今天為大家深度解析選區激光熔化技術，相信各位光學人一定從里面獲得更多的收獲吧！選區熔化成形技術是3D打印技術的一種，它打破傳統的刀具、夾具和機床加工模式，根據零件或物體的三維模型數據，通過成型設備以材料累加的方式制成實物零件。

原理

激光選區熔化成形技術是以原型制造技術為基本原理發展起來的一種先進的激光增材制造技術。通過專用軟件對零件三維數模進行切片分層，獲得各截面的輪廓數據后，利用高能量激光束根據輪廓數據逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實體零件。

圖1和圖2分別是激光選區熔化成形零件示意圖和原理示意圖。如圖2所示，零件的三維數模完成切片分層處理并導入成形設備后，水平刮板首先把薄薄的一層金屬粉末均勻地鋪在基板上，高能量激光束按照三維數模當前層的數據信息選擇性地熔化基板上的粉末，成形出零件當前層的形狀，然后水平刮板在已加工好的層面上再鋪一層金屬粉末，高能束激光按照數模的下一層數據信息進行選擇熔化，如此往復循環直至整個零件完成制造。

圖1 激光選區熔化成形零件示意圖

圖2 激光選區熔化成形基本原理示意圖

特點

圖3為激光選區熔化成形技術制造的零件。激光選區熔化成形技術突破了傳統制造工藝的變形成形和去除成形的常規思路，可根據零件三維數模，利用金屬粉末無需任何工裝夾具和模具，直接獲得任意復雜形狀的實體零件，實現“凈成形”的材料加工新理念，特別適用于制造具有復雜內腔結構的難加工鈦合金、高溫合金等零件。

（a）激光選區熔化成形金屬樣件

（b）激光選區熔化成形高溫合金零件

圖3 激光選區熔化成形技術制造的零件

激光選區熔化成形技術通常采用粒徑30μm左右的超細粉末為原材料，圖4為激光選區熔化成形技術制造鈦合金零件所使用的TC4超細球形粉，通常鋪粉厚度＜100μm（最薄鋪粉厚度可達20μm），每個加工層控制的很薄，可達到30μm。另外該技術還使用了光斑很小的激光束，可使成形的零件具有很高的尺寸精度（可達0.1mm）以及優異的表面質量（粗糙度Ra可達30~50μm），圖5為選區激光熔化成形TC4鈦合金表面形貌。

因此該技術具有精度高、表面質量優異等特點，制造的零件只需進行簡單的噴砂或拋光即可直接使用。由于材料及切削加工的節省，其制造成本可降低20%~40%，生產周期也將縮短80%。

圖4 激光精密成形用TC4超細粉

圖5 選區激光熔化成形TC4鈦合金表面形貌

從材料性能角度看，該技術制造的結構件具有微細、均勻的快速凝固組織，各項同性，且綜合性能優異。表1為激光選區熔化成形、激光直接沉積成形、鍛造、鑄造TC4鈦合金的力學性能比較。

表1 激光增材制造鈦合金與鍛造、鑄造鈦合金的力學性能比較

綜上所述，激光選取熔化工藝突破了傳統的去除加工思路，有效解決了傳統加工工藝不可達部位的加工問題，尤其適合傳統工藝如鍛造、鑄造、焊接等工藝無法制造的內部有異形復雜結構的零件制造。

同時，由于該技術成形精度較高，在普通零件應用中可保留更多的非加工面，因此可更好地解決難切削材料的加工問題。激光選區熔化成形技術在鈦合金、鋁合金、高溫合金、結構鋼、不銹鋼等材料上的成功應用，已對航空航天工業產生了非常重要的影響。

金屬零件激光選區熔化3D打印裝備與技術

隨著科學技術日新月異的進步，機械加工行業不斷發展。而快速成型技術，尤其是激光3D打印技術在機械加工行業中起到了越來越大的作用，并漸漸在制造業得到了廣泛應用，成為了如今機械制造業中不可或缺的一部分。3D打印技術正在快速改變我們傳統的生產方式和生活方式，不少專家認為，以數字化、網絡化、個性化、定制化為特點的3D打印制造技術將推動第三次工業革命 。

金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。按照金屬粉末的添置方式將金屬3D打印技術分為三類：（1）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。這種方法目前被設備廠家及各科研院所廣泛采用，包括直接金

屬激光燒結成型（Direct Metal Laser Sintering,DMLS）、激光選區熔化（Selective laser melting, SLM）和LC（Laser Cusing）等；（2）使用激光照射噴嘴輸送的粉末流，激光與輸送粉末同時工作（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。該方法目前在國內使用比較多；（3）采用電子束熔化預先鋪展好的金屬粉末（Electron Beam Melting,EBM），此方法與第1類原理相似，只是采用熱源不同。

激光選區熔化技術是金屬3D打印領域的重要部分，其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、醫療、汽車、模具等領域。

