激光快速成型（LaserRapidPrototyping，LRP）技術是近20年來制造技術的一項重大突破。該技術是一種涉及多門學科的新型綜合制造技術，其對制造業的影響力可與20世紀五六十年代的數控機床相比。金屬零件快速制造技術代表了RP技術的***新發展方向。

國外對RM的理論與工藝研究也相對成熟，而且在近幾年已有多家公司推出商品化的設備。而國內主要是對基礎工藝的研究，主要研究單位包括西北工業大學、北京航空航天大學、華南理工大學、華中科技大學、南京航空航天大學、清華大學等。RM技術***大的優勢是其不需要模具或工具加工，直接獲得需求的功能零件。雖然快速制造（RapidManufacturing,RM）技術在材料選擇、設計自由性、以及研發成本控制等方面具有很大的競爭優勢，但由于RM技術在國內市場上剛剛出現并且關鍵技術不成熟，還沒有被市場普遍接受。

目前，真正能夠制造精密金屬零件的快速成型技術只有選區激光熔化和選區激光燒結。選區激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）成型方法成型金屬零件時,多采用樹脂或低熔點材料包覆的金屬粉末作為原材料，通過激光掃描使樹脂熔化將金屬粉末固結在一起，在成型后經過脫脂、浸滲低熔點金屬（如青銅等）來提高致密度。SLS技術成型金屬零件工序復雜且零件強度與精度多數情況下仍達不到要求。而選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術是一種極具創新的快速成型技術，能一步加工出具有冶金結合，相對密度接近****，具有復雜結構、高的尺寸精度的金屬零件。

金屬零件快速制造技術

金屬零件快速制造系統可分為3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。目前這種方法在市場上、各科研院所采用***多，包括選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬激光燒結成型（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選區激光熔化、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，也稱為激光凈成型（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。該方法目前在國內使用比較多，如西北工業大學研究的激光立體成型、北京航空航天大學采用此方法成型大型鈦合金件。

（3）采用電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）預先鋪展好的金屬粉末。此方法與第1類原理相似，只是采用熱源不同，分別為高功率激光和電子束。在瑞典已出現商品化EBM設備，國內清華大學進行了前期的設備開發與工藝研究。因目前市場上RM設備型號繁多，本課題主要對******類成型系統進行總結，即主要包括SLM/DMLS和SLS技術。電子束熔化成型技術在原理與成型過程中與上述2種技術類似，也進行了部分說明。

1、SLM/DMLS技術

SLM/DMLS成型過程原理與SLS基本相同。DMLS技術使用材料多為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結過程中相互補償，有利于保證制作精度。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術需要高功率密度激光器，光斑聚焦到幾十μm到幾百μm。SLM技術目前***常使用光束模式優良的光纖激光器的激光功率在50W以上，功率密度達5×106W/cm2以上。國外研究工作者總結發現，影響SLM成型效果的影響因素達到130多個，而其中13個因素具有決定作用。

根據自身經驗將影響SLM成型質量的因素分為六大類，包括：材料（成分形貌、粒度分布、流動性、物性等），激光與光路系統（激光模式、波長、功率、光斑直徑），掃描特征（掃描速度、掃描方法、層厚、掃描線間距等），外界環境（氧含量、濕度），幾何特性（支撐添加、幾何特征、空間擺放等），機械因素（粉末鋪展平整性、成型缸運動精度、鋪粉機構的穩定性等）。考查SLM成型件的指標，主要為致密度、精度、表面粗糙度、零件內部殘余應力、強度與硬度6個，其他特殊應用的零件需根據行業要求進行相關指標檢測。SLM成型過程的主要缺陷有球化、翹曲變形、裂紋。目前SLM技術所面臨的***大挑戰為：成型效率、可重復性、可靠性（設備穩定性），這也是RM行業所面臨的***大挑戰。

2、選擇性激光燒結成型（SLS）

SLS技術分為直接制作金屬零件和間接制作金屬零件2種。直接制作金屬零件采用至少2種以上熔點的金屬粉末，通過熔化低熔點成分潤濕并填充高熔點結構金屬粉末顆粒間隙，將結構材料粘結起來燒結成金屬零件的方法。SLS直接制作金屬件還可以通過激光熔化金屬粉末顆粒的外層，而粉末顆粒的內部并沒有熔化的方式，將粉末顆粒通過外層燒結粘結在一起。SLS間接制作金屬零件是采用高分子聚合物材料包裹高熔點的金屬粉末，激光熔化聚合物材料以將金屬粉末粘結起來獲得原型件的方式，然后經過焙燒、熔浸低熔點金屬液、熱等靜壓等后處理工序提高制件的密度。SLS兩種成型金屬零件的方法由于都是使用低熔點粉末粘結高熔點粉末，使得SLS制件的力學性能差，特別是延伸率很低，很少能夠直接應用于功能零件的制造上。SLS技術的關鍵是新型材料的研制，適用于SLS技術的材料范圍廣泛，該技術本身生產效率高，成型過程易于控制。

