激光選區熔化的案例
光學技術深度解析｜詳解選區激光熔化技術
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。
展開 增材專欄 l 選區激光熔化SLM金屬3D打印的熔池及單道熔覆層仿真分析
視頻：粉末在激光作用下發生變化的過程
本期，安世亞太的仿真專家借助離散元分析軟件Rocky和計算流體動力學分析軟件Ansys Fluent 對激光選區熔化鋪粉過程及單道熔覆層的形成過程進行仿真分析，并在一定工況范圍內研究了激光功率、激光掃描速度和鋪粉層厚這三個參數對打印熔池及單道熔覆層的影響，該仿真過程的實現可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
通過對激光選區熔化激光與粉末的相互作用，單道熔池內金屬熔體的流動過程，相應工藝條件下熔池的形態及最終熔覆層的特性進行研究可以深入理解SLM制備機理，并可對SLM制備工藝設計和優化提供指導。
離散元分析可以對撒粉和鋪粉過程進行模擬，從而建立粉末床模型；選區激光熔化SLM金屬3D打印熔池及單道熔覆層的形成過程仿真可以采用計算流體動力學分析實現。
加工原理及粉末床模型的建立
激光選區熔化（Selective Laser Melting；SLM）樣品制備過程中以激光作為能量源熔化粉末形成熔池，且熔池內的金屬會產生流動，隨著激光的移開，熔池凝固形成了單道熔覆層。熔池及單道熔覆層的特性影響著最終所制備零件的質量。
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視頻：粉末在激光作用下發生變化的過程
本期，安世亞太的仿真專家借助離散元分析軟件Rocky和計算流體動力學分析軟件Ansys Fluent 對激光選區熔化鋪粉過程及單道熔覆層的形成過程進行仿真分析，并在一定工況范圍內研究了激光功率、激光掃描速度和鋪粉層厚這三個參數對打印熔池及單道熔覆層的影響，該仿真過程的實現可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
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離散元分析可以對撒粉和鋪粉過程進行模擬，從而建立粉末床模型；選區激光熔化SLM金屬3D打印熔池及單道熔覆層的形成過程仿真可以采用計算流體動力學分析實現。
加工原理及粉末床模型的建立
激光選區熔化（Selective Laser Melting；SLM）樣品制備過程中以激光作為能量源熔化粉末形成熔池，且熔池內的金屬會產生流動，隨著激光的移開，熔池凝固形成了單道熔覆層。熔池及單道熔覆層的特性影響著最終所制備零件的質量。
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視頻：粉末在激光作用下發生變化的過程
本期，安世亞太的仿真專家借助離散元分析軟件Rocky和計算流體動力學分析軟件Ansys Fluent 對激光選區熔化鋪粉過程及單道熔覆層的形成過程進行仿真分析，并在一定工況范圍內研究了激光功率、激光掃描速度和鋪粉層厚這三個參數對打印熔池及單道熔覆層的影響，該仿真過程的實現可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
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加工原理及粉末床模型的建立
激光選區熔化（Selective Laser Melting；SLM）樣品制備過程中以激光作為能量源熔化粉末形成熔池，且熔池內的金屬會產生流動，隨著激光的移開，熔池凝固形成了單道熔覆層。熔池及單道熔覆層的特性影響著最終所制備零件的質量。
展開 
每日一品：永年激光桌面型精密選區激光熔化金屬3D打印機YLM-160s
