世界最大激光3D打印装备：SLM技术及产业详解

世界最大激光3D打印装备：SLM技术及产业详解
增材制造是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。

为落实国务院关于发展战略性新兴产业的决策部署，抢抓新一轮科技革命和产业变革的重大机遇，加快推进我国增材制造（又称“3D 打印”）产业健康有序发展，工信部、科技部提出了促进产业发展的措施，制定了国家“增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）”推进计划，其中对于金属材料增材制造工艺技术制定了具体方案和规划，包括激光选区熔化（SLM）、激光近净成形（LENS）、电子束选区熔化（EBSM）和电子束熔丝沉积（EBDM）。

目前，金属材料增材制造技术已经广泛应用于航空航天复杂金属构件、医用植入物、金属牙冠、航空航天大型金属构件等领域，经过多年的发展技术相对成熟，对于制造业创新提升具有重要作用，因此成为各国重点规划领域。

GE公司采用3D打印制造发动机涡轮叶片
我国造出世界最大金属零件高精度激光3D打印装备
4月，由武汉光电国家实验室完成的“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备（俗称激光3D打印技术）”顺利通过了湖北省科技厅成果鉴定。

深度融合了信息技术和制造技术等特征的激光3D打印技术，由4台激光器同时扫描，为目前世界上效率和尺寸最大的高精度金属零件激光3D打印装备。

该装备攻克了多重技术难题，解决了航空航天复杂精密金属零件在材料结构功能一体化及减重等“卡脖子”关键技术难题，实现了复杂金属零件的高精度成形、提高成形效率、缩短装备研制周期等目的。

随着航空航天装备不断向轻量化、高可靠性、长寿命、低成本方向发展，一些关键金属零件复杂程度越来越高，制造周期要求越来越短，使得我国现有制造技术面临系列共性难题，如复杂薄壁精密零件结构-性能一体化制造技术，航空航天发动机叶片、涡轮等复杂精密零件的成形技术等，严重制约了航空航天装备技术水平的提高。

金属零件的激光3D打印技术是各种3D打印技术中难度系数最大也最受国内外关注的方向之一。

其中基于自动铺粉的激光选区熔化成形技术（Selective Laser Melting，SLM），主要特点是加工精度高、后续几乎不需要机械加工，可以制造各种复杂精密金属零件，实现结构功能一体化、轻量化，在航空航天领域有广泛的应用需求。

但是，成形效率低、成形尺寸有限是该类技术的发展瓶颈。

此前，我国在SLM技术领域与国际先进水平相比有较大差距，大部分装备依赖进口。

华中科技大学武汉光电国家实验室教授曾晓雁领导的激光先进制造研究团队，在国家863和自然科学基金项目等资助下，经过十年的长期努力，在SLM成形理论、工艺和装备等诸多方面取得了重要成果，特别是突破了SLM成形难以高效制备大尺寸金属零件等瓶颈。

项目率先在国际上提出并研制出成形体积为500×500×530mm3
的4光束大尺寸SLM增材制造装备，它由4台500W光纤激光器、4台振镜分区同时扫描成形，成形效率和尺寸迄今为止同类设备中世界最大。

而此前，该装备最多使用两台光纤激光器，成形效率低。

项目攻克了多光束无缝拼接、4象限加工重合区制造质量控制等众多技术难题，实现了大型复杂金属零件的高效率、高精度、高性能成形。

先后自主研制出SLM系列多种装备，并采用国产的钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金粉末，实现了各种复杂精密零件的成形，其关键技术指标与国外水平相当。

首次在SLM装备中引入双向铺粉技术，其成形效率高出同类装备的20-40%，标志着我国自主研制的SLM成形技术与装备达到了国际先进水平。

已经有45种零件在20余种航天型号研制中得到应用，先后为航天发动机、运载火箭、卫星及导弹等装备中6种型号20余种产品进行了样件研制，5种产品通过了热试车，其中4种产品已经定型。

先后有多台SLM装备被航天科技集团三大总体研究院用于航天零件的研制与批产，所研制的零件不仅大大缩短了产品的研制周期，简化了工序，更重要的是将结构-功能一体化，获得性能优良的、轻质的零件。

SLM技术成形精度高、性能好、且不需要工模具，属于典型的数字化过程，目前在复杂精密金属零件的成形中具有不可替代性，在精密机械、能源、电子、石油化工、交通运输等几乎所有的高端制造领域都具有广阔的工业应用前景。

详解SLM金属材料增材制造技术
SLM/DMLS成型过程原理与SLS基本相同。

DMLS技术使用材料多为不同金属组成的混合物，各成分在烧结过程中相互补偿，有利于保证制作精度。

为了保证金属粉末材料的快速熔化，SLM技术需要高功率密度激光器，光斑聚焦到几十μm到几百μm。

SLM技术目前最常使用光束模式优良的光纤激光器的激光功率在50w以上，功率密度达5×106W/cm2以上。

SLM是极具发展前景的金属零件3D打印技术。

SLM成型材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵重金属等。

激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件。

其应用范围已经扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。

SLM成型过程中的主要缺陷有球化、翘曲变形。

国内外对SLM技术研究热情较高。

国外对SLM工艺进行开展研究的国家主要集中在德国、英国、日本、法国等。

其中，德国是从事SLM技术研究最早与最深入的国家。

第一台SLM系统是1999年由德国Fockele和Schwarze（F&S）与德国弗朗霍夫研究所一起研发的基于不锈钢粉末SLM成型设备。

目前国外已有多家SLM设备制造商，例如德国EOS公司、SLMSolutions公司和ConceptLaser公司。

华南理工大学于2003年开发出国内的第一套选区激光熔化设备DiMetal-240，并于2007年开发出DiMetal-280，2012年开发出DiMetal-100，其中DiMetal-100设备已经入预商业化阶段。

