基于粘结剂喷射和SLM的金属3D打印性能对比分析

材料的可用性和性能是影响其应用的关键因素。截至目前，金属FDM可用材料包括17-4、316L不锈钢，6061铝合金、In 625等；金属粘结剂喷射可用材料除17-4、316L、304不锈钢等等常规材料外，已经扩展到了纯铜以及铝合金。

目前，只有SLM能够成型较多的金属材料，包括铝、钛、镍、钢、贵金属、高温金属以及镁等其他正在开发的材料。理论上，每一种可焊接材料都可以用于激光粉末床成型。关于激光成型的金属材料的机械性能已经被大量研究，但对基于烧结的粘结剂喷射成型技术的研究，实际上到今天都仍然不是太多。

材料可成型示意

原则上，所有已知可用于MIM的金属也可用于粉末床成型烧结技术，特别是采用激光成型困难的铜和碳化物材料，因此具有广阔的应用前景。

材料性能—密度

本研究，以316L和17-4PH不锈钢为例对比材料性能。这两种材料可用于SLM、MIM、金属FDM以及3DP工艺，具有最佳的可对比性。研究数据基于来自9个不同供应商的50多个样本。

材料密度分析

高材料密度对于良好的机械性能如拉伸强度和疲劳性能是至关重要的。此外，由于设计限制，所有携带流体或气体的组件都需要达到一定的致密度，因为密度与壁厚以及零件的可渗透性具有重要联系。对于孔隙率的分析，通过光学显微镜分析每种技术的零件横截面；密度通过xy和zx平面中的三个代表性图像计算。汇总样本包括来自几个3DP和金属FDM系统制造商的显微照片以及MIM和SLM样品。这些数据显示出不同技术在孔隙孔径、形状和分布上的显著差异。对于3DP烧结技术，最主要的影响因素是不同的脱脂和烧结策略，而不是特定的3D打印机制。

计算机断层扫描（CT）可用于零件无损检测，对于孔隙度分析的有效性，必须考虑CT图像的质量和分辨率，断层扫描可能无法检测到低于分辨率的孔洞。

FDM与SLM打印零件CT扫描

比较3DP、金属FDM以及SLM的计算机断层扫描图像，结果显示3DP和金属FDM样品具有更多的孔隙分布，这与光学显微图像的结果相印证，表明基于烧结的零件组织具有更多的缺陷。

材料性能—微观组织

为了最小化烧结温度和其他工艺固有因素对机械性能的影响并提高可比性，所有拉伸试样采用相同的热处理工艺。

所有样本在1040℃的温度下真空保温1小时，17-4PH试样另外进行H1025热处理。

17-4PH微观组织形貌

316L不锈钢试样显示出典型的孪晶奥氏体微观结构，晶粒尺寸在50-100μm；17-4PH试样具有马氏体微观结构和残余奥氏体。对于这两种合金，来自某些供应商的样品显示出在较高烧结温度下形成的δ铁素体沉淀。

 316L与17-4PH热处理工艺

材料性能—拉伸强度和硬度

基于烧结的金属打印零件，其硬度接近ISO 22068对于MIM成型材料的要求。其硬度值低于标准要求可能与溶液处理和孔隙积累有关。

316L不锈钢热处理后的硬度（HV）

316L不锈钢热处理后的拉伸性能

无论基于烧结还是熔化的金属打印零件拉伸性能均满足ASTM A276和ISO 22068标准要求，并高于铸造零件的拉伸强度。SLM成型的316L不锈钢材料具有较好的弹塑性，并具有极高的屈服强度。由于激光成型过程中材料瞬间凝固，晶粒来不及长大，相对于基于烧结成型的金属零件伸长率略低。

17-4PH 经H1025热处理后的硬度

17-4PH 经H1025热处理后的拉伸性能

经沉淀硬化后，两种技术成型的金属打印件强度均符合标准要求并与MIM成型件一致，而MIM材料的伸长率则远远超过标准值。用于测试的样品具有99%的高致密度，而烧结成型的合金材料的平均致密度一般为95%-97%

表面质量和尺寸精度

表面质量

表面质量和尺寸精度是金属增材制造技术在生产中的重要指标。对于最终应用来说，在构建条件下的高精度和低表面粗糙度可能会减少某些后处理的使用。在此方面，SLM通常与铸件表面质量相比较。

成型零件表面粗糙度Ra（μm）

为了评估表面质量，往往通过粗糙度测量仪进行测量。通过测量ZX和XY平面中的试样表面来计算数值，两组值都需要进行有意义的技术比较。对于金属FDM，表面粗糙度很大程度上取决于构建方向。

粗糙度测量仪测量零件表面粗糙度

增材制造部件的功能表面往往通过后加工获得，自由形状的表面可以保持构造或通过简单喷砂来获得较好的表面光洁度。注射成型的零件表面质量通常能够满足功能表面的要求。表面粗糙度以及尺寸精度的可重复性可允许制造高精度部件而无需机械后处理。

如果通过铸造无法获得功能表面，则通常将部件加工成坯件，在零件烧结前进行铣削操作要容易得多。如果可以控制烧结引起的失真，建议在坯件烧结前进行后处理。

尺寸精度

采用高分辨率计算机断层扫描，对比不同工艺成型汽车零件后的尺寸精度。基于烧结的FDM和3DP成型零件显示出外环周围的变形，这很可能是在烧结过程中引起的，从图示也可以看出，SLM成型精度更高。零件上过多和缺失的材料会对尺寸精度产生不良影响，这对于金属FDM部件影响更为严重。

高分辨率CT扫描检测形貌特征

高分辨率CT扫描可以展示任一技术成型过程中零件的特征表面结构，具体3D打印过程中材料的成型情况在扫描中清晰可见。

总结

如今，金属打印技术的选择类型可谓不胜繁多，针对不同的应用以及数量的多少，应用厂家可以自行选择产品所适用的技术。本篇对于两种技术所产生的零件性能就介绍到这里，孰优孰劣各有其应用所在。基于烧结和熔化成型的金属打印技术系列文章已全部完成。

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