)系統(tǒng)的詳細評測超出了本研究的范圍。

（三）粉末

幾種粉末特性（圖3）會影響SLM工藝的性能，并由此影響制造的部件質(zhì)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(shù)，并會因此影響粉末床性質(zhì)、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(xiàn)的影響。結(jié)果表明，粉末顆粒的形狀對加工結(jié)構(gòu)和致密化過程有顯著影響，粉末中具有不規(guī)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(guī)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(fā)現(xiàn)了最大粉末堆積密度，且具有最均勻的形態(tài)（即最大球形）。Liu等觀察到，由于有著不規(guī)則的角形態(tài)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為應(yīng)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(jīng)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(xiàn)出了較差的表觀密度、振實密度和PBD。在經(jīng)過SLM工藝之后，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(jié)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，因為使用尺寸大于激光光斑尺寸和層厚度的粉末通常會導(dǎo)致不均勻的能量分布，這會進一步影響熔池行為。

除粒徑外，PSD也會顯著影響SLM過程。Liu等發(fā)現(xiàn)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(zhàn)性的，因為具有窄PSD的細粉末會導(dǎo)致聚集，而具有更寬PSD的粗粉末則會導(dǎo)致分離。此外，許多研究強調(diào)雙峰或多峰粉末分布增加了粉末堆積密度和部件密度?；谶@一優(yōu)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(zhì)量。

傳統(tǒng)的SLM/SLS通常使用粒徑為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(jīng)在微SLS系統(tǒng)中進行了測試，但在零件質(zhì)量方面表現(xiàn)出了局限性。Regenfuss等使用0.3 μm的粉末進行激光微燒結(jié)工藝，以產(chǎn)生圖7所示的特征。Fischer等使用尺寸為3.5 μm的粉末，但最精細的特征分辨率為約57 μm。為了制造亞微米特征，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(dǎo)致過度聚集和氧化。圖10顯示了不規(guī)則形狀和細球形粉末顆粒的聚集。在納米尺度上，范德華力大于重力。團聚會增加顆粒間的摩擦并降低粉末的流動性，導(dǎo)致不均勻的粉末分層。進一步的效果包括球化效應(yīng)和孔隙率的增加。

除了凝聚之外，為了改進微觀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(fā)，導(dǎo)致部件密度降低。

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

圖10（a）亞微米粒狀鎢粉末的附聚；（b）具有不規(guī)則形狀的銅納米顆粒（平均粒徑為100 nm）；（c）球形銅納米顆粒，尺寸為40 nm。（a）轉(zhuǎn)載自參考文獻，經(jīng)Emerald Group Publishing Limited許可，?2007 ；（b）和（c）轉(zhuǎn)載自參考文獻，經(jīng)Elsevier B.V.許可，?2018

（四）粉末重涂系統(tǒng)

據(jù)報道，金屬微SLM/SLS工藝的主要問題是傳統(tǒng)的重涂系統(tǒng)無法有效地將粉末沉積在粉末床上。學(xué)界一直認為有必要研發(fā)一種新型粉末重涂機制，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并且導(dǎo)致高表面能而易于過度聚集。在納米尺度下，范德華力大于重力，導(dǎo)致在AM過程的重涂步驟中形成不均勻的粉末層。為了實現(xiàn)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(yù)熱/預(yù)燒結(jié)）；

? 使用額外的黏合劑進行有效分配（基于漿料）。

為了設(shè)計應(yīng)用范圍不限于微SLM的新粉末分配策略，有必要理解當前在傳統(tǒng)SLM中使用的現(xiàn)有技術(shù)。

1. 目前應(yīng)用的耙動法

粉末床重涂取決于粉末的流動性，這同時受到粉末和設(shè)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，而粉末在被鋪展后還需要完好無損。大多數(shù)商業(yè)SLM/SLS系統(tǒng)使用刮刀或滾筒重新涂覆粉末層（圖11），如表2所述。

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

應(yīng)用最為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(yù)計在刀片上施加超聲波振動會降低這些剪切應(yīng)力。

滾筒是第二常用的粉末耙動設(shè)備。滾筒通過在粉末床上的平移或順時針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向前旋轉(zhuǎn)運動，稱為正向旋轉(zhuǎn)滾筒（FR），如圖11（b）所示。這種方法傾向于將粉末壓實，因為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并在粉末床中形成凹坑。在相反方向上的滾筒旋轉(zhuǎn)，稱為反向旋轉(zhuǎn)滾筒（CR），具有更好的流動性，因為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(shè)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產(chǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)的示意圖如圖11（g）所示。在該設(shè)置中，構(gòu)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(tǒng)。

