激光选区熔化设备与工艺
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正如数控机床中刀具大小对加工精度的影响，激光聚焦光斑是激光选区熔化设备重
要指标。而影响激光聚焦光斑的因素主要是光学系统。激光选区熔化设备的光学系统包
括激光器、扩束镜、扫描振镜、聚焦镜四部分组成。其中将激光器列入光学协同，因为
激光器是激光产生“源”，光晶体在光电转换下，产生激光，并经过光学放大器，输出
具有一定功率的激光。激光选区熔化设备最开始使用的是 YAG 激光，但 YAG 激光光晶
体容易损耗，稳定性不如目前的光纤激光器，所以目前几乎所有的设备生产商采用光纤
激光器。光纤激光器具有光电转换率高（25%左右）、光束质量好（可实现基模形式，
光束质量
1
2
M
)、寿命长（预计寿命在 10 年左右）、风冷、容易操作等优点。
Pro/Engineer 是 PTC 公司推出了基于特征造型的 CAD 系统，目前该系统提供特征造
型和尺寸驱动联合设计概念，具有较强的动态变型能力。
UG 是 Unigraphics solutions 公司推出的较完善的企业级 CAD/CAE/CAM/PDM 集成
系统，将实体、线框、表面功能与参数变量化技术结合一起。
Fig.2-2 The schematic of SLM direct manufacturing
本课题采用 SLM 成型装备为华南理工大学研开发的 Dimetal 系列设备，如图 2-3 为
Dimetal280 和 Dimetal100 两款设备，表 2-1 为两款设备主要参数。
华南理工大学博士学位论文
22
积成三维实体。
Geomagic studio 是 Geomagtic 公司开发的一款逆向建模软件，其基于点云数据表达
三维实体，并可对三维实体进行基本的操作。
但目前主流的仍为特征造型技术。特征几乎包含了结构所有几何信息和非几何信息。
基于特征的结构设计工具有：
时，如加工悬垂面时，由于应力产生翘曲变形，凸起部分高度铺粉厚度时，可能造成铺
粉装置与翘曲部分发生碰撞。如果采用刚性的铺粉装置，碰撞会比较激烈，影响铺粉质
量甚至会发生卡顿卡停现象，导致成型失败。为了避免这种情况，本课题实验设备的中
Dimetal280，Dimetal100 均采用了柔性刷。如图 2-6 所示：
Solidworks 是 Dassault systems 公司推出的参数化特征造型系统，方便实现复杂三维
造型。
MDT 是 Autodesk 公司开发的基于特征的参数化实体造型，同时具有 Nurbs 曲面造
型能力。
VGX 是 SDRC 公司开发的基于变量几何技术的特征参数化实体建模系统。
聚焦光斑直径 50-70 µm 30-50 µm
焦距 163 mm 163 mm
成型尺寸 280×280×300 mm 100×100×150 mm
扫描速度 50-7000 mm/s 50-2000 mm/s
层厚 20-100µm 20-50 µm
2.4.1 光学系统
片在凸起部分受到阻力，发生变形，在越过凸起时，柔性铺粉片回弹，将凸起物前方粉
末弹走，造成前方铺粉不足现象，如图 2-7 所示。因此这种方式对成型过程中出现缺陷
有纠错性，但是有一定限制。
图 2-7 柔性铺粉
Fig.2-7 Flexible powder spreading
2.4.3 气体循环系
目前 Dimetal100，Dimetal280 均采用第二种方式（2-5b），国外 Renishaw、SLMsolutions
等公司设备采用第一种方式（2-5a）。两者共同点都是在扫描前，粉末经过铺粉装置的运
动，将粉末平推到成型缸中，且为了保证成型缸内粉末铺满，供粉量一般是成型缸下降
体积的的 1.2-2 倍。两者不同点是，第一种方式采用供粉控制方式采用漏粉式控制，第
m
nD
Mf
d
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35
441.091.2163
2
0
