3D 打印技术类别：Powder Bed Fusion — 粉末床熔融 包含：SLS（选择性激光烧结）、SLM / DMLS / LaserCusing（选择性激光熔融）、EBM（电子束熔融）、HP MJF（多喷射熔融）
一、中文总结
1. 基本定义
粉末床熔融（PBF）是一类使用聚焦热能（激光 / 电子束 / 红外 + 化学助剂）在粉末床表面选择性地烧结或熔融粉末，逐层粘结构建三维实体的 AM 工艺。未被熔融的粉末同时起到支撑作用。
2. 粉末的关键特性（Powder Characterization）
PBF 性能由粉末本身决定，需表征以下参数：
| 特性 | 测量方法 | 对 3DP 的影响 |
|---|---|---|
| 粒径与粒径分布（PSD） | 显微镜、筛分（Sieving）、光散射（Laser diffraction） | 决定分辨率、层厚、铺粉均匀性、致密度 |
| 颗粒形貌 | SEM + 球形度（Sphericity）、圆度（Roundness）指标 | 球形颗粒流动性好、堆积密度高 |
| 流动性（Flowability） | Hall/Carney 流量计、雪崩角（Avalanche angle） | 决定铺粉质量、打印稳定性 |
| 激光吸收率 | Ray tracing 仿真、积分球光谱 | 决定能量利用、熔池形状 |
| 化学成分 | EDX、XPS | 影响熔融行为、氧化、力学性能 |
| 堆积密度（Packing density） | 振实 / 松装密度测试 | 影响打印件最终致密度 |
常用粒径范围：金属 PBF 约 10–45 µm 或 20–63 µm；塑料 SLS 约 20–80 µm。
3. 两大物理机制：烧结 vs 熔融
- Sintering（烧结）：温度 ≥ 粉末软化点但 <熔点；颗粒通过**颈缩（neck）**扩散连接，零件多孔。典型：SLS。
- Melting（熔融）：能量足够将颗粒完全熔化后凝固，形成近 100% 致密 件。典型：SLM / DMLS / EBM。
4. 3D Systems — SLS（Selective Laser Sintering）
4.1 原理
- 使用 CO₂ 激光（波长 10.6 µm，塑料吸收好）扫描粉末床表面；
- 辅助加热器把粉末床预热至接近软化点，降低激光所需能量、减少翘曲；
- 扫描完一层后，滚筒 / 刮刀铺下一层粉末；
- 腔内充 惰性气体（通常 N₂） 防止氧化 / 起火。
4.2 过程
- CAD → STL → 切片；
- 粉末预热；
- 激光逐点烧结 → 平台下降 → 铺粉 → 再扫描；
- 零件冷却后从粉饼（part cake）中取出、吹粉清洁；
- 后处理：渗透、抛光、染色、热处理等（一般不需要支撑）。
4.3 材料
- 工程塑料：PA11、PA12（最常用）、PA12-GF（玻纤增强）、TPU；
- 陶瓷 / 金属粉末也有专门 SLS 系统（配合粘结剂）。
4.4 优缺点
- 优点：无需支撑（粉末本身即支撑）、材料利用率高（可回用）、可做复杂内部结构、适合功能件批产。
- 缺点：表面粗糙（颗粒质感）、力学各向异性、需要高温预热 + 长冷却时间、设备成本高。
5. SLM / DMLS / LaserCusing（选择性激光熔融）
别名：Direct Metal Laser Sintering（EOS）、LaserCusing（Concept Laser/Hofmann）、Laser Melting（Renishaw）。原理相同：完全熔融金属粉末。
5.1 原理
- 高功率 光纤激光器（Yb-fiber, 1070 nm） 聚焦到金属粉末床，完全熔化颗粒；
- 腔内通高纯 氩气（或氮气）保护，先抽真空再充氩，降低氧含量；
- 构建平台常预热（如 200°C）降低残余应力。
5.2 能量密度（VED）
体能量密度 (Volumetric Energy Density)：
$$E_d = \frac{P}{V \cdot h \cdot d}$$- P：激光功率（W）
- V：扫描速度（mm/s）
- h：扫描线间距（hatch spacing, mm）
- d：层厚（mm）
VED 太低 → Lack of Fusion（LOF） 熔合不足、孔隙多； VED 太高 → Keyhole（匙孔）汽化产生气泡陷入熔池。 最佳工艺窗口：位于二者之间。
5.3 熔池与缺陷
