SLM激光选区熔化金属3D打印技术详解

激光选区熔化金属3D打印技术（Selective laser melting, SLM）和EBSM/EBM(电子束熔融金属3D打印技术)有着类似的技术原理，都是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，两者的区别是热源不同。

激光选区熔化技术采用精细聚焦光斑快速熔化300－500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20－50微米，表面粗糙度达20－30微米，是一种极具发展前景的快速成型技术，而且其应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。

技术原理

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-Ө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。SLM设备所采用的光纤激光器，转换效率高、性能可靠、寿命长、光束模式接近基模等，优势明显。高质量的激光束能被聚集成极细微的光束，并且其输出波长短。

扩束镜的作用是是扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗。

扫描振镜由计算机进行控制的电机驱动，作用是将激光光斑精确定位在加工面的任一位置。通常使用专用平场F-Ө扫描透镜来避免出现扫描振镜单元的畸变，达到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了SLM的成型精度。

控制系统包括激光束扫描控制和设备控制系统两大部分。激光束扫描控制是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：

• 系统初始化、状态信息处理、故障诊断和人机交互功能；
• 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；
• 对扫描振镜控制，设置扫描振镜的运动速度和扫描延时等；
• 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。
• 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。
  
  

SLM金属3D打印设备的运作过程，和3D打印技术也类似。在已有的3D模型切片数据的轮廓数据基础上，生成填充扫描路径，设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。

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。

SLM技术继承了3D打印技术的优势，但也有着不少劣势，包括：

• 由于激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制，SLM设备能够成型的零件尺寸范围有限；
• 由于使用到高功率的激光器以及高质量的光学设备，机器制造成本高，目前国外设备售价在500万以上；
• 由于使用了粉末材料，成型件表面质量差，产品需要进行二次加工，才能用于后续的工作；
• 加工过程中，容易出现球化和翘曲；
  
  

典型企业德国EOS公司

成立于1989年，全称是“EOS GmbH Electro Optical systems”，由Dr.Hans Langer和Dr.Hans Steinbichler合伙建立，他们合伙发明了基于SLS和SLA的快速成型RP（Rapid Prototyping）和增量制造AM（Additive Manufactuing）技术。经过二十多年的快速发展，德国EOS已经成为欧洲最大的3D打印设备研发和制造企业，也是全球少数的掌握SLA/SLM/FDM/SLS/DMLS等多项3D打印核心技术的企业之一。

2011年EOS销售收入1.25亿美金，有350多名雇员，全球30多个国家安装了1100套系统，这和3D Systems和Stratasys公司当年的规模相当。

EOS M290是全球装机量最大的金属3D打印机，采用直接粉末烧结成型技术，利用红外激光器对各种金属材料，如模具钢、钛合金、铝合金以及CoCrMo合金、铁镍合金等粉末材料直接烧结成型。

德国ReaLizer

ReaLizer 2004年正式成立，注册专利为选择性激光熔融——Selective Laser Melting（SLM™），公司主要产品：SLM 50桌面型金属3D打印机，以及SLM 100、SLM 250、SLM300等型号的工业级3D金属打印机。Realizer公司旗下的SLM设备，可生产成型致密度均接近100%的零件，尺寸精度、表面粗糙度均为业内最高水平，并且可实现全自动制造，可日夜工作，有很高的制造效率。Realizer的SLM设备目前在金属模具制造、轻量化金属零件制造、多孔结构制造和医学植入体领域有较为成熟的应用

可使用材料：铁粉、钛、铝合金、钴铬合金、不锈钢以及其他定制材料

德国Concept Laser公司

德国Concept Laser公司是Hofmann集团的成员之一，是世界上主要的金属激光熔铸设备生产厂家之一。公司50年来丰富的工业领域经验，为生产高精度金属熔铸设备夯实了基础。Concept Laser公司目前已经开发了四代金属零件激光直接成型设备：M1、M2、M3和Mlab。其成型设备比较独特的一点是它并没有采用振镜扫描技术，而使用x/y轴数控系统带动激光头行走，所以其成型零件范围不受振镜扫描范围的限制，成型尺寸大，但成型精度同样达到50微米以内。

以Concept Laser公司的X系列1000R设备为例，构建尺寸能达到630 x 400 x 500mm，该系统的核心部件是ILT开发的1000瓦激光光学系统，也较其他SLM金属3D打印机有很大的提升（EOS设备激光器功率为200-400瓦）。

德国企业在SLM技术领域有着明显的优势，当然还有不少优秀的企业，例如英国的雷尼绍公司等，均在推动SLM的进步和革新。下面的表格列举了常见的SLM金属3D打印机的详细参数，供参考。

我国的SLM技术研究也具有相当长的时间，但由于3D打印市场发展缓慢，加上SLM技术力量主要集中在华南理工大学、华中科技大学、南京航空航天大学、中北大学等高校，技术市场化还未取得突出的成绩。目前国内的金属3D打印机市场几乎均被国外企业所垄断。

注：以上资料整理自华南理工大学机械与汽车工程学院杨永强教授等的技术研究报告

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