SLM激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)詳解

激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)（Selective laser melting, SLM）和EBSM/EBM(電子束熔融金屬3D打印技術(shù))有著類似的技術(shù)原理，都是使用激光照射預(yù)先鋪展好的金屬粉末,，即金屬零件成型完畢后將完全被粉末覆蓋,，兩者的區(qū)別是熱源不同,。

激光選區(qū)熔化技術(shù)采用精細聚焦光斑快速熔化300－500目的預(yù)置粉末材料，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結(jié)合的功能零件,。致密度可達到近乎100%,，尺寸精度達20－50微米，表面粗糙度達20－30微米,，是一種極具發(fā)展前景的快速成型技術(shù)，而且其應(yīng)用范圍已拓展到航空航天,、醫(yī)療,、汽車、模具等領(lǐng)域,。

技術(shù)原理

SLM設(shè)備一般由光路單元,、機械單元、控制單元,、工藝軟件和保護氣密封單元幾個部分組成,。

光路單元主要包括光纖激光器、擴束鏡,、反射鏡,、掃描振鏡和F-Ө聚焦透鏡等。激光器是SLM設(shè)備中最核心的組成部分,，直接決定了整個設(shè)備的成型質(zhì)量,。SLM設(shè)備所采用的光纖激光器，轉(zhuǎn)換效率高,、性能可靠,、壽命長、光束模式接近基模等,，優(yōu)勢明顯,。高質(zhì)量的激光束能被聚集成極細微的光束，并且其輸出波長短,。

擴束鏡的作用是是擴大光束直徑,，減小光束發(fā)散角，減小能量損耗,。

掃描振鏡由計算機進行控制的電機驅(qū)動,，作用是將激光光斑精確定位在加工面的任一位置。通常使用專用平場F-Ө掃描透鏡來避免出現(xiàn)掃描振鏡單元的畸變,，達到聚焦光斑在掃描范圍內(nèi)得到一致的聚焦特性,。

機械單元主要包括鋪粉裝置、成型缸,、粉料缸,、成型室密封設(shè)備等,。鋪粉質(zhì)量是影響SLM成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素，目前SLM設(shè)備中主要有鋪粉刷和鋪粉滾筒兩大類鋪粉裝置,。成型缸與粉料缸由電機控制,，電機控制的精度也決定了SLM的成型精度。

控制系統(tǒng)包括激光束掃描控制和設(shè)備控制系統(tǒng)兩大部分,。激光束掃描控制是計算機通過控制卡向掃描振鏡發(fā)出控制信號,，控制X/Y掃描鏡運動以實現(xiàn)激光掃描。

設(shè)備控制系統(tǒng)完成對零件的加工操作,。主要包括以下功能：

• 系統(tǒng)初始化,、狀態(tài)信息處理、故障診斷和人機交互功能,；
• 對電機系統(tǒng)進行各種控制,，提供了對成型活塞、供粉活塞,、鋪粉滾筒的運動控制,；
• 對掃描振鏡控制，設(shè)置掃描振鏡的運動速度和掃描延時等,；
• 設(shè)置自動成型設(shè)備的各種參數(shù),，如調(diào)整激光功率，成型缸,、鋪粉缸上升下降參數(shù)等,。
• 提供對成型設(shè)備五個電機的協(xié)調(diào)控制，完成對零件的加工操作,。
  
  

SLM金屬3D打印設(shè)備的運作過程,，和3D打印技術(shù)也類似。在已有的3D模型切片數(shù)據(jù)的輪廓數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,，生成填充掃描路徑,，設(shè)備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料,，逐步堆疊成三維金屬零件,。

激光束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成型缸的基板上,，激光束再按當前層的填充輪廓線選區(qū)熔化基板上的粉末,，加工出當前層，然后成型缸下降一個層厚的距離,，粉料缸上升一定厚度的距離,，鋪粉裝置再在已加工好的當前層上鋪好金屬粉末。設(shè)備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進行加工,，如此層層加工,，直到整個零件加工完畢,。整個加工過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng),。

SLM技術(shù)繼承了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢,，但也有著不少劣勢，包括：