- Keyhole 缺陷：激光功率过高 → 材料气化 → 反冲压力使熔池出现深孔 → 孔顶闭合 → 气体被困形成球形气孔。
- Lack of Fusion (LOF)：能量不够 → 层间 / 道间未完全熔合。
- Balling（球化）：高功率 + 高速 → 液态金属因表面张力收缩成球并从层面弹出，造成粗糙 / 孔隙。
5.4 扫描策略（Scanning Strategies）
| 策略 | 特点 |
|---|---|
| Stripe（条带） | 构建速率高，残余应力大，适合小 / 薄特征 |
| Meander（蛇形） | 构建速率较高，残余应力分布均匀，适合大件 |
| Chessboard / Islands（棋盘 / 岛状） | 比棋盘更高速率、残余应力均匀，适合大件 |
5.5 材料
316L 不锈钢、17-4PH、工具钢、H13、Ti6Al4V、AlSi10Mg、CoCr、Inconel 625/718、铜、金、镍合金等。
5.6 优缺点
- 优点：100% 致密金属件、性能接近锻件；材料范围广；精度高、可做复杂内腔、随形冷却；无需模具。
- 缺点：能耗高（高功率激光）、速度慢、需惰性气氛、粉末昂贵、需要打印支撑（金属件需导热）、后处理多（去支撑、热处理、线切割、机加工、HIP 消除孔隙）。
5.7 代表厂商
- EOS（EOSINT M 系列、DMLS 商业化先驱，德国 1989）
- SLM Solutions / 3D Systems DMP
- Renishaw AM250（真空 + 氩气、商用系统）
- Concept Laser / GE Additive（LaserCusing）
6. Arcam — EBM（Electron Beam Melting，电子束熔融）
Arcam 1997 年成立，2001 年商业化 EBM，2017 年被 GE 收购 >95%。
6.1 原理
- 钨丝电子枪在真空中发射电子 → 电磁场偏转控制（无机械镜组）→ 高速轰击金属粉末 → 熔融成形；
- 整个构建过程在 真空腔 中进行（避免电子散射）；
- 粉末需导电以消散电荷；构建温度高（>700°C），应力低、无需热处理。
6.2 过程
- CAD → 切片；
- 铺粉（耙式刮刀）；
- 电子束对整层 预热 → 扫描熔融；
- 平台下降，重复；
- 零件连同粉饼冷却 → 喷砂 / PRS（Powder Recovery System）去粉。
6.3 材料
主要为 Ti6Al4V（ASTM F136 / F67）、Ti6Al4V ELI（医用）、CoCr（ASTM F75）、TiAl、Inconel 718、工具钢。材料种类受 Arcam 严格认证限制。
6.4 优缺点
- 优点：
- 完全致密、力学性能优异；
- 真空环境 → 无氧化 / 氮化杂质；
- 残余应力和收缩小（高温构建）；
- 扫描速度快（电磁偏转比激光振镜更快，电子束对粉末吸收率高）；
- 缺点：
- 需维持真空腔；
- 功耗高；
- 电子束产生 γ 射线（真空腔作屏蔽）；
- 粉末必须导电 → 材料范围窄于 SLM；
- 厂家认证门槛高（需付费培训）。
6.5 应用
- 医疗：定制颅骨修复、钛合金膝 / 髋关节植入物；
- 航空：GE9X 发动机低压涡轮 TiAl 叶片（重量仅为镍合金传统叶片一半，降低燃油 10%）。
7. EBM vs SLM 对比
| 维度 | SLM | EBM |
|---|---|---|
| 能量源 | 光纤激光 | 电子束 |
| 气氛 | 惰性气体（Ar / N₂） | 高真空 |
| 偏转方式 | 振镜（机械） | 电磁线圈 |
| 扫描速度 | 较慢 | 快 |
| 粉末要求 | 不需导电 | 必须导电 |
| 构建温度 | 较低（~200°C） | 高（>700°C） |
| 残余应力 | 高 | 低 |
| 表面精度 | 较好 | 较粗糙 |
| 成本 | 设备中等、耗材贵 | 设备贵、维护复杂 |
8. HP — Multi Jet Fusion（MJF）
HP 2014 年发布，瞄准 AM 量产。
8.1 原理
- 双小车系统：
- Y 轴小车：薄层铺粉 + 红外灯加热；
- X 轴小车：Thermal Inkjet Array 喷射 Fusing Agent（熔融剂）+ Detailing Agent（细节剂）；
- Fusing Agent 选择性地施加在需要熔合的区域 → 吸收红外光能，使粉末熔融；