目前SLM設備的研究和開發也成為了國內外快速成型領域的熱點。本文對SLM設備的組成和成型原理進行了一個概述性的介紹，對比了國內外SLM設備的參數，并對SLM設備和技術的發展進行了展望。

SLM成型設備

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-?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。近年來幾乎所有的SLM設備都采用光纖激光器，因光纖激光器具有轉換效率高、性能可靠、壽命長、光束模式接近基模等優點。

由于激光光束質量很好，激光束能被聚集成極細微的光束，并且其輸出波長短，因而光纖激光器在精密金屬零件的激光選區熔化快速成型中有著極為明顯的優勢。擴束鏡是對光束質量調整必不可少的光學部件，光路中采用擴束鏡是為了擴大光束直徑，減小光束發散角，減小能量損耗。掃描振鏡由電機驅動，通過計算機進行控制，可以使激光光斑精確定位在加工面的任一位置。為了克服掃描振鏡單元的畸變，須用專用平場掃描透鏡，使得聚焦光斑在掃描范圍內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。

控制系統由計算機和多塊控制卡組成，激光束掃描控制是由計算機通過控制卡向掃描振鏡發出控制信號，控制X/Y掃描鏡運動以實現激光掃描。設備控制系統完成對零件的加工操作。

主要包括以下功能：（1）系統初始化、狀態信息處理、故障診斷和人機交互功能；（2）對電機系統進行各種控制，提供了對成型活塞、供粉活塞、鋪粉滾筒的運動控制；（3）對掃描振鏡控制，設置掃描振鏡的運動速度和掃描延時等；（4）設置自動成型設備的各種參數，如調整激光功率，成型缸、鋪粉缸上升下降參數等。（5）提供對成型設備五個電機的協調控制，完成對零件的加工操作。

根據SLM工藝的需要，其所涉及的專業軟件主要有三類：切片軟件、掃描路徑生成軟件和設備控制軟件。切片軟件實施的切片處理是快速成形軟件的關鍵內容之一，其功能是將零件的三維CAD模型轉化成二維的切片模型，得到一層層的截面輪廓數據。在SLM工藝中，最基本的操作是控制激光進行掃描。由于分層得到的截面信息是輪廓數據，需要進行內部填充。掃描路徑生成軟件的功能就是由輪廓數據生成填充掃描路徑。總控軟件主要對成型過程進行控制，顯示加工狀態，進而實現人機交互。

SLM設備的展望

縱觀國內外的SLM設備和應用情況，SLM設備在以下的方面還需要不斷的改進和發展。

（1）高性價比趨勢

SLM設備對于目前的機械加工業來說，是一個極大的創新和補充，但是SLM設備高昂的價格阻礙了它的推廣和應用。國外SLM設備售價大概在500-700萬元人民幣，還不包括后續的材料使用費等，國內的科研院所或者企業一般承擔不了如此高的成本。為了更好的推廣和發展，SLM設備必將不斷降低成本，向著一個高性價比的趨勢發展。

（2）成型大尺寸零件趨勢

目前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，這使得SLM設備無法成型較大尺寸的金屬零件，也限制了SLM技術的推廣應用。目前國外的SLM設備廠家正在研發大尺寸零件的成型設備，如目前Concept Laser公司開發出的M3設備已經能夠成型尺寸達到300×350×300mm的金屬零件。

（2）成型大尺寸零件趨勢

目前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，這使得SLM設備無法成型較大尺寸的金屬零件，也限制了SLM技術的推廣應用。目前國外的SLM設備廠家正在研發大尺寸零件的成型設備，如目前Concept Laser公司開發出的M3設備已經能夠成型尺寸達到300×350×300mm的金屬零件。

（3）與傳統加工方法結合的趨勢

SLM技術雖然具有很多的優勢，但它也有制造成本高，成型件表面質量差等缺陷。因此若是能將SLM技術和傳統機加工方法結合起來，同時發揮二者的優勢，將使制造技術提升一個臺階。目前日本Matsuura公司開發出了金屬光造型復合加工設備LUMEX?Avance-25，該設備將金屬激光成型和高速、高精度的切削加工結合在一起，實現了復合加工技術。LUMEX?Avance-25設備可在一臺裝置內交替進行金屬激光成型和采用立銑刀的切削精加工。這樣，實現了與傳統機加工方法相當的尺寸精度和表面粗糙度，還能夠加工出傳統加工方法無法成型的復雜形狀零件。此外這種復合加工技術還能夠使制造周期大幅縮短，使一個金屬零件從設計到加工的工期縮短了61.5%。這種技術必然是今后SLM設備發展的一種趨勢。

（4）訂制化、智能化趨勢

隨著各種部件不斷輕量化和集成化的發展，未來將出現訂制化的便攜式SLM設備。這些SLM設備將成為今后人們生產和工作中的實用工具，顛覆傳統制造方式，并改變人們的生活方式。

