今天为⼤家深度解析选区激光熔化技术，相信各位光学⼈⼀定从⾥⾯获得更多的收获吧！选区熔化成形技术是3D打印技术的⼀种，它打破传统的⼑具、夹具和机床加⼯模式，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的⽅式制成实物零件。
原理
激光选区熔化成形技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的⼀种先进的激光增材制造技术。通过专⽤软件对零件三维数模进⾏切⽚分层，获得各截⾯的轮廓数据后，利⽤⾼能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化⾦属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的⽅式，制造三维实体零件。
图1和图2分别是激光选区熔化成形零件⽰意图和原理⽰意图。如图2所⽰，零件的三维数模完成切⽚分层处理并导⼊成形设备后，⽔平刮板⾸先把薄薄的⼀层⾦属粉末均匀地铺在基板上，⾼能量激光束按照三维数模当前层的数据信息选择性地熔化基板上的粉末，成形出零件当前层的形状，然后⽔平刮板在已加⼯好的层⾯上再铺⼀层⾦属粉末，⾼能束激光按照数模的下⼀层数据信息进⾏选择熔化，如此往复循环直⾄整个零件完成制造。
图1 激光选区熔化成形零件⽰意图
图2 激光选区熔化成形基本原理⽰意图
特点
图3为激光选区熔化成形技术制造的零件。激光选区熔化成形技术突破了传统制造⼯艺的变形成形和去除成形的常规思路，可根据零件三维数模，利⽤⾦属粉末⽆需任何⼯装夹具和模具，直接获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加⼯新理念，特别适⽤于制造具有复杂内腔结构的难加⼯钛合⾦、⾼温合⾦等零件。
（a）激光选区熔化成形⾦属样件
（b）激光选区熔化成形⾼温合⾦零件
图3 激光选区熔化成形技术制造的零件
激光选区熔化成形技术通常采⽤粒径30µm左右的超细粉末为原材料，图4为激光选区熔化成形技术制造钛合⾦零件所使
⽤的TC4超细球形粉，通常铺粉厚度＜100µm（最薄铺粉厚度可达20µm），每个加⼯层控制的很薄，可达到30µm。另外该技术还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（可达0.1mm）以及优异的表⾯质量（粗糙度Ra可达30~50µm），图5为选区激光熔化成形TC4钛合⾦表⾯形貌。
因此该技术具有精度⾼、表⾯质量优异等特点，制造的零件只需进⾏简单的喷砂或抛光即可直接使⽤。由于材料及切削加⼯的节省，其制造成本可降低20%~40%，⽣产周期也将缩短80%。
图4 激光精密成形⽤TC4超细粉
图5 选区激光熔化成形TC4钛合⾦表⾯形貌
从材料性能⾓度看，该技术制造的结构件具有微细、均匀的快速凝固组织，各项同性，且综合性能优异。表1为激光选区熔化成形、激光直接沉积成形、锻造、铸造TC4钛合⾦的⼒学性能⽐较。
表1 激光增材制造钛合⾦与锻造、铸造钛合⾦的⼒学性能⽐较
综上所述，激光选取熔化⼯艺突破了传统的去除加⼯思路，有效解决了传统加⼯⼯艺不可达部位的加⼯问题，尤其适合传统⼯艺如锻造、铸造、焊接等⼯艺⽆法制造的内部有异形复杂结构的零件制造。
同时，由于该技术成形精度较⾼，在普通零件应⽤中可保留更多的⾮加⼯⾯，因此可更好地解决难切削材料的加⼯问题。激光选区熔化成形技术在钛合⾦、铝合⾦、⾼温合⾦、结构钢、不锈钢等材料上的成功应⽤，已对航空航天⼯业产⽣了⾮常重要的影响。
⾦属零件激光选区熔化3D打印装备与技术
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。
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）、激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）和LC（Laser Cusing）等；（2）使⽤激光照射喷嘴输送的粉末流，激光与输送粉末同时⼯作（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。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），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。