3、電子束熔化成型技術（EBM）

EBM與SLM/DMLS系統的差別主要是熱源不同，成型原理基本相似。EBM技術成型室必須為高真空，才能保證設備正常工作，這使得EBM技術整機復雜度提高。因使用電子束作為熱源，金屬材料對其幾乎沒有反射，多以能量吸收率大幅提高。在真空環境下，材料熔化后的潤濕性也大大提高，增加了熔池之間、層與層之間的冶金結合強度。但是，EBM技術成型還存在如下問題：

（1）在真空室抽氣過程中粉末容易被氣流帶走，造成系統污染；（2）在電子束作用下，粉末容易潰散。因此，EBM技術需要將系統預熱到＞800℃，使得粉末在成型室內預先燒結固化在一起。優點是EBM成型過程效率高，零件變形小，成型過程不需要金屬支撐，微觀組織致密等。缺點是高預熱溫度對系統整體結構提出非常高的要求，加工結束后零件需要在真空成型室中冷卻相當長一段時間，降低了零件的生產效率。

商品化RM設備及性能

世界范圍內，已經有多家成熟的RM設備制造商，包括德國EOS公司（EOSINGM270，DMLS技術）、德國MCP公司（Realizer系列，SLM技術）、Conceptlaser公司（MCusing系列，laser Cusing技術）。瑞典Acram公司的EBM設備也占有重要地位。目前，近年來幾乎所有的SLM/DMLS設備都采用光纖激光器，因為光纖激光器幾乎免維護、光束質量優良、光電轉化效率高等優點使其應用于RM優勢很明顯。隨著光纖激光器的發展，使用的光纖激光器的功率有逐漸加大的傾向，從初始的50W到目前的主流200W。值得注意的是，conceptlaser公司的laser Cusing技術并沒有采用振鏡掃描，而使用非主流的x/y軸數控系統，通過伺服電機帶動激光頭根據零件的輪廓軌跡在x/y方向運動，所以其成型零件范圍可以不受振鏡掃描范圍的限制，其所成型零件效率與尺寸精度可達到SLM/DMLS技術同一水平。

1、各公司商品化設備系列

表1為各公司RM設備及對應的能量源、成型尺寸參數。大部分生產商將設備進行系列化生產，配置不同的能量源與成型零件尺寸以滿足不同客戶的需求。SLM/DMLS技術要求粉末完全熔化，激光功率密度要求高。商品化的RM設備幾乎全部采用光纖激光器，MCP公司與EOS公司已經研發400W的光纖激光器應用以提高成型效率。

表1 市場上RM設備總結

2、各公司對應設備成型制造性能

表2是各RM系統使用的典型材料、層厚及成型件的主要性能指標。各設備制造商選用的材料種類相似，主要包括不銹鋼、鈦合金、工具鋼、鈷鉻合金等，其中EOS公司成型所用材料主要為自主研發。各RM設備的層厚一般設定在50μm左右。層厚太薄，雖然能夠提高成型的質量，但降低加工效率，而當層厚加大，將使成型質量變差。比較各生產商的RM設備成型件的質量發現，在致密度、尺寸精度與表面粗糙度等方面，EOS、MCP與Conceptlaser公司達到同一水平，而Arcam公司EBM成型在尺寸精度與表面粗糙度上相對差一些，主要是因為電子束聚焦光斑比較大而造成。

表2 各RM設備對應的材料、加工層厚、成型件性能指標

3、應用舉例

目前SLM/DMLS快速成型系統主要應用在航空航天、汽車、醫學個性化件制造、小型注塑模具及鑲件等領域，還針對小批量、個性化的一些復雜件進行加工。使用RM設備***多的還是一些研究機構與軍工單位。RM技術的***大優勢是其在幾何形狀上幾乎無限制。SLM/DMLS就如同激光加工行業興起之初，設備生產商對激光技術應用于哪一行業還沒有完全摸清，只能一步步的從傳統加工行業中挖掘潛在的應用。同樣RM技術需要行內專業人士尋找潛在的應用。

