SLM激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術詳解

激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術（Selective laser melting, SLM）和EBSM/EBM(電子束熔融金屬3D打印技術)有著類似的技術原理，都是使用激光照射預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)熔化技術采用精細聚焦光斑快速熔化300－500目的預置粉末材料，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，而且其應用范圍已拓展到航空航天、醫(yī)療、汽車、模具等領域。

技術原理

SLM設備一般由光路單元、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設備中最核心的組成部分，直接決定了整個設備的成型質量。SLM設備所采用的光纖激光器，轉換效率高、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、成型室密封設備等。鋪粉質量是影響SLM成型質量的關鍵因素，目前SLM設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，設置掃描振鏡的運動速度和掃描延時等；
• 設置自動成型設備的各種參數(shù)，如調整激光功率，成型缸、鋪粉缸上升下降參數(shù)等。
• 提供對成型設備五個電機的協(xié)調控制，完成對零件的加工操作。
  
  

SLM金屬3D打印設備的運作過程，和3D打印技術也類似。在已有的3D模型切片數(shù)據(jù)的輪廓數(shù)據(jù)基礎上，生成填充掃描路徑，設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。設備調入下一層輪廓的數(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。

SLM技術繼承了3D打印技術的優(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角度的限制，SLM設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量的光學設備，機器制造成本高，目前國外設備售價在500萬以上；
• 由于使用了粉末材料，成型件表面質量差，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。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，采用直接粉末燒結成型技術，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設備目前在金屬模具制造、輕量化金屬零件制造、多孔結構制造和醫(yī)學植入體領域有較為成熟的應用

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備生產(chǎn)廠家之一。公司50年來豐富的工業(yè)領域經(jīng)驗，為生產(chǎn)高精度金屬熔鑄設備夯實了基礎。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備：M1、M2、M3和Mlab。其成型設備比較獨特的一點是它并沒有采用振鏡掃描技術，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設備為例，構建尺寸能達到630 x 400 x 500mm，該系統(tǒng)的核心部件是ILT開發(fā)的1000瓦激光光學系統(tǒng)，也較其他SLM金屬3D打印機有很大的提升（EOS設備激光器功率為200-400瓦）。

德國企業(yè)在SLM技術領域有著明顯的優(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技術力量主要集中在華南理工大學、華中科技大學、南京航空航天大學、中北大學等高校，技術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機械與汽車工程學院楊永強教授等的技術研究報告

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