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但是在实际中应用中，测试值大约为 70μm，主要原因包括（1）在光路调试时，聚
焦焦点不在基准平面上，此时具有一定离焦量，无论激光光斑是正离焦，还是负离焦，
激光光斑都会变大。（2）激光周围存在能量热影响区，使得测量值偏大。（3）光路系统
Fig.2-8 Gas circalution system
在对 316L 不锈钢以及钴铬合金成型时，气体保护可使用氮气，但成型钛合金、铝
合金材料时，气体保护环境只能用惰性气体如 Ar 气等。一般情况成型密封室氧含量需
要保持在 0.2%以下，对于活性金属材料，其氧含量必须更低，在 0.02%以下。在激光扫
Materialise 公司开发的 Magics 软件，对要加工的数据，先进行空间位置摆放、添加支撑、
分层离散后，以 Cli 格式输出。本课题也是采用该款软件进行模型修复、空间位置摆放、
添加支撑、分层获得面轮廓信息。
获得面轮廓信息后，还需要在面轮廓内填充激光扫描路径，而激光扫描路径可有不第二章 研究方法
控制扫描振镜摆动，使激光束选择性地熔化成型缸中的粉末；选区熔化后，成型缸下降
一个切片厚度，料缸上升一定高度，将一定体积粉末再次预置于铺粉刮板前端；铺粉刮
板重新进行铺粉动作；如此重复以上动作，逐层加工，直到完成零件加工，如图 2-2 所
示。 第二章 研究方法
23
图 2-2 SLM 成型原理示意图
第二章 研究方法
27
（a）柔性铺粉装置 (b) 柔性铺粉片
图 2-6 柔性铺粉装置
Fig.2-6 The device of flexible powder spreading
柔性铺粉装置的优势，对凸起部分具有兼容性，但如果凸起特别严重时，柔性铺粉
solidworks2011 进行正向特征设计。
2.4 激光选区熔化设备与工艺
激光选区熔化设备，其成型原理为在成型之初，利用专用软件对零件的 3D 数字化
模型进行分层离散，通过切片方式获得层轮廓，对层轮廓填充扫描方式，生成层面扫描
数据；铺粉刮板将预置于料缸的粉末推送并平铺到成型缸；根据截面扫描数据，计算机
铺粉装置
成型缸
成型件
粉末
精密伺服螺杆
成型缸
粉料缸
铺粉装置
精密伺服螺杆
成型件
粉末
（a）料斗式 （b）双杠式
图 2-5 两种铺粉方式示意图
Fig.2-5 Schematic diagram of two main powder laying means
激光作用在金属粉末上，金属粉末快速熔化、凝固，这个过程必须在气保护环境中
进行，避免成型过程中发生氧化。于此同时，成型过程中会产生一定黑烟，为了避免黑
烟对光学系统的影响以及对粉末的污染，通过气体循环过滤系统。特别是在生物医用材
料激光选区熔化成型过程中，必须保持成型室内清洁，保证成型材料不被杂质污染。因
（a）Dimetal280 （b） Dimetal100
图 2-3 Dimetal 系列设备
Fig.2-3 Dimetal series devices
华南理工大学博士学位论文
24
表 2-1 Dimetal280 和 Dimetal100 主要参数
扩束镜半反射镜全反射镜
扫描振镜
聚焦镜
激光器
Hale Waihona Puke 图 2-4 激光选区熔化光学系统
Fig.2-4 The optical system of SLM
在这个光学系统中，聚焦光斑大小的理论值为：
0
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min
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nD
Mf
d
（2-5）
描运行开始前，需要对成型密封室进行气体置换，将里充满保护气体。目前该设备采用
真空泵抽空，在通保护气的形式，保证气体快速置换。一般情况下，要通过多次抽真空、
通气的形式将氧含量迅速降低到需求程度。
2.4.4 系统软件
激光选区熔化的控制软件可以分为数据处理部分、运动控制部分、人机交互部分。
