金属零件激光选区熔化3D打印装备与技术

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 traditional 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 paper 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. 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，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 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无预热+真空3D SystemssPro 125不锈钢、钛合金等100W fiber laser150150150柔性铺粉刷50-100F-聚焦镜+扫描振镜70-2007无预热+真空sPro 250200W fiber laser25025030050-20050-1507无预热+真空Renishaw PLCAM125不锈钢、钛合金、钴铬合金100W fiber laser125125125压紧式铺粉滚筒30-100F-聚焦镜+扫描振镜70-1005无预热+真空AM250200W /400W fiber laser25025030030-10070-1005无预热+真空Phenix systemsPXL不锈钢、钛合金等200W fiber laser250250300柔性铺粉刷20-50F-聚焦镜+扫描振镜50-1007无预热+真空EOS是一家较早进行激光成型设备开发和生产的公司，其生产的SLM设备具有世界领先的技术。图2所示是EOS生产的SLM设备EOSING M270，如上表所示，该设备的各种参数都具有很大的优势。图2 EOSING M270EOSING M270设备成型的金属零件致密度可以达到近乎100%，尺寸精度在20-80m，表面粗糙度Ra在15-40m，能够成型的最小壁厚是0.3-0.4mm。EOS公司将该设备应用在牙桥牙冠的批量生产中，目前成型工艺已经很成熟，一次成型牙冠可以达到500个5。制造成果如图3所示：图3 M270制造的金属牙冠德国的Realizer公司一直致力于SLM设备的研究和开发，到目前已经开发出成熟的商品化SLM设备，包括SLM 100、SLM 250和SLM 300三种机型。图4所示是SLM 250的外观：图4 SLM 250其中SLM 250可成型致密度近乎100%的金属零件，尺寸精度为20-100m，表面粗糙度Ra达到10-15m，还可以成型壁厚小于0.1mm的薄壁零件。而且SLM 250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10。图5所示的就是SLM 250设备制造的钛合金医学植入体：图5 钛合金医学植入体德国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，成型精度同样达到50微米以内14。图6是M3设备的外形图：图6 Concept Laser M3其中Concept Laser公司的M3设备可以成型致密度近乎100%的金属零件，尺寸精度在20-100m，表面粗糙度Ra在10-15m，可成型的最小壁厚在0.3-0.4mm，而且该设备可成型的范围较大，达到300300350mm。图7是Concept Laser的SLM设备在精密金属零件制造中的应用：图7 M3设备制造的精密金属零件14美国3D System是一家实力很强、设备很齐全的3D打印设备公司，其中主要以光固化设备和SLS设备为主，成型材料为树脂和高分子材料。目前也开发出了成型金属材料的SLM设备：sPro 125和sPro 250，成型的材料包括不锈钢、钛合金等，成型件致密度能够达到99%，表面粗糙度Ra在10-50m12。国内的SLM领域，主要有华南理工大学15-17，华中科技大学18-20，南京航空航天大学 21，北京工业大学22和中北大学23等高校。每个单位的研究重点各有优势与不同。表2是对国内SLM设备的参数对比：表2 国内SLM设备的参数对比15-20机构设备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)成型室内环境华南理工大学DiMetal-240不锈钢与纯钛、钛合金等、钴铬合金等200W YAG240240250压紧式铺粉滚筒20-100普通聚焦镜+扫描振镜50-705无预热+无真空DiMetal-280200W fiber laser280280300压紧式铺粉刷20-100F-聚焦镜+扫描振镜50-705DiMetal-100200W fiber laser100100130柔性铺粉刷20-100F-聚焦镜+扫描振镜20-607华中科技大学HRPM不锈钢与钛合金等150W YAG250250400压紧式铺粉滚筒50-100三维振镜动态聚焦60-1205无预热+无真空HRPM100W fiber laser250250400压紧式铺粉滚筒50-100F-聚焦镜+扫描振镜50-805华南理工大学激光加工实验室分别于2004年、2007年研发了DiMetal-240、DiMetal-280，并于2012年开发了最新一款预商业化设备 DiMetal-100。三款设备的外形如图8所示： a b c图8 （a）DiMetal-240, (b) DiMetal-280, (c) DiMetal-100其中DiMetal-100能够成型致密度近乎99%的金属零件，表面粗糙度Ra在5m-30m之间，具有很高的尺寸精度。