在全球3D打印產品庫product.nanjixiong.com里，永年激光推出了桌面型精密選區激光熔化金屬3D打印機YLM-160s。
目前，國內外的金屬3D打印機廠商都在朝著大型化的方向發展，對于桌面型和小型金屬成形機有所忽略，即便有推出小型金屬3D打印機，成形體積一般也非常?。?0x50x50mm3），另外還存在成形粉體不可變，精度有待提高等問題。
實際上，我國的工業、科研和教學等領域都需要桌面型、大成形體積、可變粉體、高精度的3D金屬打印設備。如果有一款設計精巧，結構緊湊、可變成形粉體、精度好、成形效率高而具有足夠大的掃描成形空間大的微小型設備，一定會非常受歡迎。但這樣的設備設計和制造難度高，須有長期從事3D金屬打印設備生產和使用經驗的團隊來完成。
江蘇永年激光成形技術有限公司在近10年的選區激光熔化（SLM）研發基礎上，摒棄傳統的SLM設備的成形缸系統，采用擁有自主發明專利的“型-形技術”，即M/S——Model/Shape技術，完成從SLM到SLM-M/S的技術提升，經過大量的開發，順利完成超大成形粉體的金屬桌面機的生產。
△永年激光桌面型精密選區激光熔化金屬3D打印機YLM-160s
YLM-160s設備的應用領域：
工業領域：注塑模和吹塑模小型插件等，工業用金屬結構件，其成形空間應遠遠大于50mm立方，達到了160x160x200mm3的水平；
醫療器械：體內外假肢和關節、齒科義齒等
科研領域：材料研究需小型可變粉體的3D金屬打印設備，以節省寶貴的測試金屬粉末；由于實驗室面積的限制，研究領域更傾向小型機或桌面機；
教學領域：高等學校的實訓、技師和技工培訓和競技大賽等對桌面機的需求是很迫切的。
展開 利用激光選區熔化增材制造雙相難熔中熵合金NbMoTi
Double-phase refractory medium entropy alloy NbMoTi via selective laser melting (SLM) additive manufacturing
Yinan Chen a, Bo Li
本篇論文介紹了利用激光選區熔化（SLM）技術，成功制造出雙相難熔中熵合金NbMoTi。
由于其高熔點，單一BCC相元素金屬的制造難度大，同時單一相元素金屬的性質單一，限制了合金的性能。因此，本研究探討Nb、Mo和混合MoNbTi粉末的成型分析，FLOW-3D模擬首次成功證明了，利用激光加工可以從粉末混合物中原位合金化生產MoNbTi中熵合金。通過數值仿真優化制造參數，從而縮短流程設計周期。此外，本研究分析了非平衡固化過程中MoNbTi合金樣品的雙相微觀結構。
金屬材料規格如下。
實驗方式
將Nb、Mo和Ti粉末混合，并通過三維粉末混合機進行攪拌36小時，得到混合粉末。
通過數值模擬（FLOW-3D）確定優化的加工參數，如激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚等。
以SLM技術制備出Nb、Mo和NbMoTi高熵合金樣品，并使用阿基米德測量法測量了它們的密度。
實驗結果表明，經過優化的加工參數可以成功制備出高密度的Nb、Mo和NbMoTi高熵合金樣品。
參數設計
以FLOW-3D進行數值模擬來確認加工參數。通過改變掃描速度、掃描間距和層厚等參數，模擬出不同參數下元素Nb的熔池變化情況。當掃描速度降低時，熔池的幾何尺寸增加，熔池的液面下降。在速度為300mm/s時，熔池的瞬時最高溫度為4261K，且成功完成SLM成形。當速度下降到200mm/s時，液面凹陷，成形效果較差。
展開 鎳基高溫合金IN738激光選區熔化中預熱溫度對熔池演化的影響 | FLOW-3D AM
二、研究方法
1.離散元方法構建粉床模型（FLOW-3D -DEM）
2.確定激光選區熔化的邊界條件，構建熱流CFD模型（FLOW-3D -Weld）
3.使用上述模型研究單道、多道熔池的溫度場和流動行為
三、研究結果 - 單道熔池形貌仿真與實驗對比
熔池形態對比
冷卻速率分布
固相率分布
四、研究結果 - 單道熔池孔隙形成