29
同的规划形式，如单一方向扫描、正交扫描、正交层错扫描、分区扫描、轮廓扫描等方
式，这里将扫描路径的规划形式称之为扫描策略，如图 2-9 为几种典型的扫描策略。
图 2-9 几种典型扫描策略
本课题中，采用 Mmimics 获得患者 3D 数据后，根据医生的诊治方案，进行虚拟截
骨，虚拟截骨采用的 GEOMAGIC 公司开的 Geomagic studio2014 软件，在对 3D 数据模
型坐标系定位后，采用平面切骨方式进行裁剪，并采用内置测试工具对截骨后几何外形
进行测试。CAD 设计或者直接采用 Geomagic direct 软件直接进行逆向设计，或者采用
光入射发射角，获得更小的聚焦光斑，一般情况下需要将激光扩束准直。激光扩束后，
也可以减少激光能量密度，激光作用扫描振镜上面积更大，从而能量密度减少，减轻对
镜片的损伤。激光扩束后，经扫描振镜的驱动后，光束可能发生枕形畸变，此时需要经第二章 研究方法
25
过
f
镜校准聚焦。整个光学系统如图 2-4 所示：
中扩束镜或光隔离器等位置有偏差。
2.4.2 铺粉系统
铺粉质量直接影响了激光选区熔化成型质量。因此铺粉系统是 SLM 设备中重要的
组成部分。目前常用的铺粉方式有两种，一种料斗式，从上而下的漏粉，一种是双杠式，
从下而上升粉，如图 2-5。 华南理工大学博士学位论文
26
漏斗式粉料缸
其中数据处理部分主要是将输入的数据转化为设备可识别的代码。目前 STL 格式为
增材制造常用的数据格式，STL 格式三角面片的 3D 数据格式，在数据处理时，先将模
型摆放好位置，然后沿着成型方向采用一定间隔的平面与 3D 模型相交，获得 2D 面轮
廓格式，然后输出轮廓信息，如 Cli 格式数据。目前将 3D 模型分层离散的软件如
二种方式采用精密伺服螺杆控制粉料缸的上升高度控制供粉量。
只有将粉末平整、均匀的铺在成型缸上，才可能获得高密度、高精度的成型件，并
保证成型过程流畅。尽管在理论上，每一层厚度由精密伺服螺杆控制，应该是等厚度的，
但是实际在成型过程，由于凝固过程中材料的润湿性，熔池冷却凝固后成型弧形面的熔
道，熔道与熔道搭接成型，其表面呈现凹凸不平现象，同时有时候当加工条件发生恶化
由公式（2-5）中，
m in
d
为理论光斑最小值，
f
为透镜焦距，
0
D
为激光束经过扩束前
的束腰直径，
为光纤激光波长，
M
为光束质量因子，n 为扩束倍数。如采用英国 SPI
光纤激光器，激光束扩束前的束腰直径
0
D
为 5μm，扩束倍数为 3，采用 163mm 的
f
聚焦镜，则在聚焦平面上取得最小聚焦光斑直径的理论值为：
激光器产生的光，可以柔性光纤传输，在光纤内传输时，光损耗小。在出光口处有
光隔离器，光隔离器的作用是为了防止激光作用在材料上时，激光反射光对激光器的损
害，目前大部分光纤激光器生产商将光隔离器内置激光器。而激光在成型缸基准平面的
运动主要是扫描振镜的驱动。扫描振镜为两个互垂直的镜片，X/Y 镜片。而为了减少激
Table2-1 The main parameters of Dimetal280 and Dimetal100
主要参数 Dimetal280 Dimetal100
光纤激光器波长
1064 mm 1064 mm
最大激光功率
200 W 200 W
光束质量 M2
≤1.1 ≤1.1
此，激光选区熔化设备在医学中应用时，特别要保证成型室内氧含量以及成型气氛的清
洁性。本课题采用激光选区熔化设备气体循环系统如图 2-8： 华南理工大学博士学位论文
28
成型密封室
气体过
滤装置
阀体 阀体
阀体阀体
阀体阀体
氧含量仪
真空泵
流量计 去湿装置
气体发生
装置
图 2-8 气体循环系统
要指标。而影响激光聚焦光斑的因素主要是光学系统。激光选区熔化设备的光学系统包
括激光器、扩束镜、扫描振镜、聚焦镜四部分组成。其中将激光器列入光学协同，因为
激光器是激光产生“源”，光晶体在光电转换下，产生激光，并经过光学放大器，输出
具有一定功率的激光。激光选区熔化设备最开始使用的是 YAG 激光，但 YAG 激光光晶
