激光选区烧结3D打印成形生物高分子材料研究进展

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第53卷第1期表面技术2024年1月SURFACE TECHNOLOGY·15·激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展竺俊杰1，王优强1,2*，倪陈兵1,2，王雪兆1，刘德建1，房玉鑫1，李梦杰1（1.青岛理工大学，山东 青岛 266520；2.工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东 青岛 266520）摘要：激光选区熔化（SLM）技术与激光熔化沉积（LMD）技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力，但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题，影响了构件的力学性能，从而制约了其大规模的应用。

针对这一现状，首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理，比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点，并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。

其次，从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手，综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响，以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。

发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构，从而影响成形件的组织与力学性能。

此外，综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响，可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异，同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。

最后，探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响，通过合适的热处理能够降低成形构件应力，并调控组织相变和性能。

关键词：激光选区熔化；激光熔化沉积；钛合金；微观组织；力学性能；热处理中图分类号：TG146.23 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)01-0015-18DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.01.002Research Progress on Microstructure and Mechanical Propertiesof Titanium Alloy by Laser Additive ManufacturingZHU Junjie1, WANG Youqiang1,2*, NI Chenbing1,2, WANG Xuezhao1,LIU Dejian1, FANG Yuxin1, LI Mengjie1(1. Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520, China;2. Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control, Shandong Qingdao 266520, China)ABSTRACT: Selective laser melting (SLM) technology and laser melting deposition (LMD) technology are becoming收稿日期：2022-11-30；修订日期：2023-06-15Received：2022-11-30；Revised：2023-06-15基金项目：山东省自然科学基金（ZR2021ME063）Fund：The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME063)引文格式：竺俊杰, 王优强, 倪陈兵, 等. 激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(1): 15-32.ZHU Junjie, WANG Youqiang, NI Chenbing, et al. Research Progress on Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Alloy by Laser Additive Manufacturing[J]. Surface Technology, 2024, 53(1): 15-32.*通信作者（Corresponding author）·16·表面技术 2024年1月increasingly close to the properties of manufactured titanium alloys and forgings, which have great potential for applications in aerospace, biomedical and other fields. However, the poor surface quality, large residual stresses and the presence of internal holes in the formed Ti6Al4V alloy components affect the mechanical properties of the components, thus limiting their large-scale application. To address this situation, this work firstly outlined the manufacturing principles of selective laser melting and laser melting deposition, compared the forming parameters and characteristics of the two additive manufacturing technologies, and analyzed the advantages and applications of the two different forming technologies. Since the selective laser melting technique could adjust the thickness of the laying powder, a smaller laser spot diameter was chosen to improve the surface quality and dimensional accuracy of the formed components. The laser melting and deposition technology adopted coaxial powder feeding for faster processing and was more suitable for manufacturing medium to large metal parts.Secondly, the effects of laser power, scanning speed, laser scanning pitch, powder thickness and powder bed temperature on the forming of titanium alloys by SLM process and the effects of laser power, scanning speed and powder feeding rate on the forming of titanium alloys by LMD process were reviewed from the forming process parameters of the two additive manufacturing technologies, revealing the intrinsic effects of forming parameters, microstructure and mechanical properties in the additive manufacturing process. The direct parameters of the forming process were found to affect the degree of powder melting, fusion quality and forming microstructure, thus affecting the organization and mechanical properties of the formed parts. The effect of laser power and scanning speed on the forming process was more obvious than other factors, and there was a greater correlation between them, and a combination of lower laser power and higher scanning speed could be adopted to obtain specimens with higher microhardness. In addition, the effects of different scanning strategies on the surface quality and mechanical properties of titanium alloys formed by the two additive manufacturing techniques were reviewed, and it was found that the surface quality, residual stress and tensile strength of different regions of the same specimen surface under different scanning strategies differed significantly, and anisotropy existed between different surfaces of the specimen under the same scanning strategy. Finally, the effects of different heat treatment processes on the microstructure and mechanical properties of titanium alloys were investigated, and suitable heat treatments could reduce the stresses and regulate the phase changes and properties of formed components. Two heat treatments, annealing and solution aging, can be combined to balance the strength and plasticity of the component. To summarize the research development of these two additive manufacturing technologies, it is necessary to accelerate the establishment of a complete system of methods under the forming process and forming environment, and to promote the research on the mechanism of microstructure evolution and macro mechanical properties influence.KEY WORDS: selective laser melting; laser melting deposition; titanium alloy; microstructure; mechanical properties; heat treatment由于钛合金有着比强度较高、生物相容性较好以及耐腐蚀性能好的优势，因此在全球范围内广泛应用于生物医疗与航空领域[1-2]。