表3 粉末耙動系統(tǒng)的比較

現(xiàn)有的耙動系統(tǒng)對于傳統(tǒng)的SLM工藝是有效的，因為在現(xiàn)有工藝中，粉末擴散中的微小不準確性可以忽略不計。然而，在微觀尺度上，類似的問題可能導(dǎo)致制造的零件尺寸出現(xiàn)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?，F(xiàn)有的重涂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(tǒng)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，需要有效的粉末重涂系統(tǒng)來將層厚度控制到亞微米級或納米級精度，同時沿著粉末床產(chǎn)生均勻的粉末分布。

2. 干粉分配

為了克服當前粉末分配系統(tǒng)存在的問題，Vaezi等建議使用干粉分配技術(shù)，特別針對微觀PBF工藝流程。干粉分配的機械方法包括氣動、容積和螺旋/螺旋鉆方法，這些方法進料速度慢并且不能處理細粉末。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(shù)量級。

振動方法在細粉供給領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。這些方法使用振動行為來增加自由體積，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]來控制粒徑為20 μm和不規(guī)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(dǎo)致管壁和粉末之間的摩擦應(yīng)力降低。振動的幅度和頻率都是影響流速的關(guān)鍵參數(shù)。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(fā)了類似的裝置，使用基板上尺寸為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產(chǎn)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(nèi)壁附近的薄粉層表現(xiàn)為潤滑劑。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并實現(xiàn)連續(xù)和均勻粉末進料的能力。Yang和Evans開發(fā)了一種系統(tǒng)，如圖12（c）所示，使用單獨的粉末料斗和混合料斗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(jīng)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并用于普通的AM系統(tǒng)中。

圖12 振動干粉末分配系統(tǒng)的示意圖。（a）使用直流電動機的振動；（b）使用超聲波源振動；（c）使用聲學(xué)粉末床AM的多粉末分配系統(tǒng)。（a）經(jīng)日本粉末技術(shù)學(xué)會許可轉(zhuǎn)載自參考文獻，?1996 ；（b）經(jīng)Elsevier B.V.許可轉(zhuǎn)載自參考文獻, ?2004 ；（c）經(jīng)日本粉末技術(shù)學(xué)會許可轉(zhuǎn)載自參考文獻，?2007

AM的另一種有應(yīng)用前景的粉末進料機制是基于靜電的分配。靜電涂層和噴涂已廣泛用于工業(yè)涂料和建筑行業(yè)。在Yang等所詳述的最近的一篇綜述中，它已經(jīng)在藥片的干燥包衣中得到應(yīng)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。在靜電噴涂中，當粉末顆粒通過噴槍時，粉末開始充電，然后沉積在接地基板上。與其他干涂布方法相比，靜電涂層由于電引力而大大提高了涂層效率和黏附性。

圖13 靜電干粉分配系統(tǒng)的示意圖。（a）靜電噴涂；（b）基于電子照相的SLM粉末分配；（c）靜電粉末壓實；（d）粉末床AM的靜電粉末分配。（a）經(jīng)中國顆粒學(xué)會和中國科學(xué)院過程工程研究所許可轉(zhuǎn)載自參考文獻，?2016 ；（b）經(jīng)自由制造實驗室和得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校許可轉(zhuǎn)載自參考文獻，?2018 ；（c）轉(zhuǎn)載自參考文獻；（d）轉(zhuǎn)載自參考文獻

電子照相術(shù)是使用靜電方法的另一種常見應(yīng)用，其中照相紙用調(diào)色劑顆粒印刷。在電子照相術(shù)中，首先通過高壓電暈對光敏光電導(dǎo)體充電，然后通過光源選擇性地使其表面放電，在光電導(dǎo)體上產(chǎn)生潛像。帶電的調(diào)色劑顆粒沉積在光電導(dǎo)體上，然后將其轉(zhuǎn)移到紙上。基于電子照相技術(shù)，Liew等開發(fā)了一種二次粉末沉積系統(tǒng)，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，然后將其沉積在帶正電荷的紙上。Kumar和Zhang開發(fā)了基于電子照相的粉末沉積技術(shù)，如SLM / SLS，用于粉末床技術(shù)，也可用于黏合劑噴射。它們的設(shè)置示意圖類似于電子照相過程的示意圖，如圖13（b）所示。將粒徑為5 μm的聚苯乙烯粉末沉積在鋁建筑平臺上并通過加熱輥熔合在一起以獲得厚度為1 mm的部件。在該技術(shù)中，層厚度由光導(dǎo)帶的速度、單位質(zhì)量的電荷和顯影輥速度等參數(shù)控制。Thomas等還為SLM工藝開發(fā)了一種基于電子照相的粉末沉積方法。他們的設(shè)置證明了聚合物粉末從充電板到基板的良好轉(zhuǎn)移。這兩項研究都提出了使用電子照相技術(shù)的多材料粉末沉積，發(fā)現(xiàn)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。為了在典型的SLM工藝中實現(xiàn)粉末沉積，他們提出了兩種方法，使光電導(dǎo)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(shè)計了一種篩網(wǎng)進料系統(tǒng)，用于SLS。與電子照相術(shù)不同，篩網(wǎng)供給系統(tǒng)通過去除靜電荷來工作。在篩網(wǎng)進料系統(tǒng)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(tǒng)燒結(jié)聚碳酸酯粉末之后，構(gòu)件強度增強了3~4倍，部件密度增加了10％ ~15％。觀察到實驗結(jié)果歸因于PBD的相應(yīng)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(tǒng)難以實現(xiàn)精確的分層和均勻的涂層厚度。同樣的研究人員開發(fā)了一種基于靜電涂層的SLS粉末重涂方法。盡管靜電粉末分層比輥產(chǎn)生更好的分散，但燒結(jié)部分仍具有很大的孔隙率。