图9所示是华南理工大学在探索SLM应用过程中的典型实例15-17，其中每个例子的开发成功都具有良好的市场价值。 (a) (b)（c）图9 Dimetal-100应用探索：（a）具有复杂水冷与保护气通道喷嘴，（b）自由曲面耦合设计的齿轮，（c）万向节免组装机构华中科技大学目前开发了两套SLM设备：HRPM系统和HRPM系统。其中HRPM系统采用150W的YAG激光器，光束质量不够理想；而且采用双缸下送粉方式，设备体积庞大，制造成本高，送粉时间长，影响制件生产效率。而HRPM系统采用 SPI 100 W 光纤激光器，采用双缸下送粉方式，在超轻结构复杂件的制备方面具有较强的优势18-20。从以上对比中也可以发现，与国外的SLM设备相比，国内的SLM设备还存在一定的差距，在成型精度和过程控制方面还需要改进。4 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300350300mm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12。（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。5 结论金属零件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。参考文献1 Alan Faulkner-Jones. Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregatesJ. Biofabrication. 2013,1:1-122 杨永强，吴伟辉. 选区激光熔化快速成型系统及工艺研究J. 新技术新工艺热加工工艺技术与装备，2006（6）：48-50.3 颜永年，齐海波，林 峰 等. 三维金属零件的电子束选区熔化成形J. 机械工程学报，2007 ,43（6）：87-92.4I.Yadroitsev, I.shishkovsky, P. Bertrand, I.Smurov. Manufacturing of fine-structured 3D Porous filter elements by selective laser meltingJ. Applied Surface Science , 2009,255: 523-55275EOSINT M 270 Laser-sintering system for the production of tooling inserts for injection moulding and die-casting as well as prototypes and end products directly in metal, Electro Optical Systems ()6吴伟辉,杨永强,王迪,等. 激光选区熔化变密度快速制造工艺研究J.中国激光, 2010,37(7),1879-1884.7LaserCUSING-fusion of single-component metallic powder materials, Concept Laser (www.concept-laser.de)8LENS Technology-Optomec,()9Electron Beam Melting(EBM), Acram)10First SLMTM Desktop Machinefor manufacturing Metal Components, Mining and chemical products Limited, (MCP)()11sinterstation pro DM125/DM250, ( )12 Terry Wohlers. Wohlers Reports 2012:Additive Manufacturing and 3D Printing State of IndustryR 90-13013 Metal Laser Sintering, Electro Optical Systems, ()14 15 王迪;杨永强;黄延禄;吴伟辉:选区激光熔化直接成型零件工艺研究J,华南理工大学学报(自然科学版) (2010)6:107-11116 吴伟辉,杨永强,王迪.SLM成型过程的球化现象,华南理工大学学报J. 38 (2010)5: 110-11517 吴伟辉,杨永强.选区激光熔化快速成形系统的关键技术J.机械工程学报,2007,43(8):175-18018 史玉升，鲁中良，章文献 等. 选择性激光熔化快速成形技术与装备J. 中国表面工程，2006,19：:150-158.19 陈光霞, 曾晓雁, 王泽敏 等. 选择性激光熔化快速成型工艺研究J. 机床与液压，2010，38（1）：1-3.20姚化山，史玉升，章文献 等. 金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟J. 应用激光. 2007, 6:456-46021 顾东东，沈以赴. 选区激光烧结WC-10%Co颗粒增强Cu基复合材料的显微组织. 稀有金属材料与工程J，2006，35(2)，276-27922孙大庆. 金属粉末选区激光熔化实验研究D 北京工业大学，2007,5:60-8023尹华. 金属粉末选区激光熔化成型工艺研究D 中北大学，2010,5:50-67作者简介：杨永强: 工学博士，华南理工大学机械与汽车工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为激光加工和快速成型技术与装备研究工作。发表有关学术论文130篇，获得授权的发明专利6项，实用新型专利18项，软件版权1项，外观专利1项；申请中的发明专利16项，其中包括美国、德国专利各一项，实用新型专利6项。电子邮件： 电话：