3D打印在生物医疗领域的应用及医学案例3D打印技术诞生于20世纪90年代中期，是一种基于计算机3D数字成像技术和多层连续打印的新兴技术。

3D打印技术结合了光固化和纸层叠等技术，用于物件的快速成型。

近年来，3D打印技术在生物医学领域取得了突飞猛进的进展。

一、组织工程学中的技术进展组织工程学的目标是为再生疗法创造功能性组织和器官，最终实现器官移植或置换。

研究人员在可再生医学领域不断的试错以验证技术的可行。

研究人员在长期对自然人体组织观察后提出了一份要求清单。

他们指出，如果希望人造组织像人体内的自然组织那样起作用，那么人造组织就必须：①通过微缝、胶水[1]或细胞粘[2]附实现与自然组织的整合；②在体内实现组织基本功能[3]；③完全血管化以维持其生理功能[4]。

此外，用于组织制造的打印机也需要标准化：①生物打印机需要设定极端的灭菌方法；②密切监测湿度和温度等因素以达到生物打印的理想条件；③理想的喷嘴尺寸和输送方式。

1、热喷墨生物打印[5]研究人员修改了典型的喷墨打印机，以便为组织材料提供便利的特殊打印头。

印刷台或接收托盘也被修改为在三维空间（，y，z方向）上移动。

选择用于组织制造的打印机之一是具有300dpi打印分辨率的HewlettPackard（HP）Dekjet500热敏式喷墨打印机。

研究人员使用通道直径更小的喷嘴与该打印机结合使用。

用“生物墨水”替代了普通墨水。

这种“生物墨水”是一种由蛋白质、酶和悬浮在培养基或盐水中的细胞组成的水基液体。

喷墨打印机从上到下逐层打印生物组织。

可使用扫描的CT或者MRI图像引导进行3D打印。

流体液滴作为先前设计的图案的点对点表示被喷射到打印表面上。

热喷墨打印机还可以使用热量生成能在针头内破裂的小气泡，以提供将生物体排出喷嘴的压力脉冲。

过高的温度将破坏生物细胞，因此打印机内温度控制为高于环境温度4～10℃，以保证90%的生物细胞活性。

喷出喷头的生物墨水的剂量根据温度梯度、电流频率和生物墨水粘度可从10～150pL变化。

第15卷第6期精密成形工程袁美霞，柳校可，华明（北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京 100044）摘要：选区激光熔化技术（SLM）被认为是极有前途的增材制造技术之一，但不可逆的溅射行为严重限制了SLM技术的应用。

从粉末熔池演变、加工工艺优化和飞溅颗粒动态特征监测等方面，总结了SLM过程中飞溅行为的研究现状，分析了飞溅行为的产生机制，探讨了激光–粉末–熔池相互作用下的熔池演变情况，表明金属蒸气、Marangoni效应和伯努利效应是诱发飞溅的主要因素；讨论了加工工艺与飞溅行为的相互关系，表明通过优化工艺参数和改善打印环境以抑制飞溅是行之有效的方法；阐述了飞溅诱导缺陷的机理，并讨论了SLM过程的监测方法，表明单一信号的局限性会导致监测结果失准，多信号融合监测是提升精准性的重要方法之一。

最后，针对飞溅行为存在的关键科学问题和技术难题，展望了SLM加工中飞溅行为的研究方向。

关键词：SLM技术；增材制造；飞溅机制；内部缺陷；飞溅监测DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.06.020中图分类号：TF121 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)06-0163-11Research Progress of Splashing Behavior in Selective Laser MeltingYUAN Mei-xia, LIU Xiao-ke, HUA Ming(School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044, China)ABSTRACT: Selective Laser Melting (SLM) is considered one of the most promising additive manufacturing (AM) technolo-gies, but the irreversible sputtering behavior severely limits the application of SLM. The work summarized the research status of splashing behavior in SLM from the aspects of powder melt pool evolution, processing process optimization, and dynamic monitoring of splashed particles. The mechanism of splashing behavior was analyzed, and the evolution of melt pool under the interaction of the laser powder molten pool was explored. It showed that metal vapor, Marangoni effect, and Bernoulli effect were the main factors inducing splashing. The interaction between processing technology and splashing behavior was discussed, indicating that optimizing process parameters and improving the printing environment were effective methods to suppress splashing. The mechanism of splash-induced defects was elaborated, and the monitoring methods of SLM process were dis-cussed. It showed that the limitations of a single signal could lead to inaccurate detection results. Multi signal fusion monitoring was an important method to improve accuracy. Finally, in response to the key scientific and technical challenges in studying收稿日期：2023–03–07Received：2023-03-07基金项目：国家重点研发项目（2022YFC2406004）；北京建筑大学研究生创新项目（PG2022134）Fund：National Key Research and Development Projects(2022YFC2406004); Beijing University of Architecture Graduate In-novation Project(PG2022134)作者简介：袁美霞（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向为增材制造。