孔隙現象也會隨著不同的能量密度以及預熱情況而產生變化。幾種具有代表性的工藝參數條件下孔隙形成的截面圖（Y-Z平面）如圖所示。
五、研究結果 – 裂紋
凝固方式：邊緣由外向內/中線沿著掃描方向
裂紋更易從中心線處擴展產生
不同預熱下X/Y/Z矢量溫度梯度分布
六、研究結果 – 單道熔池凝固條件
隨著預熱溫度的增加，熔池邊緣的冷卻速率從200°C的2.2×10^6K/s減小到700°C下的5.3×10^5K/s，降低的冷卻速率導致更淺但更寬的熔池中較低的拉應力和減少的液化開裂敏感性。
200°C預熱條件下的溫度梯度從頭部的8.8×10^6K/m減少到尾部附近約5.3×10^6K/m的“黃色水平”。相比之下，700°C預熱條件下，溫度梯度減少到約3×10^6K/m的“青色水平”。如圖所示觀察到高預熱溫度增加了長度，形成了更均勻的熱場。
展開 激光選區熔化成形過程中搭接率及掃描速度對溫度場的影響
搭接率、掃描速度、溫度場
選區激光熔化成形技術（SelectiveLaser Melting，簡稱SLM）是近十幾年才發展起來的新型快速成形（RapidPrototyping）技術。該技術能直接制造形狀復雜、機械性能良好、高精度、致密度近100%的金屬零件，無需或僅需簡單后處理（如噴砂、拋光等）即可直接投入實際使用。
SLM成形過程中溫度場的數值模擬
計算模型的尺寸為2.4×1.2×2.62mm3，成形區的尺寸為1.8×0.6×0.12mm3，共六層，層厚為0.02mm，其掃描方式為隔層交替掃描，相位角為 90°，如圖1 所示。SLM技術是一種預鋪粉的快速成形技術，必須考慮到粉末對已成形區的導熱作用和自身被預熱過程。在本模型中成形層周圍的粉末寬度取為0.3mm，由于粉末的熱導率很低，這個寬度已經能較好反映粉床對成形區溫度的影響。為了更準確的分析激光加工過程中熱擴散行為，模型基底的尺寸相對比較大為2.4×1.2×2.62mm3。成形層與粉床的單元尺寸為0.05×0.05×0.02mm3，遠離成形層的網格的劃分相對粗糙些，這即保證了足夠的計算精度，同時也避免了計算時間過長。
展開 上海探真曾曉雁：激光金屬增材技術是航空航天領域中的變革性技術
南極熊導讀：上海電氣控股的上海探真激光，正逐步成為國內金屬3D打印的新生力。上海電氣內部也將金屬3D打印用于汽輪機、燃氣輪機葉片等核心零部件的制造。
2021年10月14日至15日，由上海市增材制造協會、中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司聯合主辦的“中國航空航天增材制造技術發展論壇”在上海滴湖舉辦。上海探真激光首席科學家、華中科技大學教授曾曉雁在本次論壇上發表了題為“激光增材制造金屬零部件：航空航天工業中變革性的智能制造技術”的主旨報告。
△上海探真激光首席科學家、華中科技大學教授曾曉雁
曾教授在報告中介紹了激光選區熔化增材制造技術與裝備的發展現狀與趨勢、激光增材制造技術面臨的機遇和挑戰等內容。
通過對電弧熔絲、電子束熔絲、電子束選區熔化、激光直接成形、激光選區熔化五種常用的金屬增材制造技術的對比，曾教授認為激光選區熔化（SLM）過去是、未來依然是最主流的金屬零部件增材制造技術。
對比來看，激光選區熔化具有諸多的優勢，比如打印精度高、后續機加工量小等。但同時也存在一些缺點，比如打印速度慢、成形尺寸小等。為了解決這些問題，SLM技術與裝備正朝著大尺寸成形缸、多光束同時成形方向發展。
金屬3D打印設備主要的技術路線包括以下三種：
長焦距f-θ場鏡；
單臺激光振鏡沿著不同加工區域移動；
多鏡拼接并行掃描——成為大尺寸SLM成形技術裝備的主流方向
為了解決上述技術問題，2015年，華中科技大學在國際上率先研制出四激光束SLM原型設備；2018年，上海探真將相關技術發揚光大，開發出尺寸更大的SLM裝備。
展開 材料“金手指”，金屬材料高通量制備技術及案例分享
但是采用傳統的激光選區熔化設備開展增材新材料研發發存在著較大障礙：