球化和翹曲是SLM成型過程中最主要的缺陷，為了克服這些缺陷，制造出高質量的金屬成型件，未來的SLM設備需要具有智能化的過程控制功能。球化是由每一層粉末熔化時的微小缺陷累積而成，而每一層的成型質量由工藝參數決定。因此如果能夠在SLM成型過程中實現智能實時監控，在出現微小缺陷時就自動調整工藝參數消除缺陷，這樣就能避免成型缺陷，得到高質量高精度的金屬零件。

金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。SLM設備一般由光路單元、機械單元、控制單元、工藝軟件、保護氣密封單元幾個部分組成。國內外有多家科研機構和廠家都開發出了較為先進的SLM設備，并且有了成熟的應用。開發高效率、高性價比、大范圍和結合傳統機加工方法的SLM設備，是未來金屬3D打印的發展方向。

選區激光熔化技術在民用飛機上的應用

隨著技術進步及人民生活水平的提高，公眾對民用飛機的經濟性、環保的要求越來越高，這對民用飛機的制造技術提出了更高的要求。減輕飛機結構件的重量能有效降低材料成本和燃油消耗，提升飛機的市場競爭能力。增材制造技術由於能有效改進結構設計，減少材料用量，縮短加工流程而倍受關注。包括波音、空客等大型民用飛機制造商都投入了大量的資金、人力、物力對這一技術進行研究，并已取得了顯著成果，在飛機發動機、吊掛、襟翼、艙門等部位已有成功的應用。

例如：空客公司在A300/A310機上廚房、盥洗室和走廊等連接鉸鏈上應用了增材制造結構件，并在其最新的A350XWB型飛機上應用了Ti-6Al-4V增材制造結構件（如圖所示），且已通過EASA及FAA的適航認證。GE公司采用增材制造技術制造了Leap噴氣發動機的金屬燃料噴嘴，通過這一技術，將噴嘴原本20個不同的零部件變成了1個。

這樣造出的燃油噴嘴重量更輕，而且能夠承受極端溫度，為該公司節約了大量成本。近期GE擬采用增材制造技術制造GE9X噴氣發動機的低壓渦輪，GE9X據稱是“有史以來建造的最先進、最省油的商用飛機發動機”，這款發動機將成為波音777客機的下一代――777X客機的驅動引擎，該款機型將於2017年開始生產，并有望在2020年交付首架給客戶。

空客公司采用SLM技術制造的Ti-6Al-4V結構件

國內在SLM技術的研究上也取得了一定的進展，不過相比之下，其技術的發展還不夠成熟，要實現在民用飛機上的應用，仍有大量的工作要做，例如解決SLM成形本身的技術問題，研究成形件後續處理工藝技術，并編制相關標準規范制度，進行結構件的適航認證等。下圖所示為國內企業用SLM技術成形的復雜零件。

國內企業用SLM技術成形的復雜零件

目前，SLM技術的關鍵工藝技術有兩個：成形過程中粉末的球化現象和制件存在孔隙、裂紋等缺陷問題。球化現象是指在激光成形過程中，金屬熔化後形成大量彼此隔離的金屬球，破壞成形金屬表面質量，嚴重時阻礙鋪粉輥的運動，使成形過程無法繼續進行下去。

孔隙的形成則使得成形件致密度低，嚴重影響其性能。在SLM成形工藝方面，南京航空航天大學的顧冬冬教授做了很多工作，分析了銅基合金、不銹鋼等材料成形時的球化分析機理，提出可通過預熱粉末床，控制激光掃描速度和線能量密度等方式減少球化；此外還研究了銅基合金的孔隙率與加工參數的關系，并指出合理控制能量密度是減少孔隙產生，提高制件性能的關鍵。

由于用SLM技術制造出來的零件表面質量和尺寸精度不能滿足最終使用狀態要求，因此還需對增材制造結構件進行少量的後處理，如機械加工、熱處理、表面處理等。這就要求對SLM制件的後處理技術進行研究，將其與傳統的鍛件、鑄件的加工性能進行對比，找出合理的工藝參數。

此外，民用飛機還有一個很大的特點，就是所有的材料和制造方法必須經過適航認證才能實現裝機應用，這就要求制定相應的材料規范和工藝規范，并向負責適航審定的局方演示，獲得局方的認可，這方面也是國外走在前列。

例如：2013年美國汽車工程師協會（SAE）制定了Ti-6Al-4V粉末的航空材料標準AMS4998E。2002年SAE制定了直接沉積Ti-6Al-4V產品航空材料標準AMS4999，2011年將其升版為AMS4999A。此外，美國材料測試協會（ASTM）已發布兩項有關粉末床熔覆鈦合金的標準，分別為ASTMF2924-14：粉末熔覆床工藝增材制造Ti-6Al-4V標準規范和ASTMF3001-14：粉末熔覆床工藝增材制造Ti-6Al-4VELI標準規范，這些規范規定了用於增材制造的粉末、設備及工藝方面的要求。而國內關於SLM標準規范方面的工作卻仍十分欠缺，國內航空工業界仍需付出艱辛的努力。