金属增材制造技术原理

金属增材制造（Additive Manufacturing, AM），又叫金属3D打印，是通过 CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。它以数字三维模型为基础，运用激光、电子束或电弧等高能束流，在控制系统下选择性地熔化或烧结金属粉末或丝材，实现结构复杂、性能优异的金属零部件快速成形。与传统的减材制造相比，金属增材制造是一种“自下而上”的制造范式，可成形精密复杂和大型复杂高强度合金零件, 直接用于航空、航天功能结构件。

原理一：数字建模与分层加工
金属增材制造的第一步是将设计好的三维CAD模型进行分层切片处理。每一个切片代表工件的一个物理加工层。在成形过程中，设备会根据切片信息依次进行粉末铺设与熔化，层层堆积最终形成完整结构。这一过程高度依赖于精确的数字化控制与几何算法，是整个制造流程的信息核心。

原理二：能量源选择性熔化
目前金属增材制造领域的主要技术工艺是定向能量沉积（DED）与粉末床熔融（PBF）。其中，PBF技术（如SLM和SEBM）通过高能激光束或电子束对粉末床中选定区域进行局部熔化。以SLM（选择性激光熔化）为例，金属粉末在高能激光照射下迅速熔化形成熔池，并在极快的冷却速率下凝固。这种快速熔凝机制促进了细晶组织的生成，有助于显著提升材料强度与致密性。

而DED工艺则通过喷嘴同步送粉或送丝，并借助激光或等离子束将材料熔化沉积，适合构建大型构件或局部修复任务。两者的核心原理都是借助能量源在材料局部进行精确的热处理，逐层搭建出高性能金属构件。

原理三：微观组织演化与控形控性
在熔池形成到凝固的过程中，热传导、辐射、对流和蒸发这几个物理现象是复杂地耦合在一起的。尤其是在激光选区熔化中，熔池凝固速度可达10⁶ K/s，形成独特的细胞晶或柱状晶组织。组织特征包括晶粒取向、高角度晶界分布、微孔缺陷与沉淀相的析出等，决定了成形零件的力学性能和服役寿命。

此外，通过调控激光功率、扫描速度、铺粉厚度与扫描策略等参数，可以优化晶粒结构与晶界分布，实现“控形控性”目标。比如适当引入辅助外场或强化冷却路径，可促进晶粒细化与组织均匀化，从而提升构件性能。

原理四：粉末特性与冶金机制
金属粉末的粒径、球形度、流动性及成分均匀性直接影响成形质量。细粒径粉末可实现较高的致密度与表面质量，但铺粉性能较差；而粗粉虽铺粉均匀，但可能带来边缘熔池不稳定与孔洞缺陷。此外，在多次熔融-凝固循环中，沉积层间会发生复杂的冶金结合现象，影响界面强度与组织连续性，这些都属于金属增材制造独有的冶金行为范畴。

金属增材制造的原理融合了材料科学、热物理、控制工程和计算技术，其核心在于对材料行为的精准控制与制造路径的智能优化。像云耀深维公司这样的先进装备制造商，正是基于上述核心原理，开发出能够支持SLM、DED等多工艺路径的工业级打印系统。这些设备具备高稳定性、高精度与智能控制能力，能广泛应用于钛合金、不锈钢、高温合金等关键结构件的高质量成形，助力产业实现快速迭代和个性化制造。