1. 每開展一次新的成分研究就需要開展該合金的粉末制備，制粉成本較高；
2. 需要不斷的更換粉末開展研究，而傳統激光選區熔化設備粉末更換較為繁瑣，且粉路很難清理。
采用本文所述的高通量制備設備開展研發可以很好的解決這些困難。
1. 通過少量市場已有的單一粉末或預混粉末的自動混粉實現所需的成分需求；
2. 模塊化可拆卸的粉路裝置方便換粉及設備清理；
因此采用DLM-120HT高通量制備設備可以開展：
1. 粉末成分研究及快速篩選；
2. SLM制備工藝研究及快速篩選；
3. 粉末類型（不同粒度、球形度、氧含量等）SLM制備研究及快速篩選。
圖6 成分及工藝篩選案例展示
03 成分對微觀組織影響研究
采用DLM-120HT一次性制備210個不同成分的不銹鋼合金試樣，成功發現了從等軸晶到柱狀晶轉變的成分比例，為增材制造用不銹鋼合金成分設計提供參考依據，整個制備周期僅為20小時，極大縮短了研發周期和成本。
圖7 成分對微觀組織的影響研究
展開 國產6振鏡2×2米超大型金屬3D打印機！西帝摩將重磅亮相TCT亞洲展
△移動式除塵裝置流速等值面圖
新一代高效智能XDM 750大型激光選區熔化設備
西帝摩相關負責人告訴南極熊，除了發布2米超大幅面金屬3D打印機，他們還升級了新一代XDM 750。新一代XDM 750，成形尺寸為750mm×750mm×500mm，是西帝摩繼2017年發布當時業內最大同類成形設備XDM 750一代的基礎上升級的全新激光選區熔化成形設備。設備具有4光束配置，非常適合對大尺寸零件高效加工有迫切需求的客戶。
與上一代2017年發布的750相比，設備采用了全新的除塵系統，使不同激光掃描區域之間流場一致性更好，更避免了上下游掃描煙塵對激光的相互影響。軟件方面采用了西帝摩全新一代面向客戶的適用于XDM系列設備的軟件系統，在人機交互、性能、智能化程度均有明顯提升。
另外，除了大型機，本次展會上，西帝摩也有相對小型的金屬3D打印機XDM 120、XDM 250、XDM 300。
3D打印全流程質量控制體系
超大尺寸的金屬3D打印機，對穩定性的要求非常高，西帝摩深入打印服務一線，對其中質量因素理解深刻，推出了從數字模型、原材料、打印設備、過程監控、成品檢驗、以及全流程質量可追溯方面質量控制體系。
在本屆TCT展會上，西帝摩將在F40展位公開進行3場技術分享，敬請關注。
展開 
鉑力特2020年營收4.12億元，自研金屬3D打印機大幅增長
Ⅱ.主要產品及服務
1、金屬 3D 打印設備
公司自主研制開發了激光選區熔化成形、激光高性能修復等系列金屬 3D 打印設備。
（1）激光選區熔化成形設備
激光選區熔化成形設備是公司自主研發的采用 SLM（Selective Laser Melting：激光選區熔化成形）技術的金屬增材制造設備。SLM 技術是采用激光有選擇地分層熔化燒結固體粉末，在制造過程中，金屬粉末加熱到完全融化后成形。其工作原理為：被打印零部件提前在專業軟件中添加工藝支撐與位置擺放，并被工藝軟件離散成相同厚度的切片，工藝軟件根據設定工藝參數進行打印路徑規劃。實際打印過程中，在基板上用刮刀鋪上設定層厚的金屬粉末，聚焦的激光在掃描振鏡的控制下按照事先規劃好的路徑與工藝參數進行掃描，金屬粉末在高能量激光的照射下其發生熔化，快速凝固，形成冶金結合層。當一層打印任務結束后，基板下降一個切片層厚高度，刮刀繼續進行粉末鋪平，激光掃描加工，重復這樣的過程直至整個零件打印結束。
（2）激光立體成形設備
激光立體成形設備是鉑力特自主研發的采用 LSF 技術（Laser Solid Forming，激光立體成形）的成形設備。其成形原理是：聚焦激光束在數控系統的控制下，按照預先設定的路徑進行移動，移動的同時，粉末噴嘴將金屬粉末直接輸送到激光光斑在固態基板上形成的熔池，使之由點到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個層截面的打印工作。這樣層層疊加，制造出接近實體模型的零部件實體。該設備不僅可以快速成形大型金屬結構件，而且可以進行損傷零件的快速修復。其修復原理是：以損傷零件為基體，對待修復區域逐層堆積熔化粉末，在不破壞零件本體性能的前提下，對損傷零件進行性能修復與再制造，恢復零件的幾何性能和力學性能，使零件再次達到使用要求。