• 由于激光器功率和掃描振鏡偏轉(zhuǎn)角度的限制,，SLM設(shè)備能夠成型的零件尺寸范圍有限,；
• 由于使用到高功率的激光器以及高質(zhì)量的光學(xué)設(shè)備，機器制造成本高,，目前國外設(shè)備售價在500萬以上,；
• 由于使用了粉末材料，成型件表面質(zhì)量差,，產(chǎn)品需要進行二次加工，才能用于后續(xù)的工作,；
• 加工過程中,，容易出現(xiàn)球化和翹曲；
  
  

典型企業(yè)德國EOS公司

成立于1989年,，全稱是“EOS GmbH Electro Optical systems”,，由Dr.Hans Langer和Dr.Hans Steinbichler合伙建立，他們合伙發(fā)明了基于SLS和SLA的快速成型RP（Rapid Prototyping）和增量制造AM（Additive Manufactuing）技術(shù),。經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展,，德國EOS已經(jīng)成為歐洲最大的3D打印設(shè)備研發(fā)和制造企業(yè)，也是全球少數(shù)的掌握SLA/SLM/FDM/SLS/DMLS等多項3D打印核心技術(shù)的企業(yè)之一,。

2011年EOS銷售收入1.25億美金,，有350多名雇員，全球30多個國家安裝了1100套系統(tǒng),，這和3D Systems和Stratasys公司當年的規(guī)模相當,。

EOS M290是全球裝機量最大的金屬3D打印機，采用直接粉末燒結(jié)成型技術(shù),，利用紅外激光器對各種金屬材料,，如模具鋼、鈦合金,、鋁合金以及CoCrMo合金,、鐵鎳合金等粉末材料直接燒結(jié)成型。

德國ReaLizer

ReaLizer 2004年正式成立,，注冊專利為選擇性激光熔融——Selective Laser Melting（SLM™）,，公司主要產(chǎn)品：SLM 50桌面型金屬3D打印機，以及SLM 100,、SLM 250,、SLM300等型號的工業(yè)級3D金屬打印機,。Realizer公司旗下的SLM設(shè)備，可生產(chǎn)成型致密度均接近100%的零件,，尺寸精度,、表面粗糙度均為業(yè)內(nèi)最高水平，并且可實現(xiàn)全自動制造,，可日夜工作,，有很高的制造效率。Realizer的SLM設(shè)備目前在金屬模具制造,、輕量化金屬零件制造,、多孔結(jié)構(gòu)制造和醫(yī)學(xué)植入體領(lǐng)域有較為成熟的應(yīng)用

可使用材料：鐵粉、鈦,、鋁合金,、鈷鉻合金、不銹鋼以及其他定制材料

德國Concept Laser公司

德國Concept Laser公司是Hofmann集團的成員之一,，是世界上主要的金屬激光熔鑄設(shè)備生產(chǎn)廠家之一,。公司50年來豐富的工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)驗，為生產(chǎn)高精度金屬熔鑄設(shè)備夯實了基礎(chǔ),。Concept Laser公司目前已經(jīng)開發(fā)了四代金屬零件激光直接成型設(shè)備：M1,、M2、M3和Mlab,。其成型設(shè)備比較獨特的一點是它并沒有采用振鏡掃描技術(shù),，而使用x/y軸數(shù)控系統(tǒng)帶動激光頭行走，所以其成型零件范圍不受振鏡掃描范圍的限制,，成型尺寸大,，但成型精度同樣達到50微米以內(nèi)。

以Concept Laser公司的X系列1000R設(shè)備為例,，構(gòu)建尺寸能達到630 x 400 x 500mm,，該系統(tǒng)的核心部件是ILT開發(fā)的1000瓦激光光學(xué)系統(tǒng)，也較其他SLM金屬3D打印機有很大的提升（EOS設(shè)備激光器功率為200-400瓦）,。

德國企業(yè)在SLM技術(shù)領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢,，當然還有不少優(yōu)秀的企業(yè)，例如英國的雷尼紹公司等,，均在推動SLM的進步和革新,。下面的表格列舉了常見的SLM金屬3D打印機的詳細參數(shù)，供參考,。

我國的SLM技術(shù)研究也具有相當長的時間,，但由于3D打印市場發(fā)展緩慢，加上SLM技術(shù)力量主要集中在華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué),、南京航空航天大學(xué),、中北大學(xué)等高校，技術(shù)市場化還未取得突出的成績,。目前國內(nèi)的金屬3D打印機市場幾乎均被國外企業(yè)所壟斷,。

注：以上資料整理自華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院楊永強教授等的技術(shù)研究報告

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