⽬前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。
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；
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。汽车零部件详解
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。
SLM设备的展望
纵观国内外的SLM设备和应⽤情况，SLM设备在以下的⽅⾯还需要不断的改进和发展。
（1）⾼性价⽐趋势
SLM设备对于⽬前的机械加⼯业来说，是⼀个极⼤的创新和补充，但是SLM设备⾼昂的价格阻碍了它的推⼴和应⽤。国外SLM设备售价⼤概在500-700万元⼈民币，还不包括后续的材料使⽤费等，国内的科研院所或者企业⼀般承担不了如此⾼的成本。为了更好的推⼴和发展，SLM设备必将不断降低成本，向着⼀个⾼性价⽐的趋势发展。
（2）成型⼤尺⼨零件趋势
⽬前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，这使得SLM设备⽆法成型较⼤尺⼨的⾦属零件，也限制了SLM技术的推⼴应⽤。⽬前国外的SLM设备⼚家正在研发⼤尺⼨零件的成型设备，如⽬前Concept Laser公司开发出的M3设备已经能够成型尺⼨达到300×350×300mm的⾦属零件。
（2）成型⼤尺⼨零件趋势
⽬前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，这使得SLM设备⽆法成型较⼤尺⼨的⾦属零件，也限制了SLM技术的推⼴应⽤。⽬前国外的SLM设备⼚家正在研发⼤尺⼨零件的成型设备，如⽬前Concept Laser公司开发出的M3设备已经能够成型尺⼨达到300×350×300mm的⾦属零件。
（3）与传统加⼯⽅法结合的趋势
SLM技术虽然具有很多的优势，但它也有制造成本⾼，成型件表⾯质量差等缺陷。因此若是能将SLM技术和传统机加⼯⽅法结合起来，同时发挥⼆者的优势，将使制造技术提升⼀个台阶。⽬前⽇本Matsuura公司开发出了⾦属光造型复合加⼯设备LUMEX?Avance-25，该设备将⾦属激光成型和⾼速、⾼精度的切削加⼯结合在⼀起，实现了复合加⼯技术。LUMEX?Avance-25设备可在⼀台装置内交替进⾏⾦属激光成型和采⽤⽴铣⼑的切削精加⼯。这样，实现了与传统机加⼯⽅法相当的尺⼨精度和表⾯粗糙度，还能够加⼯出传统加⼯⽅法⽆法成型的复杂形状零件。此外这种复合加⼯技术还能够使制造周期⼤幅缩短，使⼀个⾦属零件从设计到加⼯的⼯期缩短了61.5%。这种技术必然是今后SLM设备发展的⼀种趋势。
（4）订制化、智能化趋势
随着各种部件不断轻量化和集成化的发展，未来将出现订制化的便携式SLM设备。这些SLM设备将成为今后⼈们⽣产和⼯作中的实⽤⼯具，颠覆传统制造⽅式，并改变⼈们的⽣活⽅式。
球化和翘曲是SLM成型过程中最主要的缺陷，为了克服这些缺陷，制造出⾼质量的⾦属成型件，未来的SLM设备需要具有智能化的过程控制功能。球化是由每⼀层粉末熔化时的微⼩缺陷累积⽽成，⽽每⼀层的成型质量由⼯艺参数决定。因此如果能够在SLM成型过程中实现智能实时监控，在出现微⼩缺陷时就⾃动调整⼯艺参数消除缺陷，这样就能避免成型缺陷，得到⾼质量⾼精度的⾦属零件。
⾦属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜⼒的技术，是先进制造技术的重要发展⽅向。SLM设备⼀般由光路单元、机械单元、控制单元、⼯艺软件、保护⽓密封单元⼏个部分组成。国内外有多家科研机构和⼚家都开发出了较为先进的SLM设备，并且有了成熟的应⽤。开发⾼效率、⾼性价⽐、⼤范围和结合传统机加⼯⽅法的SLM设备，是未来⾦属3D打印的发展⽅向。
选区激光熔化技术在民⽤飞机上的应⽤
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