展開 持續增長！國內金屬3D打印設備迎來爆發！
展位號：A20
①iMetal-650多激光同幅面大尺寸高精度SLM設備
DiMetal- 650是雷佳最新推出的多激光同幅面的大尺寸金屬激光選區熔化設備,成形尺寸625x 625x 1100mm。它是雷佳多年技術積累的代表作,也是目前國內市場上少有的可成形大尺寸的激光選區熔化設備。DiMetal-650可覆蓋航空航天、模具工業、汽車工業等對大尺寸零件有廣泛應用的行業。
②DiMetal-280雙激光金屬3D打印機
多激光打印技術是提升成型效率、降低時間成本的有效方法。雙激光Dimetal-280設備成形尺寸250*250*300mm，配備2個500W激光器，基于2個區域的高精度拼接，可實現零件的高效率成型。設備采用特殊的搭接方案和高精度校準技術，可消除零件在搭接位置的搭接痕跡與搭接錯位，搭接誤差達50μm以下。
③DiMetal-300多材料金屬3D打印機
DiMetal-300是雷佳研發的多材料金屬3D打印設備,可一次性成形1-4種材料，實現多材料零件的一次性加工成形，滿足復雜位置零件對材料性能的多元化需求，進一步提高零件在復雜使用場景及工況下的材料設計空間。
南京鋮聯激光科技有限公司
南京鋮聯激光科技有限公司是江蘇三維智能制造研究院孵化的工業級3D打印高新技術企業，依托南京航空航天大學增材制造研究所，專注于選區激光熔化金屬3D打印技術的設備研發、金屬材料、工藝開發及打印服務，為用戶提供一站式3D打印應用解決方案。
展開 世界首個在月球著陸的大型3D打印組件由RUAG Space開發
該廠先后完成了鋁合金、鈦合金等材料選區激光熔化成型工藝鑒定，并順利通過院級評審，突破了以激光選區熔化冶金質量控制與組織性能調控、復雜形狀結構件尺寸精度與變形控制等為代表的多項關鍵技術，獲得了激光選區熔化成型技術的上星許可。
而3D打印在著陸器方面的應用，就在2018年12月初，NASA還與9家公司簽訂合同，以合作設計和建造月球著陸器，將NASA的科學有效載荷送到月球表面。根據3D科學谷的市場觀察，軟件公司Autodesk-歐特克和美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室的工程師們設計出了一種全新的星際著陸器，未來預計將對木衛二和土衛二等遙遠的衛星進行探索。它的重量大大小于美國宇航局送往其它行星和衛星的大多數著陸器。
這款著陸器的重量與噴氣推進實驗室的其它著陸器設計相比降低了35%。它的重量大約為176磅（79.8千克），遠低于NASA最新的洞察力號火星著陸器約770磅（約349公斤）的重量。
展開 Orbex生產出全球最大的單件3D打印火箭引擎
“我們團隊的成員幫助發明了激光選區熔化技術！我們一直希望該技術能夠成功——這不僅僅是關于銷售SLM設備，而是為客戶在他們的生產過程中成功創建范例轉換。SLM Solutions咨詢了Orbex公司如何讓這項技術更好地為他們服務，并將這些知識轉移到他們的產品中，以確保產品在未來能成功地實現批量化生產?！?Orbex首席技術官Jonas Bjarnoe表示:“SLM Solutions團隊展示了真正的奉獻精神和對我們工作的深入了解。我期待著在2019年及以后繼續這種合作。Orbex和SLM Solutions已經解決了一些將改變太空業務的重要難題。Pankiewicz總結道，“我認為建造火箭是每個工程師的夢想，我很榮幸能夠和SLM Solutions及Orbex參與這個項目?！?來源：中國3D打印網
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