應(yīng)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(yù)燒結(jié)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(jié)和新鮮進料材料層的電位降時，應(yīng)用靜電壓實。通過氣流產(chǎn)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(fā)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(tǒng)，如圖13（d）所示。在他們的設(shè)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后熔化。重復(fù)該過程直到制造整個部件。

該系統(tǒng)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并且可能導(dǎo)致錯誤；②在每層之間穿過基板可能會導(dǎo)致定位不準確和零件移位；③在移位之前處理捕獲的粉末可能很困難。此外，該系統(tǒng)可能仍然缺乏實現(xiàn)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(shù)具有一定的局限性：

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

（2）干粉末分配系統(tǒng)比傳統(tǒng)的粉末重涂方法具有更高的沉積時間。與常規(guī)制造工藝相比，當AM已經(jīng)解決了更高循環(huán)時間的問題時，將增加粉末床工藝的工藝循環(huán)時間。

（五）粉末床表征

對于微米尺度的SLM，薄粉層的應(yīng)用是一個關(guān)鍵步驟，因為它會極大地影響零件分辨率、表面光潔度、孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)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(shù)。如果存在的話，是通過燒結(jié)或熔化的部件密度進行的。SLM收許多工藝參數(shù)影響，因此在比較最終結(jié)果時難以分離粉末床特性的影響。本節(jié)詳細介紹了PBD，因為它是影響微尺度粉末床系統(tǒng)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，沒有標準的方法來表征粉末床的密度。Elliott等設(shè)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。印刷后，取出杯子并測量松散粉末的重量。因為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(fā)現(xiàn)PBD在在粉末的表觀密度和振實密度之間。Gu等設(shè)計了一種無需黏合劑或沿盤燒結(jié)的計算PBD的方法。將直徑為60 mm的SS盤放置在燒結(jié)機的建筑平臺上，分別將三層0.03 mm厚的粉末涂在其上，總高度為0.09 mm，從而可以確定粉末的體積。然后將盤從母板中取出并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(zhì)量。使用質(zhì)量和體積計算PBD。從結(jié)果中觀察到粉末流動性（休止角）和PBD之間沒有相關(guān)性。在Zocca等的實驗中，通過在打印機的建筑平臺中沉積50層粉末（每層厚度為100 μm）之后稱量粉末，并將質(zhì)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，所以后續(xù)處理還是必要的。盡管為了得到粗糙度小于1 μm的光滑表面已經(jīng)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(jié)首先重點介紹AM組件的典型表面處理技術(shù)，以及這些技術(shù)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，即能否單獨后期處理SLM零件或者能否與微觀SLM零件整合形成一個混合系統(tǒng)。

表4比較了一些AM組件常見的表面處理技術(shù)。傳統(tǒng)的減法加工通常用來改善AM生產(chǎn)的近凈成形部件的表面光潔度。簡單的機械研磨和（或）拋光雖然通常不能滿足高質(zhì)量零件所需的標準，但對某些應(yīng)用來說可能是足夠的。

表4 AM制造零件表面精加工技術(shù)的比較

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

化學(xué)和電化學(xué)拋光（ECP）比傳統(tǒng)加工方法更適用于復(fù)雜特征。Pyka等采用化學(xué)蝕刻（CHE）和ECP對鈦合金基開放多孔結(jié)構(gòu)進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)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等電解拋光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(qū)域和時間的形狀精度損失和拋光并不一致。除了相關(guān)的環(huán)境問題之外，ECP易對材料造成侵蝕，這也會使尺寸精度產(chǎn)生偏差。

