杨永强^*，刘睿诚，王迪

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州，510640）

摘要：3D 打印技术正在快速改变我们传统的生产方式和生活方式，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术被外界认为将推动第三次工业革命。激光选区熔化技术（Selective laser melting, SLM）是金属零件3D打印技术的典型代表。本文以激光选区熔化技术为例概括介绍了金属3D打印设备与技术，包括SLM设备的基本构成和成型原理，对比了国内外的SLM设备参数，阐述了SLM设备应用领域，并对SLM设备及技术的发展进行了展望。

1 前言

随着科学技术日新月异的进步，机械加工行业不断发展。而快速成型技术，尤其是激光3D打印技术在机械加工行业中起到了越来越大的作用，并渐渐在制造业得到了广泛应用，成为了如今机械制造业中不可或缺的一部分。3D 打印技术正在快速改变我们传统的生产方式和生活方式，不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术将推动第三次工业革命^[1-3]。

金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添置方式将金属3D打印技术分为三类：（1）使用激光照射预先铺展好的金属粉末，即金属零件成型完毕后将完全被粉末覆盖。这种方法目前被设备厂家及各科研院所广泛采用，包括直接金属激光烧结成型（Direct Metal Laser Sintering, DMLS）^[4-5]、激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）^[6]和LC（Laser Cusing）^[7] 等；（2）使用激光照射喷嘴输送的粉末流，激光与输送粉末同时工作（Laser Engineered Net Shaping，LENS）^[8]。该方法目前在国内使用比较多；（3）采用电子束熔化预先铺展好的金属粉末（Electron Beam Melting, EBM）^[9]，此方法与第1类原理相似，只是采用热源不同。

激光选区熔化技术是金属3D打印领域的重要部分，其采用精细聚焦光斑快速熔化300－500目的预置粉末材料，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。致密度可达到近乎100%，尺寸精度达20－50微米，表面粗糙度达20－30微米，是一种极具发展前景的快速成型技术^[4]，而且其应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。

目前SLM设备的研究和开发也成为了国内外快速成型领域的热点。本文对SLM设备的组成和成型原理进行了一个概述性的介绍，对比了国内外SLM设备的参数，并对SLM设备和技术的发展进行了展望。

2 SLM技术的原理和设备组成

2.1 SLM成型设备

SLM设备一般由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几个部分组成。

光路单元主要包括光纤激光器、扩束镜、反射镜、扫描振镜和F-Ө聚焦透镜等。激光器是SLM设备中最核心的组成部分，直接决定了整个设备的成型质量。近年来几乎所有的SLM设备都采用光纤激光器，因光纤激光器具有转换效率高、性能可靠、寿命长、光束模式接近基模等优点。由于激光光束质量很好，激光束能被聚集成极细微的光束，并且其输出波长短，因而光纤激光器在精密金属零件的激光选区熔化快速成型中有着极为明显的优势。扩束镜是对光束质量调整必不可少的光学部件，光路中采用扩束镜是为了扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗。扫描振镜由电机驱动，通过计算机进行控制，可以使激光光斑精确定位在加工面的任一位置。为了克服扫描振镜单元的畸变，须用专用平场F-Ө扫描透镜，使得聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。

机械单元主要包括铺粉装置、成型缸、粉料缸、成型室密封设备等。铺粉质量是影响SLM成型质量的关键因素，目前SLM设备中主要有铺粉刷和铺粉滚筒两大类铺粉装置。成型缸与粉料缸由电机控制，电机控制的精度也决定了SLM的成型精度。

控制系统由计算机和多块控制卡组成，激光束扫描控制是由计算机通过控制卡向扫描振镜发出控制信号，控制X/Y扫描镜运动以实现激光扫描。设备控制系统完成对零件的加工操作。主要包括以下功能：（1）系统初始化、状态信息处理、故障诊断和人机交互功能；（2）对电机系统进行各种控制，提供了对成型活塞、供粉活塞、铺粉滚筒的运动控制；（3）对扫描振镜控制，设置扫描振镜的运动速度和扫描延时等；（4）设置自动成型设备的各种参数，如调整激光功率，成型缸、铺粉缸上升下降参数等。（5）提供对成型设备五个电机的协调控制，完成对零件的加工操作。

