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1、金属零件激光选区熔化3D打印装备与技术杨永强*，刘睿诚，王迪（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州，510640）摘要：3D 打印技术正在快速改变我们传统的生产方式和生活方式，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术被外界认为将推动第三次工业革命。激光选区熔化技术（Selective laser melting, SLM）是金属零件3D打印技术的典型代表。本文以激光选区熔化技术为例概括介绍了金属3D打印设备与技术，包括SLM设备的基本构成和成型原理，对比了国内外的SLM设备参数，阐述了SLM设备应用领域，并对SLM设备及技术的发展进行了展望。关键字：金属零件3D打印；激光选区熔
2、化；自动化成型The equipment and technology of metal parts 3D printing based on Selective Laser Melting Yang Yongqiang, Liu Ruicheng, Wang DiSchool of Mechanical &Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, ChinaAbstract: 3D printing technology is rapidly changing our tra
3、ditional mode of production and way of life. 3D printing manufacturing technology, which is networked and personalized, will drive the third industrial revolution. Selective laser melting (SLM) is a typical representative of the metal parts 3D printing technology. Based on the SLM technology, this p
4、aper gave an overview introduction on metal 3D printing equipment and technology, which include the basic constitution of SLM equipment and fabricating principle. Then, the parameters of SLM equipment both at home and abroad were compared and the application fields of SLM equipment were introduced.
5、At last, the development prospects of SLM equipment were discussed.Keywords: Metal parts 3D printing technologies; Selective Laser Melting; Automated fabricating 1 前言随着科学技术日新月异的进步，机械加工行业不断发展。而快速成型技术，尤其是激光3D打印技术在机械加工行业中起到了越来越大的作用，并渐渐在制造业得到了广泛应用，成为了如今机械制造业中不可或缺的一部分。3D 打印技术正在快速改变我们传统的生产方式和生活方式，不少专家认为，以
6、数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术将推动第三次工业革命1-3。金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添置方式将金属3D打印技术分为三类：（1）使用激光照射预先铺展好的金属粉末，即金属零件成型完毕后将完全被粉末覆盖。这种方法目前被设备厂家及各科研院所广泛采用，包括直接金属激光烧结成型（Direct Metal Laser Sintering, DMLS）4-5、激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）6和LC（Laser Cusing）7 等；（2）使用激光照射喷嘴输送的粉
7、末流，激光与输送粉末同时工作（Laser Engineered Net Shaping，LENS）8。该方法目前在国内使用比较多；（3）采用电子束熔化预先铺展好的金属粉末（Electron Beam Melting, EBM）9，此方法与第1类原理相似，只是采用热源不同。激光选区熔化技术是金属3D打印领域的重要部分，其采用精细聚焦光斑快速熔化300500目的预置粉末材料，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。致密度可达到近乎100%，尺寸精度达2050微米，表面粗糙度达2030微米，是一种极具发展前景的快速成型技术4，而且其应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。目
8、前SLM设备的研究和开发也成为了国内外快速成型领域的热点。本文对SLM设备的组成和成型原理进行了一个概述性的介绍，对比了国内外SLM设备的参数，并对SLM设备和技术的发展进行了展望。2 SLM技术的原理和设备组成2.1 SLM成型设备SLM设备一般由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几个部分组成。光路单元主要包括光纤激光器、扩束镜、反射镜、扫描振镜和F-聚焦透镜等。激光器是SLM设备中最核心的组成部分，直接决定了整个设备的成型质量。近年来几乎所有的SLM设备都采用光纤激光器，因光纤激光器具有转换效率高、性能可靠、寿命长、光束模式接近基模等优点。由于激光光束质量很好，激光束能