体容易损耗，稳定性不如目前的光纤激光器，所以目前几乎所有的设备生产商采用光纤
激光器。光纤激光器具有光电转换率高（25%左右）、光束质量好（可实现基模形式，
光束质量
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)、寿命长（预计寿命在 10 年左右）、风冷、容易操作等优点。
Pro/Engineer 是 PTC 公司推出了基于特征造型的 CAD 系统，目前该系统提供特征造
型和尺寸驱动联合设计概念，具有较强的动态变型能力。
UG 是 Unigraphics solutions 公司推出的较完善的企业级 CAD/CAE/CAM/PDM 集成
系统，将实体、线框、表面功能与参数变量化技术结合一起。
Fig.2-2 The schematic of SLM direct manufacturing
本课题采用 SLM 成型装备为华南理工大学研开发的 Dimetal 系列设备，如图 2-3 为
Dimetal280 和 Dimetal100 两款设备，表 2-1 为两款设备主要参数。
华南理工大学博士学位论文
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积成三维实体。
Geomagic studio 是 Geomagtic 公司开发的一款逆向建模软件，其基于点云数据表达
三维实体，并可对三维实体进行基本的操作。
但目前主流的仍为特征造型技术。特征几乎包含了结构所有几何信息和非几何信息。
基于特征的结构设计工具有：
时，如加工悬垂面时，由于应力产生翘曲变形，凸起部分高度铺粉厚度时，可能造成铺
粉装置与翘曲部分发生碰撞。如果采用刚性的铺粉装置，碰撞会比较激烈，影响铺粉质
量甚至会发生卡顿卡停现象，导致成型失败。为了避免这种情况，本课题实验设备的中
Dimetal280，Dimetal100 均采用了柔性刷。如图 2-6 所示：
Solidworks 是 Dassault systems 公司推出的参数化特征造型系统，方便实现复杂三维
造型。
MDT 是 Autodesk 公司开发的基于特征的参数化实体造型，同时具有 Nurbs 曲面造
型能力。
VGX 是 SDRC 公司开发的基于变量几何技术的特征参数化实体建模系统。
聚焦光斑直径 50-70 µm 30-50 µm
焦距 163 mm 163 mm
成型尺寸 280×280×300 mm 100×100×150 mm
扫描速度 50-7000 mm/s 50-2000 mm/s
层厚 20-100µm 20-50 µm
2.4.1 光学系统
片在凸起部分受到阻力，发生变形，在越过凸起时，柔性铺粉片回弹，将凸起物前方粉
末弹走，造成前方铺粉不足现象，如图 2-7 所示。因此这种方式对成型过程中出现缺陷
有纠错性，但是有一定限制。
图 2-7 柔性铺粉
Fig.2-7 Flexible powder spreading
2.4.3 气体循环系
目前 Dimetal100，Dimetal280 均采用第二种方式（2-5b），国外 Renishaw、SLMsolutions
等公司设备采用第一种方式（2-5a）。两者共同点都是在扫描前，粉末经过铺粉装置的运
动，将粉末平推到成型缸中，且为了保证成型缸内粉末铺满，供粉量一般是成型缸下降
体积的的 1.2-2 倍。两者不同点是，第一种方式采用供粉控制方式采用漏粉式控制，第
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但是在实际中应用中，测试值大约为 70μm，主要原因包括（1）在光路调试时，聚
焦焦点不在基准平面上，此时具有一定离焦量，无论激光光斑是正离焦，还是负离焦，
激光光斑都会变大。（2）激光周围存在能量热影响区，使得测量值偏大。（3）光路系统
Fig.2-8 Gas circalution system
在对 316L 不锈钢以及钴铬合金成型时，气体保护可使用氮气，但成型钛合金、铝