选择性激光烧结技术讨论选择性激光烧结技术讨论1.选择性激光烧结技术（SLS）的发展现状⽬前RP技术的快速成型⼯艺⽅法有⼗多种，主要有：⽴体光固造型（⽴体印刷）SLA；选择性激光烧结SLS；叠层技术LOM；熔融沉积造型FDM ，三维印刷3D-P。

选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering）是发展最快，最为成功且已经商业化的RP⽅法之⼀，采⽤该技术不仅可以制造出精确的模型，还可以成型具有可靠结构的⾦属零件作为直接功能件使⽤。

由于其具有诸多优点，如粉末选材⼴泛、适⽤性，可直接烧结零件等，因此在现代制造中受到越来越⼴泛的重视。

SLS技术最初是由美国德克萨斯⼤学奥斯汀分校于1989年提出的。

后来美国DTM公司于1992年推出该⼯艺的商品化⽣产设备。

⼏⼗年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了⼤量研究⼯作，在设备研制和⼯艺、材料开发上取得了丰硕的成果。

德国的EOS公司在这⼀领域也做了很多研究⼯作，并开发了相应的系列成型设备。

在国内，很多单位进⾏了SLS的相关研究⼯作，如华中科技⼤学、南京航空航天⼤学、西北⼯业⼤学、华北⼯学院和北京隆源⾃动成型有限公司等也取得了许多重⼤成果。

如北京隆源⾃动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型的商品化设备。

如果从烧结⽤材料的特性来划分，选择性激光技术的发展可分为两个阶段：⼀是⽤SLS技术烧结低熔点的材料来制造原型。

⽬前的烧结设备和⼯艺⼤多处于这⼀阶段。

所使⽤的材料是塑料、尼龙、⾦属或者陶瓷的包⾐粉末）（或于聚合物的混合物）；⼆是⽤SLS技术直接烧结⾼熔点的材料来制造零件2. 选择性激光烧结技术的研究内容选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)是20世纪80年代末出现的⼀种快速成型新⼯艺—利⽤激光束烧结粉末材料分层加⼯制造技术。

零件的三维描述被转化为⼀整套切⽚，每个切⽚描述确定⾼度的零件横截⾯。

采⽤激光束对粉末状的成型材料进⾏分层扫描，受到激光束照射的粉末被烧结。

一、实验目的本次实验旨在通过激光立体成形（Laser Solid Forming，LSF）技术，实现复杂形状金属零件的快速制造。

通过实验，了解激光立体成形的基本原理、工艺参数对成形质量的影响，以及如何优化工艺参数以获得高质量的成形件。

二、实验原理激光立体成形技术是一种基于激光熔覆原理的增材制造技术。

其基本原理如下：1. 在计算机中生成零件的三维CAD模型；2. 将模型按一定的厚度分层，切片，将三维数据信息转换成一系列二维轮廓信息；3. 在数控系统的控制下，用同步送粉激光熔覆的方法，将金属粉末材料按照一定的填充路径在一定的基材上逐点填满给定的二维形状；4. 重复以上过程逐层堆积，形成三维实体零件。

三、实验材料与设备材料：- 金属粉末：Ti6Al4V合金粉末；- 基材：Ti6Al4V合金板材。

设备：- 激光立体成形机：德国EOS公司EOSINT M280；- 激光器：IPG公司YLP-6000光纤激光器；- 数控系统：德国EOS公司EOS roast；- 扫描电镜：日本日立公司S-4800；- X射线衍射仪：德国Bruker公司D8 Advance。

四、实验方法1. 根据零件的三维CAD模型，设置分层厚度、扫描速度、送粉速率等工艺参数；2. 将金属粉末和基材放置在成形机上；3. 启动激光器，开始激光立体成形实验；4. 实验完成后，将成形件取出，进行外观检查、尺寸测量、力学性能测试等。