激光拋光或激光重熔已經(jīng)成為SLM表面潛在的經(jīng)濟有效的表面處理工藝，并可以使用與AM相同的激光源。將SLM制造的SS 316L的激光重熔后，在初始粗糙度為12 μm的情況下，Yasa等得到了1.5 μm的最終表面粗糙度并且在熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)裂縫或孔隙。用青銅滲透的激光拋光附加制造的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，并且沒有形成α殼或熱裂紋。雖然激光拋光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(xué)和熱殘余應(yīng)力。磨料噴砂通常被稱為噴砂，在工業(yè)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(zhì)，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。使用金剛砂噴砂后，植入物的表面粗糙度（Sa）從3.33 μm減小到0.94 μm。Strickstrock等使用氧化釔四方氧化鋯多晶（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拋光SLM制造的黃金合金，初始粗糙度為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(xué)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(jié)了不同噴砂處理對各種材料的最終表面質(zhì)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復(fù)性受到限制，卻常被用于微組件。因為它在工藝簡單性、靈活性、循環(huán)時間和成本方面是有優(yōu)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.

為了滿足復(fù)雜的表面處理的要求，一些新的和不同的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于復(fù)雜的AM組件。Tan和Yeo開發(fā)了一種用于AM部件的新技術(shù)——超聲空化磨料精加工。在該方法中，超聲壓力波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生的空化泡可去除部分熔融粉末?？栈瘹馀莸钠屏岩饹_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是一種眾所周知的精加工技術(shù)，可以強制半固體磨料介質(zhì)穿過表面。在AFM之后，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。磁力研磨拋光（MAF）可以通過作用在磁性研磨劑上的磁力產(chǎn)生磨損力，將SS 316L內(nèi)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振動輔助磁性研磨拋光（VAMAP）的改進版來整飾微通道和凹槽。該方法實現(xiàn)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(shù)諸如振動研磨和滾筒拋光基于部件表面和磨料顆粒之間的滑動原理應(yīng)用于AM部件。振動研磨應(yīng)用于平均粗糙度為17.9 μm的SLM制造的Ti6Al4V，得到的最終粗糙度為0.9 μm。然而，振動研磨導(dǎo)致表面產(chǎn)生大量的粗糙凹槽。Boschetto等使用滾筒拋光（通過旋轉(zhuǎn)桶的翻滾作用去除材料）完成SLM制造的Ti6Al4V。該技術(shù)大幅度降低了SLM試樣的表面粗糙度（48 h的處理時間內(nèi)從13.3 μm到0.2 μm）。盡管該技術(shù)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。

為了從前文討論的可用技術(shù)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、工藝復(fù)雜性、周期時間等。微觀SLM組件的尺寸通常為毫米級，而最小特征分辨率卻在幾微米的范圍內(nèi)（表1）。表4中列出了用于微觀SLM組件的技術(shù)的合格性。盡管整體研磨技術(shù)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(shù)控技術(shù)（CNC）加工微觀SLM零件是可行的，但復(fù)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(nèi)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，并要沿著邊緣侵蝕材料，這可能會導(dǎo)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(yè)（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(yī)療應(yīng)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）和涂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 為0.4 μm。激光拋光是另一種合適的選擇，盡管重熔引起的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致部件變形，尤其殘余的熱應(yīng)力對薄弱部分的沖擊很大。

混合制造系統(tǒng)將AM與減法或其他輔助系統(tǒng)集成在一起，以提高機器系統(tǒng)的生產(chǎn)率和定制性能。AM中的混合系統(tǒng)把激光熔覆頭（在LMD的情況下）安裝在銑床的z 軸上，然后集成激光系統(tǒng)和CNC銑床。總的來說，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該以最少的后處理來提高結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(tǒng)可用，盡管PBF-AM之后的組件的表面質(zhì)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(jīng)改善了許多，但是還沒有開發(fā)出包括加成和減成加工的混合系統(tǒng)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，激光重熔或激光拋光與微SLM集成來開發(fā)混合系統(tǒng)似乎是最可行選擇?？梢栽诂F(xiàn)有SLM系統(tǒng)中使用相同的激光源或不同的激光源。盡管如此，應(yīng)該承認每種精密加工技術(shù)都有其自身的優(yōu)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(yīng)改進SLM技術(shù)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(yīng)用