合金材料时，气体保护环境只能用惰性气体如 Ar 气等。一般情况成型密封室氧含量需
要保持在 0.2%以下，对于活性金属材料，其氧含量必须更低，在 0.02%以下。在激光扫
Materialise 公司开发的 Magics 软件，对要加工的数据，先进行空间位置摆放、添加支撑、
分层离散后，以 Cli 格式输出。本课题也是采用该款软件进行模型修复、空间位置摆放、
添加支撑、分层获得面轮廓信息。
获得面轮廓信息后，还需要在面轮廓内填充激光扫描路径，而激光扫描路径可有不第二章 研究方法
控制扫描振镜摆动，使激光束选择性地熔化成型缸中的粉末；选区熔化后，成型缸下降
一个切片厚度，料缸上升一定高度，将一定体积粉末再次预置于铺粉刮板前端；铺粉刮
板重新进行铺粉动作；如此重复以上动作，逐层加工，直到完成零件加工，如图 2-2 所
示。 第二章 研究方法
23
图 2-2 SLM 成型原理示意图
第二章 研究方法
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（a）柔性铺粉装置 (b) 柔性铺粉片
图 2-6 柔性铺粉装置
Fig.2-6 The device of flexible powder spreading
柔性铺粉装置的优势，对凸起部分具有兼容性，但如果凸起特别严重时，柔性铺粉
solidworks2011 进行正向特征设计。
2.4 激光选区熔化设备与工艺
激光选区熔化设备，其成型原理为在成型之初，利用专用软件对零件的 3D 数字化
模型进行分层离散，通过切片方式获得层轮廓，对层轮廓填充扫描方式，生成层面扫描
数据；铺粉刮板将预置于料缸的粉末推送并平铺到成型缸；根据截面扫描数据，计算机
铺粉装置
成型缸
成型件
粉末
精密伺服螺杆
成型缸
粉料缸
铺粉装置
精密伺服螺杆
成型件
粉末
（a）料斗式 （b）双杠式
图 2-5 两种铺粉方式示意图
Fig.2-5 Schematic diagram of two main powder laying means
激光作用在金属粉末上，金属粉末快速熔化、凝固，这个过程必须在气保护环境中
进行，避免成型过程中发生氧化。于此同时，成型过程中会产生一定黑烟，为了避免黑
烟对光学系统的影响以及对粉末的污染，通过气体循环过滤系统。特别是在生物医用材
料激光选区熔化成型过程中，必须保持成型室内清洁，保证成型材料不被杂质污染。因
（a）Dimetal280 （b） Dimetal100
图 2-3 Dimetal 系列设备
Fig.2-3 Dimetal series devices
华南理工大学博士学位论文
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表 2-1 Dimetal280 和 Dimetal100 主要参数
扩束镜半反射镜全反射镜
扫描振镜
聚焦镜
激光器
Hale Waihona Puke 图 2-4 激光选区熔化光学系统
Fig.2-4 The optical system of SLM
在这个光学系统中，聚焦光斑大小的理论值为：
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描运行开始前，需要对成型密封室进行气体置换，将里充满保护气体。目前该设备采用
真空泵抽空，在通保护气的形式，保证气体快速置换。一般情况下，要通过多次抽真空、
通气的形式将氧含量迅速降低到需求程度。
2.4.4 系统软件
激光选区熔化的控制软件可以分为数据处理部分、运动控制部分、人机交互部分。
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同的规划形式，如单一方向扫描、正交扫描、正交层错扫描、分区扫描、轮廓扫描等方
式，这里将扫描路径的规划形式称之为扫描策略，如图 2-9 为几种典型的扫描策略。
图 2-9 几种典型扫描策略
本课题中，采用 Mmimics 获得患者 3D 数据后，根据医生的诊治方案，进行虚拟截