根据SLM工艺的需要，其所涉及的专业软件主要有三类：切片软件、扫描路径生成软件和设备控制软件。切片软件实施的切片处理是快速成形软件的关键内容之一，其功能是将零件的三维CAD模型转化成二维的切片模型，得到一层层的截面轮廓数据。在SLM工艺中，最基本的操作是控制激光进行扫描。由于分层得到的截面信息是轮廓数据，需要进行内部填充。扫描路径生成软件的功能就是由轮廓数据生成填充扫描路径。总控软件主要对成型过程进行控制，显示加工状态，进而实现人机交互。

2.2 SLM成型原理

SLM技术的基本原理是：先在计算机上利用pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。

图1 SLM成型原理图

在设备中的具体成型过程如图1所示：激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到成型缸的基板上，激光束再按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的粉末，加工出当前层，然后成型缸下降一个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末。设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。

3 国内外SLM设备现状和技术对比

 世界范围内已经有多家成熟的SLM设备制造商，包括德国EOS公司（EOSING M270及其M280）^[5]，德国ReaLizer公司^[10]，SLM Solutions公司^[12]，Concept laser 公司（M Cusing系列）^[7]，美国3D公司（Sinterstation系列）^[11] ，Renishaw PLC公司（AM系列）^[12]和Phenix systems公司^[12]等。上述厂家都开发出了不同型号的机型，包括不同的零件成型范围和针对不同领域的定制机型等，以适应市场的个性化需求。虽然各个厂家SLM设备的成型原理基本相同，但是不同设备之间的参数还是有很大的不同，表1是对国外不同SLM设备的对比：

表1 国外SLM设备各个参数对比^[5-13]

EOS是一家较早进行激光成型设备开发和生产的公司，其生产的SLM设备具有世界领先的技术。图2所示是EOS生产的SLM设备EOSING M270，如上表所示，该设备的各种参数都具有很大的优势。

EOSING M270设备成型的金属零件致密度可以达到近乎100%，尺寸精度在20-80μm，表面粗糙度Ra在15-40μm，能够成型的最小壁厚是0.3-0.4mm。EOS公司将该设备应用在牙桥牙冠的批量生产中，目前成型工艺已经很成熟，一次成型牙冠可以达到500个^[5]。

德国的Realizer公司一直致力于SLM设备的研究和开发，到目前已经开发出成熟的商品化SLM设备，包括SLM 100、SLM 250和SLM 300三种机型。图4所示是SLM 250的外观：

其中SLM 250可成型致密度近乎100%的金属零件，尺寸精度为20-100μm，表面粗糙度Ra达到10-15μm，还可以成型壁厚小于0.1mm的薄壁零件。而且SLM 250可实现全自动制造，可日夜工作，有很高的制造效率。Realizer的SLM设备目前在金属模具制造、轻量化金属零件制造、多孔结构制造和医学植入体领域有较为成熟的应用^[10]。图5所示的就是SLM 250设备制造的钛合金医学植入体：

德国Concept Laser公司是Hofmann集团的成员之一，是世界上主要的金属激光熔铸设备生产厂家之一。公司50年来丰富的工业领域经验，为生产高精度金属熔铸设备夯实了基础。Concept Laser公司目前已经开发了四代金属零件激光直接成型设备：M1、M2、M3和Mlab。其成型设备比较独特的一点是它并没有采用振镜扫描技术，而使用x/y轴数控系统带动激光头行走，所以其成型零件范围不受振镜扫描范围的限制，成型精度同样达到50微米以内^[14]。图6是M3设备的外形图：

其中Concept Laser公司的M3设备可以成型致密度近乎100%的金属零件，尺寸精度在20-100μm，表面粗糙度Ra在10-15μm，可成型的最小壁厚在0.3-0.4mm，而且该设备可成型的范围较大，达到300×300×350mm。图7是Concept Laser的SLM设备在精密金属零件制造中的应用：

美国3D System是一家实力很强、设备很齐全的3D打印设备公司，其中主要以光固化设备和SLS设备为主，成型材料为树脂和高分子材料。目前也开发出了成型金属材料的SLM设备：sPro 125和sPro 250，成型的材料包括不锈钢、钛合金等，成型件致密度能够达到99%，表面粗糙度Ra在10-50μm^[12]。