- Detailing Agent 施加在零件边界 → 抑制熔融，获得清晰边界；
- 每秒可喷 3000 万滴 试剂（600–1200 DPI 级别精度）；
- 逐层重复：铺粉 → 喷剂 → 红外加热 → 下一层。
8.2 过程
- 3D 模型准备 → HP 软件检查；
- 材料在 Processing Station 混合 → Build Unit；
- Build Unit 插入 MJF → 打印；
- Build Unit 取出 → 粉饼清理 + 冷却 → 后处理（染色、表面抛光）。
8.3 材料
- 刚性：Nylon PA11、PA12、PP；
- 柔性：Estane 3D TPU M95A；
- PA12 粉末可回用率达 80%。
8.4 优缺点
- 优点：
- 快（面沉积而非点沉积）；
- 低单件成本（粉末高回用率）；
- 闭环热控 → 精度高、力学性能稳定；
- 可 Voxel 级 控制颜色、硬度、弹性（多功能件）；
- 可在打印中途插入紧急零件。
- 缺点：
- STL 格式无法携带 voxel 信息，限制系统潜能；需 3MF；
- 仍需后处理（清粉 + 冷却）；
- 材料种类有限。
9. 典型应用
- 医疗：植入物、假肢、手术导板、牙科；
- 航空航天：轻量化支架、TiAl 涡轮叶片、燃油喷嘴；
- 汽车：轻量化件、散热器、随形冷却模具；
- 工具 / 夹具：小批量生产、复杂内腔冷却；
- 消费品：定制眼镜、鞋底（阿迪达斯 4D Futurecraft 等）。
10. 典型质量问题汇总
- Keyhole（汽化陷气孔）；
- Lack of Fusion（熔合不足孔）；
- Balling（球化）；
- 残余应力 / 翘曲 / 开裂；
- 阶梯效应；
- 各向异性；
- 粉末氧化污染。
二、English Summary
1. Definition
Powder Bed Fusion selectively sinters or melts a thin layer of powder on a bed using a focused thermal source (laser, electron beam, or IR + chemical agents), building parts layer by layer. Unfused powder acts as natural support.
2. Powder Characterization
Key attributes: particle size & distribution (microscopy, sieving, laser diffraction), morphology (SEM, sphericity, roundness), flowability (Hall/Carney flowmeter, avalanche angle), laser absorptivity (ray tracing), chemical composition (EDX, XPS), packing density. Metal powders are typically 10–45 µm or 20–63 µm; SLS polymers 20–80 µm.
3. Sintering vs Melting
- Sintering: T ≥ softening but < melting — particles bond via neck formation; porous parts (SLS).
- Melting: full liquefaction — ~100% dense parts (SLM/DMLS/EBM).
4. SLS (3D Systems)
- CO₂ laser (10.6 µm) scans powder preheated near softening temp in N₂; roller recoats next layer.
- Materials: PA11, PA12, PA12-GF, TPU (most common), also ceramic/metal w/ binder.
- Pros: no support needed, high reuse, complex parts, good for small-batch functional parts.