國外研究方向與進展

國外針對RM研究包括以下幾個方面：基礎的理論研究、成型工藝研究、應用研究、成型新材料探索研究等。此外，還包括新的應用領域探索，如功能梯度材料零件的直接制造。

***新研究表明，SLM/DMLS成型特定的幾種材料能夠達到近乎****的致密度。成型材料包括316L不銹鋼、鈦和鈦合金、工具鋼、鈷鉻合金、銅合金、鋁合金等。針對RM成型零件致密度的研究是此領域內的一個核心問題，首先要求致密度達到近乎****，至少達到與鑄造件相當的力學性能。另外，致密度根據需要可以自由控制，達到可控致密度或梯度致密度。EOS公司與Arcam公司使用的掃描策略便是建立在此理論基礎上，零件***外幾層采用低速掃描，而內部采用高速掃描，大大節省了加工時間。為提高零件致密度，研究人員采用的研究方法包括工藝參數搜索、使用特殊的掃描策略、表面重熔和改變材料的物理特性等方法。另外，掃描成型過程中熔池飛濺、球化和粘粉等因素導致SLM/DMLS表面粗糙度較高，是限制該技術廣泛應用的一個重要因素。雖然RM設備廠家通過后處理的方法可以大大提高表面質量，但針對一些內腔表面復雜，或者部分精細零件，后處理將可能導致成型件損壞。SLM/DMLS成型過程中有一些缺陷是其本身固有的，如殘余熱應力的存在和成型面朝下時容易發生塌陷、粘渣等缺陷。對于殘余熱應力，國外已經基本解決，主要是通過特殊的掃描方法，促使成型過程中熱量分布均勻，或者通過后續的熱處理消除熱應力。雖然SLM/DMLS技術宣稱可以加工任意復雜的金屬零件，對幾何形狀沒有限制，但作者在實際成型過程中發現：一些薄壁、平行于Z軸方向的圓孔、方孔容易產生薄壁損壞、Z軸孔隙塌陷等缺陷。SLM/DMLS技術對于一些精細結構（如＜0.3mm的孔）成型難度也較大。

RM另一個重要課題是對如何提高成型效率的研究。相對于傳統的模具制造方法，RM技術雖然大大縮短了產品研發周期，可以直接制造功能零件或者注塑模具，但因RM的加工層厚薄，即使小體積單個零件也可能需要加工幾個小時，而體積大的單個零件更需要20~30h，甚至幾天時間，長時間的加工對RM設備的可靠性提出了非常嚴格的要求。而如果采用RM技術進行批量生產零件，提高生產效率顯得非常重要。國外已經針對此課題進行了初步研究，主要思路是靈活改變激光功率、掃描速度與改變加工層厚，也可以根據的零件的使用要求采用特殊的掃描策略等。

具體方法如下：

（1）在加工件致密度下降不大的情況下，適當的提高掃描速度和加工層厚，相應的提高激光功率值。

（2）采用外輪廓低速掃描，內部實體高速掃描的方式，也能夠大大提高生產效率國內研究現狀國內目前在RM方面開展研究的單位主要包括西北工業大學（激光凈成型技術），北京航空航天大學（激光堆積成型技術）、清華大學（EBM技術）、華南理工大學（SLM技術），華中科技大學（SLS/SLM技術）。國內在RM方面起步晚，落后于歐洲******6~8年，且研究的方向也較為單一，主要還是集中在工藝、理論與設備的基礎研究。目前國內還沒有商品化的RM快速成型設備，研究費用大多來源于******攻關項目資助、各級政府部門的資助。

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2007年華南理工大學在DiMetal-240基礎上，與廣州瑞通激光科技有限公司合作開發了第二套SLM制造設備樣機DiMetal-280，新系統的特點包括以下6方面。

（1）為滿足直接成型高精度全致密金屬零件需要，采用了具有高光束質量（M2≤1.1）、短波長（1075nm）、高穩定性、低維修成本的200W光纖激光器。

（2）配備高速高精度的振鏡掃描系統及德國進口f-θ透鏡。掃描振鏡分辨率可達12μrad，重復精度可達40μrad，***高定位速度＞7m/s。激光束通過f-θ透鏡可在工作平面上任一點獲得功率分布均勻直徑為30~50μm聚焦光斑。

（3）系統采用高精度六軸伺服電機控制實現粉末的******鋪設。成型缸及鋪粉缸的升降精度可達±10μm。還專門針對金屬零件快速制造工藝的特點，設計了獨特的鋪粉刮板，該鋪粉刮板能自動維護成型過程穩定進行。