国内的SLM领域，主要有华南理工大学^[15-17]，华中科技大学^[18-20]，南京航空航天大学 ^[21]，北京工业大学^[22]和中北大学^[23]等高校。每个单位的研究重点各有优势与不同。表2是对国内SLM设备的参数对比：

表2 国内SLM设备的参数对比^[15-20]

华南理工大学激光加工实验室分别于2004年、2007年研发了DiMetal-240、DiMetal-280，并于2012年开发了最新一款预商业化设备 DiMetal-100。

其中DiMetal-100能够成型致密度近乎99%的金属零件，表面粗糙度Ra在5μm-30μm之间，具有很高的尺寸精度。图9所示是华南理工大学在探索SLM应用过程中的典型实例^[15-17]，其中每个例子的开发成功都具有良好的市场价值。

华中科技大学目前开发了两套SLM设备：HRPM–Ⅰ系统和HRPM–Ⅱ系统。其中HRPM–Ⅰ系统采用150W的YAG激光器，光束质量不够理想；而且采用双缸下送粉方式，设备体积庞大，制造成本高，送粉时间长，影响制件生产效率。而HRPM–Ⅱ系统采用 SPI 100 W 光纤激光器，采用双缸下送粉方式，在超轻结构复杂件的制备方面具有较强的优势^[18-20]。

从以上对比中也可以发现，与国外的SLM设备相比，国内的SLM设备还存在一定的差距，在成型精度和过程控制方面还需要改进。

4 SLM设备的展望

纵观国内外的SLM设备和应用情况，SLM设备在以下的方面还需要不断的改进和发展。

（1） 高性价比趋势

SLM设备对于目前的机械加工业来说，是一个极大的创新和补充，但是SLM设备高昂的价格阻碍了它的推广和应用。国外SLM设备售价大概在500-700万元人民币，还不包括后续的材料使用费等，国内的科研院所或者企业一般承担不了如此高的成本。为了更好的推广和发展，SLM设备必将不断降低成本，向着一个高性价比的趋势发展。

（2）成型大尺寸零件趋势

目前由于激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制，SLM设备能够成型的零件尺寸范围有限，这使得SLM设备无法成型较大尺寸的金属零件，也限制了SLM技术的推广应用。目前国外的SLM设备厂家正在研发大尺寸零件的成型设备，如目前Concept Laser公司开发出的M3设备已经能够成型尺寸达到300×350×300mm的金属零件。

（3）与传统加工方法结合的趋势

SLM技术虽然具有很多的优势，但它也有制造成本高，成型件表面质量差等缺陷。因此若是能将SLM技术和传统机加工方法结合起来，同时发挥二者的优势，将使制造技术提升一个台阶。目前日本Matsuura公司开发出了金属光造型复合加工设备LUMEX Avance-25，该设备将金属激光成型和高速、高精度的切削加工结合在一起，实现了复合加工技术。LUMEX Avance-25设备可在一台装置内交替进行金属激光成型和采用立铣刀的切削精加工。这样，实现了与传统机加工方法相当的尺寸精度和表面粗糙度，还能够加工出传统加工方法无法成型的复杂形状零件。此外这种复合加工技术还能够使制造周期大幅缩短，使一个金属零件从设计到加工的工期缩短了61.5%。这种技术必然是今后SLM设备发展的一种趋势^[12]。

（4）订制化、智能化趋势

随着各种部件不断轻量化和集成化的发展，未来将出现订制化的便携式SLM设备。这些SLM设备将成为今后人们生产和工作中的实用工具，颠覆传统制造方式，并改变人们的生活方式。

球化和翘曲是SLM成型过程中最主要的缺陷，为了克服这些缺陷，制造出高质量的金属成型件，未来的SLM设备需要具有智能化的过程控制功能。球化是由每一层粉末熔化时的微小缺陷累积而成，而每一层的成型质量由工艺参数决定。因此如果能够在SLM成型过程中实现智能实时监控，在出现微小缺陷时就自动调整工艺参数消除缺陷，这样就能避免成型缺陷，得到高质量高精度的金属零件。

5 结论

金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。SLM设备一般由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件、保护气密封单元几个部分组成。国内外有多家科研机构和厂家都开发出了较为先进的SLM设备，并且有了成熟的应用。开发高效率、高性价比、大范围和结合传统机加工方法的SLM设备，是未来金属3D打印的发展方向。

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2015-112701