五、实验结果与分析1. 外观检查：成形件表面光滑，无明显的缺陷，如气孔、裂纹等。

2. 尺寸测量：成形件尺寸与设计尺寸基本一致，误差在可接受范围内。

3. 力学性能测试：- 拉伸试验：成形件抗拉强度、屈服强度、伸长率等力学性能指标均达到设计要求；- 硬度测试：成形件硬度均匀，硬度值符合设计要求。

4. 微观组织分析：- 扫描电镜分析：成形件微观组织致密，晶粒细小，无明显的缺陷；- X射线衍射分析：成形件晶粒取向良好，无明显的织构。

激光选区熔化成形技术特点及零件特性分析摘要:本文通过对金属3D打印技术与铸造方法的差异分析，介绍了常见的四种金属3D打印技术方法，分析了激光选区熔化成形技术的相关特征及其优缺点，展望了激光选区熔化成形技术的发展方向。

关键词：3D打印技术；熔化成形；技术特点；特性分析1 概述现代3D打印技术问世于上世纪80年代。

该技术以数字化模型文件为基础，基于离散堆积原理，采用离散材料（液体、粉末、丝等），通过逐层累加的方式来制造任意形状的零件或物体。

从生产特征上来说，金属3D打印技术与传统的去除材料的机械加工方法截然不同，其最大差异在于“增材制造[1]”，但金属3D打印技术与铸造方法虽然生产特征也不同，但却非常接近，二者都是采用熔化的合金“堆积”来形成零件，只不过铸造“堆积”的是经过熔炼的均匀合金液且堆积材料连续并整体一致，而金属3D打印则是以瞬间熔化的合金液逐滴、逐条、逐层堆积，最后熔合在一起形成零件。

简单对比就可看出，金属3D打印零件的堆积方式不同于铸造，金属3D打印是逐滴、逐条、逐层堆积，是离散堆积，而铸造是连续堆积。

堆积方式不同必然对材料组织的形成产生影响，材料组织不同必将对应不同的性能特点，不同的性能特点则意味着不同的用途以及使用领域。

如何科学的评价这两种组织之间的差异以及给出金属3D打印零件是否可以替代之前采用的铸件对于普通零件设计者来说是一件相对复杂的工作。

但无论如何，分析金属3D打印零件的相关特征并给出其优缺点，无疑将对科学的选择和应用金属3D打印技术，并对金属3D打印技术的发展产生积极地意义。

2 常见金属3D打印技术简介常见的金属3D打印技术主要有电子束选区熔化成形、激光熔融沉积成形、电子束熔丝沉积成形、激光选区熔化成形[2]四种。

电子束选区熔化成形是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成形材料，通过不断在粉床上铺展金属粉末然后用电子束熔化，使一个个小小的熔池相互熔合并凝固，这样不断进行最后形成完整的零件实体。

181１ ３Ｄ打印技术概述3D打印(Three Dimentional Pinting)又称增材制造(Additive Manufacturing)技术即快速成型技术的一种 ，是一种以数字模型文件为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束、加热头、光固化等方法将粉末状金属、塑料等可粘合材料或细胞、组织等特殊材料，通过逐层打印的方式来构造出物体的技术。

3D打印是相对于传统机加工等减材制造技术来说的，这类制造工艺不仅不需要借助刀具，就能完成高精度复杂结构的制作，而且极大地缩短产品的研制周期，简化操作流程。

凭借高效节能、节时的优势，3D打印已经突破了人们熟悉的传统减材制造的限制，为生物医药、航空航天、建筑设计、文物修复、食品工业等领域的创新提供舞台。

２ ３Ｄ打印技术发展现状2.1 3D打印基本流程2.1.1 建模3D建模通俗来讲，就是利用三维制作软件在虚拟三维空间内构建出具有三维数据的模型。

目前，建模途径有很多种，例如，直接从网上下载模型、通过3D扫描仪逆向工程建模，通过3DMax, Maya, CAD(Computer Aided Design)等软件建模。

2.1.2 切片处理首先，将设计成功的3D模型切成片层，并设计好打印的路径(填充密度、角度、外壳等)。

其次，切片文件以.gcode格式储存，即一种3D打印机能直接读取并使用的文件格式。

然后，再通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机，并控制3D打印机的参数，运动使其完成打印。

2.1.3 开始打印启动3D打印机，通过数据线、SD卡等方式把Gcode格式的打印文件传送给3D打印机，同时，装入3D打印材料，调试打印平台，设定打印参数，然后打印机开始工作，材料逐层打印，层与层之间通过特殊的胶水进行粘合，最终一个完整的3D模型就会呈现在人们眼前。

2.2 常见打印工艺目前，为了满足不同打印材料的需求，已经研究出多种3D打印技术，比如，光固化成型技术、电子束选区融化技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、分层实体制造技术等，下面对其主要工艺原理及特点进行介绍。