9、被聚集成极细微的光束，并且其输出波长短，因而光纤激光器在精密金属零件的激光选区熔化快速成型中有着极为明显的优势。扩束镜是对光束质量调整必不可少的光学部件，光路中采用扩束镜是为了扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗。扫描振镜由电机驱动，通过计算机进行控制，可以使激光光斑精确定位在加工面的任一位置。为了克服扫描振镜单元的畸变，须用专用平场F-扫描透镜，使得聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。机械单元主要包括铺粉装置、成型缸、粉料缸、成型室密封设备等。铺粉质量是影响SLM成型质量的关键因素，目前SLM设备中主要有铺粉刷和铺粉滚筒两大类铺粉装置。成型缸与粉料缸由电机控制，电机控制的精度也决定
10、了SLM的成型精度。控制系统由计算机和多块控制卡组成，激光束扫描控制是由计算机通过控制卡向扫描振镜发出控制信号，控制X/Y扫描镜运动以实现激光扫描。设备控制系统完成对零件的加工操作。主要包括以下功能：（1）系统初始化、状态信息处理、故障诊断和人机交互功能；（2）对电机系统进行各种控制，提供了对成型活塞、供粉活塞、铺粉滚筒的运动控制；（3）对扫描振镜控制，设置扫描振镜的运动速度和扫描延时等；（4）设置自动成型设备的各种参数，如调整激光功率，成型缸、铺粉缸上升下降参数等。（5）提供对成型设备五个电机的协调控制，完成对零件的加工操作。根据SLM工艺的需要，其所涉及的专业软件主要有三类：切片软件、扫描
11、路径生成软件和设备控制软件。切片软件实施的切片处理是快速成形软件的关键内容之一，其功能是将零件的三维CAD模型转化成二维的切片模型，得到一层层的截面轮廓数据。在SLM工艺中，最基本的操作是控制激光进行扫描。由于分层得到的截面信息是轮廓数据，需要进行内部填充。扫描路径生成软件的功能就是由轮廓数据生成填充扫描路径。总控软件主要对成型过程进行控制，显示加工状态，进而实现人机交互。2.2 SLM成型原理SLM技术的基本原理是：先在计算机上利用pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设
12、备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。图1 SLM成型原理图 在设备中的具体成型过程如图1所示：激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到成型缸的基板上，激光束再按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的粉末，加工出当前层，然后成型缸下降一个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末。设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。3 国内外SLM设备现状和技术对比 世界范围内已经有多家成熟的SLM设备制造商
13、，包括德国EOS公司（EOSING M270及其M280）5，德国ReaLizer公司10，SLM Solutions公司12，Concept laser 公司（M Cusing系列）7，美国3D公司（Sinterstation系列）11 ，Renishaw PLC公司（AM系列）12和Phenix systems公司12等。上述厂家都开发出了不同型号的机型，包括不同的零件成型范围和针对不同领域的定制机型等，以适应市场的个性化需求。虽然各个厂家SLM设备的成型原理基本相同，但是不同设备之间的参数还是有很大的不同，表1是对国外不同SLM设备的对比：表1 国外SLM设备各个参数对比5-13厂家设备
14、名称典型材料能量源成型件范围(mm)铺粉装置层厚(m)光学系统聚焦光斑直径(m)最大扫描速度(m/s)成型室内环境EOSEOSING M270铁基合金、铜合金、钛合金等200W fiber laser250250215压紧式铺粉刷30-100F-聚焦镜+扫描振镜100-5005预热+真空EOSING M280200W/400W fiber laser25025032530-6060-3007预热+真空ReaLizerSLM 100不锈钢、钛合金、钴铬合金等50W fiber laser125100柔性铺粉刷20-50F-聚焦镜+扫描振镜30-505无预热+真空SLM 250200W fiber
15、 laser25025030020-5050-1005无预热+真空SLM 300200W/400W fiber laser30030030020-10070-2005无预热+真空Concept laserM1不锈钢、钛合金、钴铬合金等50W fiber laser120120120压紧式铺粉刷20-50F-聚焦镜+数控激光头移动30-505无预热+无真空M2200W fiber laser25025028020-5050-2005无预热+无真空M3200W fiber laser30035030020-5070-3007无预热+真空Mlab100w/50w fiber laser90908020-5020-807无预热+无真空SLM solutionsSLM 250HL不锈钢、钛合金、钴铬合金、铜合金等200W fiber laser250250250压紧式铺粉刷30-100F-聚焦镜+扫描振镜70-3005无预热+真空SLM 280HL400w/1000w fiber laser28028035030-30070-2005
