SLM激光选区熔化金属3D打印技术详解

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（Selectivelasermelting,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-?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-?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“EOSGmbHElectroOpticalsystems”，由Dr.HansLanger和Dr.HansSteinbichler合伙建立，他们合伙发明了基于SLS和SLA的快速成型RP（RapidPrototyping）和增量制造AM（AdditiveManufactuing）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3DSystems和Stratasys公司当年的规模相当。EOSM290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ReaLizerReaLizer2004年正式成立，注册专利为选择性激光熔融——SelectiveLaserMelting（SLM?），公司主要产品：SLM50桌面型金属3D打印机，以及SLM100、SLM250、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ConceptLaser公司德国ConceptLaser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。ConceptLaser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ConceptLaser公司的X系列1000R设备为例，构建尺寸能达到630x400x500mm，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