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(xì)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(dá)到近乎100%，尺寸精度達(dá)20－50微米，表面粗糙度達(dá)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(jī)械單元、控制單元、工藝軟件和保護(hù)氣密封單元幾個(gè)部分組成。

光路單元主要包括光纖激光器、擴(kuò)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(gè)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(zhǎng)、光束模式接近基模等，優(yōu)勢(shì)明顯。高質(zhì)量的激光束能被聚集成極細(xì)微的光束，并且其輸出波長(zhǎng)短。

擴(kuò)束鏡的作用是是擴(kuò)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(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(chǎng)F-Ө掃描透鏡來(lái)避免出現(xiàn)掃描振鏡單元的畸變，達(dá)到聚焦光斑在掃描范圍內(nèi)得到一致的聚焦特性。

機(jī)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(jī)控制，電機(jī)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(jì)算機(jī)通過(guò)控制卡向掃描振鏡發(fā)出控制信號(hào)，控制X/Y掃描鏡運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)激光掃描。

設(shè)備控制系統(tǒng)完成對(duì)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(jī)交互功能；
• 對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行各種控制，提供了對(duì)成型活塞、供粉活塞、鋪粉滾筒的運(yùn)動(dòng)控制；
• 對(duì)掃描振鏡控制，設(shè)置掃描振鏡的運(yùn)動(dòng)速度和掃描延時(shí)等；
• 設(shè)置自動(dòng)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(duì)成型設(shè)備五個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，完成對(duì)零件的加工操作。
  
  

SLM金屬3D打印設(shè)備的運(yùn)作過(guò)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(kāi)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(dāng)前層的填充輪廓線選區(qū)熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層，然后成型缸下降一個(gè)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(dāng)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(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。整個(gè)加工過(guò)程在通有惰性氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)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(shì)，但也有著不少劣勢(shì)，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(jī)器制造成本高，目前國(guó)外設(shè)備售價(jià)在500萬(wàn)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(jìn)行二次加工，才能用于后續(xù)的工作；
• 加工過(guò)程中，容易出現(xiàn)球化和翹曲；
  
  

典型企業(yè)德國(guó)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(guò)二十多年的快速發(fā)展，德國(guó)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(xiàng)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(gè)國(guó)家安裝了1100套系統(tǒng)，這和3D Systems和Stratasys公司當(dāng)年的規(guī)模相當(dāng)。

EOS M290是全球裝機(jī)量最大的金屬3D打印機(jī)，采用直接粉末燒結(jié)成型技術(shù)，利用紅外激光器對(duì)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(guó)ReaLizer

ReaLizer 2004年正式成立，注冊(cè)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(jī)，以及SLM 100、SLM 250、SLM300等型號(hào)的工業(yè)級(jí)3D金屬打印機(jī)。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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(guó)Concept Laser公司

德國(guó)Concept Laser公司是Hofmann集團(tuán)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(lái)豐富的工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)，為生產(chǎn)高精度金屬熔鑄設(shè)備夯實(shí)了基礎(chǔ)。Concept Laser公司目前已經(jīng)開(kāi)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(dú)特的一點(diǎn)是它并沒(méi)有采用振鏡掃描技術(shù)，而使用x/y軸數(shù)控系統(tǒng)帶動(dòng)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(dá)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(dá)到630 x 400 x 500mm，該系統(tǒng)的核心部件是ILT開(kāi)發(fā)的1000瓦激光光學(xué)系統(tǒng)，也較其他SLM金屬3D打印機(jī)有很大的提升（EOS設(shè)備激光器功率為200-400瓦）。

德國(guó)企業(yè)在SLM技術(shù)領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然還有不少優(yōu)秀的企業(yè)，例如英國(guó)的雷尼紹公司等，均在推動(dòng)SLM的進(jìn)步和革新。下面的表格列舉了常見(jiàn)的SLM金屬3D打印機(jī)的詳細(xì)參數(shù)，供參考。

我國(guó)的SLM技術(shù)研究也具有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但由于3D打印市場(chǎng)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(chǎng)化還未取得突出的成績(jī)。目前國(guó)內(nèi)的金屬3D打印機(jī)市場(chǎng)幾乎均被國(guó)外企業(yè)所壟斷。

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

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