LENS采用激光和粉末输送同时工作原理。

计算机将零件的三维CAD模型分层切片，得到零件的二维平面轮廓数据，这些数据又转化为数控工作台的运动轨迹。

同时金属粉末以一定的供粉速度送入激光聚焦区域内，快速熔化凝固，通过点、线、面的层层叠加，最后得到近净形的零件实体，成形件不需要或者只需少量加工即可使用。

LENS 可实现金属零件的无模制造，节约大量成本。

LENS技术适合于钛合金等高强度金属件加工。

20世纪90年代中期，UTC与美国桑地亚国家实验室合作开发了使用Nd：YAG固体激光器和同步粉末输送系统的LENS技术，使RP进入了激光近形制造的崭新阶段。

1998年以来，Optomec公司致力于LENS技术的商业开发，近来推出了第三代成形机LENS850-R设备。

在国内西北工业大学
研究的激光立体成型、北京航空航天大学采用此方法成型大型钛合金件，在航空航天等重要工业领域迅速发展。

EBM与SLM/DMLS成型原理相似，差别在热源不同。

EBM技术成型室必须为高真空，才能保证设备正常工作。

因使用电子束作为热源，金属材料对其几乎没有反射，多以能量吸收率大幅提高。

在真空环境下，材料熔化后的润湿性也大大提高，增加了熔池之间、层与层之间的冶金结合强度。

EBM技术需要将系统预热到＞800℃，使得粉末在成型室内预先烧结固化在一起。

瑞典ArcamAB是EBM技术主要参与者。

EBM技术是20世纪90年代中期发展起来的，瑞典的ArcamAB公司研发了商品化的EBSM设备EBMS12系列，而国内对EBSM工艺的研究相对较晚。

Acram的设备在航空航天零件加工领域得到了广泛应用。

选择性激光熔化技术的发展趋势
目前我国正在大力发展飞机制造业，选择性激光熔化技术在飞机零件制造上具有不可比拟的优势，不仅可以快速地生产出小批量飞机零件，而且在产品开发阶段可大大缩短样件加工时间，节省大量开发费用。

通过以上的分析，SLM技术的优点总结如下：
（1）能将CAD模型直接制成终端金属产品，只需要简单的后处理或表面处理工艺。

（2）适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构（如空腔、三维网格）、用传统机械加工方法无法制造的复杂工件。

（3）能得到具有非平衡态过饱和固溶体及均匀细小金相组织的实体，致密度几乎能达到100％，SLM零件机械性能与锻造工艺所得相当。

（4）使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束加工金属，使得加工出来的金属零件具有很高的尺寸精度（达0．1mm）以及很好的表面粗糙度值（Ra=30 u m～50um）。

（5）由于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能，而且可供选用的金属粉末种类也大大拓展了。

（6）能采用钛粉、镍基高温合金粉加工解决在航空航天中应用广泛的、组织均匀的高温合金零件复杂件加工难的问题；还能解决生物医学上组分连续变化的梯度功能材料的加工问题。

由于SLM技术具有以上优点，它具有广阔的应用前景和广泛的应用范围，如机械领域的工具及模具（微制造零件、微器件、工具插件、模具等）、生物医疗领域的生物植入零件或替代零件（齿、脊椎骨等）、电子领域的散热器件、航空航天领域的超轻结构件以及梯度功能复合材料零件等。

特别是在航空航天领域，应用较多的是典型的多品种小批量生产过程，尤其是在其研发阶段，SLM技术具有不可比拟的优势。

有些复杂的工件，采用机加工不但浪费时间，而且严重浪费材料，一些复杂结构甚至无法制造；铸造能解决复杂结构的制造问题并提高材料利用率，但钛和镍等特殊材料的铸造工艺非常复杂，制件性能难以控制；锻造可有效提高制件性能，但需要昂贵的精密模具和大型的专用装备，制造成本很高。

而采用SLM方法则可以很方便、快捷地制造出这些复杂工件，在产品开发阶段可以大大缩短样件的加工生产时间，节省大
量的开发费用。

我国正在全力推进大飞机的研发工作，SLM技术将可以在其中发挥巨大的作用。

可以说，SLM技术代表了快速制造领域的发展方向，运用该技术能直接成型高复杂结构、高尺寸精度、高表面质量的致密金属零件，减少制造金属零件的工艺过程，为产品的设计、生产提供更加快捷的途径，进而加快产品的市场响应速度，更新产品的设计理念和生产周期。

SLM技术在未来将会得到更好、更快的发展。

但是，由于巨大的市场价值与商业机密，目前SLM技术的发展与推广还存在一些问题。

主要是SLM设备十分昂贵，工作效率低；并且由于大工作台范围内的预热温度场难以控制，工艺软件不完善，制件翘曲变形大，因而无法直接制作大尺寸零件，目前还只能制作一些尺寸较小的工件。

只有解决以上问题，研发出可靠性和技术指标达到国际先进水平、价格低廉、具有自主知识产权的SLM设备、成型材料和配套的工艺路线等，才能在我国推广这项技术。