（4）針對金屬粉末在熔化過程中的氧化，采用整體和局部惰性氣體保護，并安裝了煙氣過濾裝置，保護氣體包括氬氣和氮氣，成型過程中成型室內含氧量控制在0.1％以下。

（5）所用軟件包括激光成型過程控制軟件、SLM掃描路徑生成與優化軟件、Magics13.0數據處理軟件等，其中激光成型過程控制軟件及SLM掃描路徑生成與優化軟件都是自主研發，可以針對金屬零件成型的工藝特點獲得***優的激光參數、鋪粉參數以及掃描路徑。

（6）設備直接成型高致密且具有較高成型精度的金屬零件，僅需簡單噴砂或拋光后處理即可投入使用。成型零件相對密度≥97%，尺寸精度±0.1mm/100mm。

當前Dimetal-280設備樣機性能指標基本接近國外商品化樣機水準，表3是該設備的技術指標與國外同類設備的對比數據。

從表3可以看出，目前Dimetal-280在某些性能方面已經可以與國外同類產品相比較，比如成型件的精度與致密度等。因國外RM設備成型室內環境控制比較好，在材料成分控制方面也相當嚴格，整機的系統穩定性優良，這也是下一步努力的目標。SLM設備所需要的關鍵部件包括光纖激光器、F-theta聚焦鏡、高速掃描振鏡等是進口。Dimetal-280設備先后成功成型了各種復雜形狀的金屬零件，如圖1所示，這些零件具有≥97%的致密度，力學性能接近鑄鍛水平，僅需簡單的噴砂后處理后即可投入使用。

圖1 華南理工大學Dimetal-280 設備成型典型樣件

表3 Dimetal-280 SLM設備技術指標與國外同類設備的對比數據

圖2為SLM成型316L不銹鋼零件的微觀組織。對SLM成型316L不銹鋼試件進行拉伸性能測試表明，拉伸強度＞600MPa，延伸率＞15%，試件顯微硬度值為HV250~275。顯微硬度測試壓力為3N，壓力施加時間為15s。

圖2 Dimetal-280成型316L不銹鋼件微觀組織

SLM技術應用領域

是否選用RM制造，要考慮零件的尺寸（零件的體積）與形狀復雜度，而零件的質量要求是***重要的因素。其中零件的體積與形狀復雜度直接決定加工成本，而零件的質量要求決定了RM技術是否能夠滿足實際需求。

（1）零件尺寸與復雜度：零件越小且復雜，選用RM技術將有更大優勢。當零件小而復雜，RM每次成型可以達到幾十甚至幾百個，相比傳統的機加工將更有優勢。RM制造成本與零件體積大小成正比例關系。

（2）質量要求：包括零件的強度、尺寸精度、表面質量等。也許目前RM技術遇到的***大問題就是零件質量還不能夠完全達到傳統加工方法。相比傳統方法，RM技術在尺寸精度、材料可靠性、表面質量等方面還較為遜色。因此，當零件強度與表面質量要求很高時，RM技術可能不合適。

RM技術目前主要應用于新概念產品的快速研發中，以縮短加工周期。用于批量產品的加工還很少有報道，EOS公司報道DMLS技術應用于牙橋牙冠的批量生產工藝較為成熟，一次成型牙冠可以達到500個。

SLM在國內推廣的難點與下一步工作方向

國外SLM設備售價大概在500~700萬元，這并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，SLM設備需要專業人士操作，操作人員需要對其技術原理深入的了解也是限制設備應用的一個重要因素。SLM設備維護費用較為昂貴，包括保護氣體、從原廠商購買成型材料等。但巨大的市場價值，使得國內很多高校與科研機構開始涉足SLM技術的研究。但目前國內SLM技術的發展與推廣還存在一些問題。主要是該技術系統集成度高，需要綜合材料、光學、軟件、數控、機械等多門類人才共同研發。設備研發周期長，技術難度大，導致設備昂貴，而應用領域相對還較狹窄。國內配套部件的穩定性還不到國外的水平，目前也還只能制作一些尺寸較小的工件。在配套材料的研發上也缺少成熟的理論支撐。只有研發出高可靠性和高技術指標、具有自主知識產權的SLM設備，同時擁有配套的工藝路線，才能在我國較大范圍推廣這項技術。

作者：楊永強 王迪 楊斌 羅子藝 盧建斌 華南理工大學