3D打印或增材制造是一种采用逐层材料堆积的方式直接从数字模型制造零件的新方法，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。这种无模具的制造方法可以在短时间内生产出完全致密的金属零件。3D打印具有零件设计自由、零件复杂性、轻量化、零件整合和功能设计等特点，故金属3D打印在航空航天、石油海洋、汽车、模具制造和医疗领域中的应用受到特别的关注。

3D打印，也称为增材制造（Additive Manufacturing，AM），是一个从三维模型数据出发，将材料逐层堆积制造物体的过程，而不是传统的减法制造方法。这种无需原胚和模具的制造方法可以给行业带来新的设计灵活性，减少能源使用和缩短上市时间。增材制造的主要应用包括快速成形、快速模具、直接零件生产及塑料、金属、陶瓷和复合材料的零件近年来，电子计算能力、材料和建模科学的进步以及 AM 技术所带来的优势，使 AM 从快速成型转向直接制造金属零件。任何金属的AM工艺都有两个主要参数，分别是原料输入和用于形成零件的能源。输入的原材料可以是金属粉末或丝，而电子束或激光/电弧可作为能量源，如图 1所示。AM 机器需要将 CAD模型转换为.stl（stereo lithography）格式的文件，然后用专用切片软件将该模型切成多个横截面层，AM机器将逐一构建这些横截面层，形成一个完整的零件。这些层的厚度取决于制造给定零件的原材料类型和AM工艺。

1　金属3D打印技术分类及成形特点

金属AM工艺可大致分为两个主要大类：粉末床熔合技术（Powder bed fusion，PBF）[7-8]和定向能量沉积技术（Directed energy deition，DED）[9]。这两种技术都可以根据所使用的能源类型进一步分类。在PBF技术中，热能选择性地熔化粉末层区域。PBF技术的主要代表性工艺有：选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、选择性激光熔化成形（Selective Laser Melting，SLM）、直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）和电子束熔化成形（Electron beam melting，EBM）。在DED技术中，通过使用聚焦的热能来熔化材料（粉末或丝状）而沉积。一些常用的DED技术包括激光工程化净成形（Laser engineered net shaping，LENS）、直接金属沉积（Direct metal deition，DMD）、电子束自由成形制造（Electron beam free form fabrication，EBFFF）和电弧增材制造。本文主要介绍了 SLS、SLM、DMLS、EBM和LENS金属3D打印技术的基本原理、特点及其应用。

1.1　选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结作为一种增材制造技术，采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中激光将粉末材料部分熔化，粉末颗粒保留其固相形态，并通过后续的液相凝固、固相颗粒重排粘接实现粉末致密化。SLS系统由激光器、扫描系统、铺粉滚筒、粉末床和粉末输送系统等组成，原理如图2所示[10]。在计算机上绘制好CAD三维实体零件模型，将其转换成STL文件格式，再利用切片软件将文件切分成一定厚度的一系列有序片层，将切片数据传送到 SLS系统中。烧结开始前，将金属粉末预热到低于烧结点某一温度后，一侧的供粉缸上升至给定量，铺粉滚筒将粉末均匀地铺在粉末床上表面，激光束在计算机系统的控制下，按照设定的功率及速度对层截面轮廓进行扫描。激光束扫过之后，粉末烧结成给定厚度的实体轮廓片层，未被烧结的粉末作为支撑，这样零件的层烧结完成。这时，粉末床下移一个分层厚度，供粉缸上移，铺粉滚筒重新铺粉，激光束进行下一个分层的烧结，前后烧结的实体片层自然粘接为一体，如此循环往复，逐层堆叠，直至三维实体零件烧结完成。

SLS技术具有可直接制造复杂结构金属制品并且制作时间短，使用材料广泛，价格低廉，材料利用率高，制造工艺比较简单，可以实现设计制造一体化，应用面广等优点。此外，该工艺无需设计支撑结构，未烧结的粉末直接支撑成形过程中的悬空部分，成形精度平均可达0.05～2.5 mm[11]，可以实现一定批量的个性化定制[12]。但 SLS工艺也存在很多不足：原材料和设备成本都很高；零件内部疏松多孔，表面粗糙度较大，机械性能不足；零件质量容易受到粉末的影响；成形时消耗大量的能量，需要比较复杂的辅助工艺；零件的尺寸受到限制。