微觀AM（特別是微觀SLM）已經(jīng)應(yīng)用于多個領(lǐng)域的精密器件和元件的制造中。微流體裝置可應(yīng)用于細胞生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)科學(xué)和臨床診斷領(lǐng)域。本文嘗試了直接型AM的微流體裝置，但發(fā)現(xiàn)該方法的生產(chǎn)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(shù)是噴射模塑法和熱壓成型。這些技術(shù)需要主模具或工具插件把特征復(fù)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(shù)受到材料和設(shè)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(shù)可以提高工具壽命，從而提高生產(chǎn)率。相同的技術(shù)可用于生產(chǎn)高深寬比的微結(jié)構(gòu)，這種微結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)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(zhì)，用于組裝集成電路（IC）組件。兩個柔性基板是通過在預(yù)制的跡線上印刷銀電極和銀連接體橋接的。

微觀AM也可以應(yīng)用于牙科領(lǐng)域。目前，除了最常見的立體光刻和數(shù)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(yè)中的一些潛在應(yīng)用。

在過去十年中，珠寶行業(yè)一直在嘗試使用AM加工珠寶。這個領(lǐng)域正在不斷發(fā)展，因為幾乎所有主要的AM設(shè)備制造商都不斷加大使用AM來加工貴金屬：如金、鉑和鈀合金的力度。AM除了一些常見的優(yōu)勢，如近凈成形制造，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(wǎng)狀物的能力，還有輕巧的部件可以增強設(shè)計的自由度和美感，是吸引珠寶行業(yè)的特定因素。珠寶制造商的多項研究強調(diào)，盡管目前局限性仍然存在，但是SLM將與傳統(tǒng)鑄造共存，以節(jié)約成本和實現(xiàn)設(shè)計的多功能性。

Hirt等設(shè)想可以將設(shè)備和傳感器直接印刷應(yīng)用到航空、汽車、醫(yī)療和光學(xué)行業(yè)的現(xiàn)有技術(shù)上。微米級或納米級分辨率的部件有助于實現(xiàn)可控的微結(jié)構(gòu)。利用微結(jié)構(gòu)的精確控制來改善AM制造部件的機械強度和摩擦學(xué)性能。

七、結(jié)論

本文系統(tǒng)地回顧了SLM技術(shù)在金屬材料上實現(xiàn)微尺度特征的應(yīng)用。微觀SLM與傳統(tǒng)SLM的區(qū)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(xiàn)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(tǒng)的最小特征分辨率為15 μm，最小表面粗糙度為1 μm，最大部件密度為99.3%?？紤]到該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究有限，讓人驚嘆的是，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些商業(yè)化的微觀SLM系統(tǒng)。

商業(yè)系統(tǒng)可達到的最小光斑尺寸和層厚度分別為20 μm和1 μm?，F(xiàn)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(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，這使得跨尺度比較SLM工藝變得困難。

為了發(fā)展微觀SLM技術(shù)，SLM系統(tǒng)還需要進一步的修改，如調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，粉末重涂和粉末的分配和成形階段的驅(qū)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涂系統(tǒng)。文獻表明，目前的粉末重涂方法主要是通過刀片或滾輪進行的，并不適合處理細粉末。本文綜述了幾種可能的干粉滴涂方法在粉末床AM系統(tǒng)中的可行性。在已經(jīng)實施和測試的AM系統(tǒng)中，人們采用了振動和靜電的粉末分配方法。靜電技術(shù)在涂層循環(huán)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(tǒng)：如粉末分配、收集和粉末篩分，并建立一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

本文還研究了SLM部件表面處理技術(shù)。雖然大多數(shù)工藝可以實現(xiàn)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(shù)。在混合處理的方法中，激光拋光作為微觀SLM的二次精加工技術(shù)似乎比其他技術(shù)更實用。

不限于SLM/SLS，制約微AM應(yīng)用的常見因素有：粉末粒徑有限，由于金屬中的高散熱導(dǎo)致加熱區(qū)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(fā)新的系統(tǒng)，使用新型的方法來進行粉末配置和部件的后期處理。

微觀SLM未來方向應(yīng)側(cè)重于兩個方面：與設(shè)備有關(guān)的因素和與工藝有關(guān)的因素。應(yīng)設(shè)計一種系統(tǒng)來處理納米級且易于聚集的金屬粉末。重點應(yīng)放在開發(fā)一種創(chuàng)新性的粉末重涂系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)亞微米級厚度的均勻粉末層，同時不會影響重涂速度。關(guān)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(shù)量有限，需要進一步了解微SLM制造的部件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能?？紤]到具有優(yōu)良性能的金屬微粒在精密工程、生物醫(yī)學(xué)、牙科和珠寶等各個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛， SLM的進一步改進將擴大它本身甚至AM的應(yīng)用領(lǐng)域。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。