骨，虚拟截骨采用的 GEOMAGIC 公司开的 Geomagic studio2014 软件，在对 3D 数据模
型坐标系定位后，采用平面切骨方式进行裁剪，并采用内置测试工具对截骨后几何外形
进行测试。CAD 设计或者直接采用 Geomagic direct 软件直接进行逆向设计，或者采用
光入射发射角，获得更小的聚焦光斑，一般情况下需要将激光扩束准直。激光扩束后，
也可以减少激光能量密度，激光作用扫描振镜上面积更大，从而能量密度减少，减轻对
镜片的损伤。激光扩束后，经扫描振镜的驱动后，光束可能发生枕形畸变，此时需要经第二章 研究方法
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镜校准聚焦。整个光学系统如图 2-4 所示：
中扩束镜或光隔离器等位置有偏差。
2.4.2 铺粉系统
铺粉质量直接影响了激光选区熔化成型质量。因此铺粉系统是 SLM 设备中重要的
组成部分。目前常用的铺粉方式有两种，一种料斗式，从上而下的漏粉，一种是双杠式，
从下而上升粉，如图 2-5。 华南理工大学博士学位论文
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漏斗式粉料缸
其中数据处理部分主要是将输入的数据转化为设备可识别的代码。目前 STL 格式为
增材制造常用的数据格式，STL 格式三角面片的 3D 数据格式，在数据处理时，先将模
型摆放好位置，然后沿着成型方向采用一定间隔的平面与 3D 模型相交，获得 2D 面轮
廓格式，然后输出轮廓信息，如 Cli 格式数据。目前将 3D 模型分层离散的软件如
二种方式采用精密伺服螺杆控制粉料缸的上升高度控制供粉量。
只有将粉末平整、均匀的铺在成型缸上，才可能获得高密度、高精度的成型件，并
保证成型过程流畅。尽管在理论上，每一层厚度由精密伺服螺杆控制，应该是等厚度的，
但是实际在成型过程，由于凝固过程中材料的润湿性，熔池冷却凝固后成型弧形面的熔
道，熔道与熔道搭接成型，其表面呈现凹凸不平现象，同时有时候当加工条件发生恶化
由公式（2-5）中，
m in
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为理论光斑最小值，
f
为透镜焦距，
0
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为激光束经过扩束前
的束腰直径，
为光纤激光波长，
M
为光束质量因子，n 为扩束倍数。如采用英国 SPI
光纤激光器，激光束扩束前的束腰直径
0
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为 5μm，扩束倍数为 3，采用 163mm 的
f
聚焦镜，则在聚焦平面上取得最小聚焦光斑直径的理论值为：
激光器产生的光，可以柔性光纤传输，在光纤内传输时，光损耗小。在出光口处有
光隔离器，光隔离器的作用是为了防止激光作用在材料上时，激光反射光对激光器的损
害，目前大部分光纤激光器生产商将光隔离器内置激光器。而激光在成型缸基准平面的
运动主要是扫描振镜的驱动。扫描振镜为两个互垂直的镜片，X/Y 镜片。而为了减少激
Table2-1 The main parameters of Dimetal280 and Dimetal100
主要参数 Dimetal280 Dimetal100
光纤激光器波长
1064 mm 1064 mm
最大激光功率
200 W 200 W
光束质量 M2
≤1.1 ≤1.1
此，激光选区熔化设备在医学中应用时，特别要保证成型室内氧含量以及成型气氛的清
洁性。本课题采用激光选区熔化设备气体循环系统如图 2-8： 华南理工大学博士学位论文
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成型密封室
气体过
滤装置
阀体 阀体
阀体阀体
阀体阀体
氧含量仪
真空泵
流量计 去湿装置
气体发生
装置
图 2-8 气体循环系统