- Cons: rough surface, anisotropy, long warm-up/cool-down, high equipment cost.
5. SLM / DMLS / LaserCusing
- 1070 nm fiber laser fully melts metal powder in argon; base plate preheated.
- VED:
Ed = P / (V · h · d)— too low → LOF; too high → Keyhole. - Defects: Keyhole (vaporization recoil → trapped bubbles), LOF (insufficient fusion), Balling (surface tension at high P + V).
- Scanning strategies: Stripe (fast, high stress, small features), Meander (uniform stress, large parts), Chessboard/Islands (fast, uniform stress, large parts).
- Materials: 316L, 17-4PH, H13, Ti6Al4V, AlSi10Mg, CoCr, Inconel 625/718, Cu.
- Pros: 100% dense, near-wrought properties, huge material range, complex internal channels.
- Cons: high energy, slow, inert gas needed, supports required, extensive post-processing.
- Leaders: EOS (DMLS), SLM Solutions, 3D Systems DMP, Renishaw AM250, Concept Laser/GE (LaserCusing).
6. EBM (Arcam, GE Additive)
- Tungsten-filament electron gun in vacuum; electromagnetic deflection; high build temp (>700°C) → low residual stress; powder must be conductive.
- Materials: Ti6Al4V (F136/F67), CoCr (F75), TiAl, Inconel 718.
- Pros: fully dense, no oxidation/nitridation, low distortion, fast scanning, strong mechanical properties.
- Cons: vacuum required, high power, gamma rays (shielded by vacuum chamber), narrow material palette, vendor-locked qualification.
- Applications: cranial/knee/hip implants; GE9X TiAl turbine blades (50% lighter than Ni-alloy).
7. SLM vs EBM
| Aspect | SLM | EBM |
|---|---|---|
| Source | Fiber laser | Electron beam |
| Atmosphere | Inert gas (Ar/N₂) | High vacuum |
| Deflection | Galvo mirrors | Magnetic coils |
| Scan speed | Slower | Faster |
| Powder | Any metal | Must be conductive |
| Build temp | ~200°C | >700°C |
| Residual stress | High | Low |
| Surface | Better | Rougher |
8. HP Multi Jet Fusion (MJF)
- Dual carriage: Y-axis coats powder + IR lamp; X-axis thermal inkjet array deposits fusing agent (absorbs IR, fuses powder) and detailing agent (reduces fusing at boundaries). 30 million drops/sec; voxel-level property control.
- Process: 3D prep → material cartridges → Build Unit → MJF print → clean + cool part cake.
- Materials: Nylon PA11/PA12/PP, Estane 3D TPU M95A; PA12 ~80% reusable.
- Pros: fast (line-by-line), low cost/part, closed-loop thermal control, voxel multi-property parts, can add parts mid-print.
- Cons: STL format can’t carry voxel info (need 3MF), needs post-processing (clean + cool), limited materials initially.
9. Applications
Medical (implants, dental, surgical guides), aerospace (TiAl blades, fuel nozzles, brackets), automotive (lightweighting, conformal cooling), tooling, consumer (custom eyewear, 4D-printed shoes).
10. Defect Summary
Keyhole, Lack of Fusion, Balling, residual stress/warping/cracking, staircase, anisotropy, powder oxidation.
三、速记要点 / Quick Recall
- PBF 三大能量源：CO₂ 激光（SLS）、光纤激光（SLM）、电子束（EBM）；HP MJF 用 IR + 熔融剂。
- 烧结 vs 熔融：SLS 颈缩多孔 vs SLM/EBM 完全致密。
- VED 公式：
Ed = P/(V·h·d)，过低 → LOF，过高 → Keyhole。 - 三种典型缺陷：Keyhole、LOF、Balling。
- EBM 独有：真空 + 电子束 + 导电粉末 + 高构建温度（低残余应力）。
- MJF 两种 agent：Fusing（熔）+ Detailing（清边界）；voxel 级控制是未来方向。
- PBF 粉末五大表征：粒径、形貌、流动性、吸收率、化学成分、堆积密度。
