激光熔融金屬3D打印設(shè)備現(xiàn)狀及其發(fā)展

劉金柱，常宏杰

(河北科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河北 石家莊 050018)

激光熔融金屬3D打印設(shè)備現(xiàn)狀及其發(fā)展

劉金柱，常宏杰

(河北科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河北 石家莊 050018)

激光熔融技術(shù)以其特有的技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)成為金屬零件3D打印技術(shù)的研究熱點。本文簡述了金屬零件3D打印技術(shù)的種類、原理及特點。詳細(xì)敘述和對比了國外主要的商業(yè)化激光熔融金屬3D打印設(shè)備和技術(shù)的現(xiàn)狀。最后對激光熔融金屬3D打印設(shè)備的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

激光熔融技術(shù)；金屬零件3D打印；激光熔融金屬3D打印設(shè)備

3D打印技術(shù)是近30年快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，正迅速改變著人們的生活和工作方式。金屬3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向[1]。金屬3D打印技術(shù)與以往的去除型和受迫變形型金屬加工方式相比，能夠制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)、近乎致密的金屬零件,成型過程不需要專用夾具或工具，只需很少的人工干預(yù)，且節(jié)約材料成本、成型快速，縮短了應(yīng)用和實驗周期。因此自其出現(xiàn)以來已對制造業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，并在汽車[2]、航空航天[3]、生物醫(yī)療[4]等領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。正是由于以上優(yōu)點，尤其是金屬3D打印技術(shù)可以直接制造功能零件，對金屬3D打印設(shè)備的有了更高的要求。

1　金屬3D打印技術(shù)的種類、原理及特點

目前可用于直接制造金屬功能零件的金屬3D打印技術(shù)主要有[1、4-6]：選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）、 激 光 熔 融 技 術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。其分類如圖1所示。

圖1　金屬3D打印技術(shù)分類圖

SLS技術(shù)的基本原理是激光在計算機(jī)的控制下，按照切片輪廓選擇性地?zé)Y(jié)預(yù)先在工作臺上鋪好的一層固體粉末，最后層層疊加成實體零件。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。但是其成型件的力學(xué)性能和機(jī)械性能較差，需要進(jìn)行復(fù)雜的后處理工藝才可以使用。

EBSM技術(shù)則采用電子束選擇性地分層熔化金屬粉末，然后逐層疊加成金屬零件。與以激光為能量源的金屬零件3D打印技術(shù)相比，EBSM工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點，其成型效率是各類金屬3D打印技術(shù)中最高的。

LENS技術(shù)是在激光熔覆技術(shù)[7]的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[1]。該技術(shù)采用中、大功率激光熔化同軸供給的金屬粉末，并控制特制的噴嘴逐層沉積在基板上而形成金屬零件。其突出特點是成型尺寸大。

SLM技術(shù)與SLS的基本原理類似，都采用金屬粉末鋪層疊加的方式成型。不同之處是SLM的成型溫度更高，要求完全熔化選定的金屬粉末，形成熔池，整個加工過程在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，如圖2所示。SLM具有尺寸精度高、表面質(zhì)量優(yōu)異、節(jié)約材料、成本低等優(yōu)點，且能夠成型任意形狀（包括復(fù)雜內(nèi)腔），具有完全冶金結(jié)合的、近乎致密的金屬零件，是最具活力的金屬3D打印技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)對SLM技術(shù)進(jìn)行了大量的研究[8-12]。SLM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了航空航天、生物醫(yī)療[13]、模具制作[14]等領(lǐng)域，已經(jīng)形成了對SLM設(shè)備的巨大市場需求。目前，SLM設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)已經(jīng)成為金屬零件3D打印領(lǐng)域的熱點。

圖2　SLM成型原理圖

2　SLM設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r

2.1SLM設(shè)備的起源

國外對SLM技術(shù)的理論和工藝研究較早。世界上第一臺商業(yè)化SLM設(shè)備是由英國MCP集團(tuán)公司下轄的德國MCP-HEK分公司[15]于2003年底推出，如圖3所示。德國MCP-HEK公司研發(fā)的MCP R ealizerSLM快速成型設(shè)備，能生產(chǎn)出相對密度為100%的金屬零件；并且制造的金屬零件表面粗糙度R a為10～30 μ m；成型速度每小時為5 cm3。制造的產(chǎn)品只需經(jīng)過簡單的噴砂或拋光處理就可以直接使用。

圖3　MCP RealizerSLM

2.2SLM設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r

國外SLM設(shè)備的制造商主要集中在歐洲，比較有代表性的有德國EOS公司、SLM Solution公司 、Concept Laser公 司、美國3D Systems公司、英國R enishaw公司。目前，主流的SLM設(shè)備[16-20]最大成型尺寸為250×250×300 mm，配備1個200～500 W的光纖激光器，激光波長為1 070 nm，聚焦光斑直徑50～200 μ m，鋪粉層厚20～100 μ m，側(cè)向鋪粉，粉倉側(cè)置（如EOS公司）或上置（如R enishaw、SLM Solution、Concept Laser公司），真空的成型室內(nèi)環(huán)境，成型件致密度接近100%,成型精度可達(dá)±50 μ m，表面粗糙度10～15 μ m。

SLM設(shè)備支持的前處理軟件主要有Materialise Magics、Marcam Autofab（Materialise公 司 已 經(jīng) 將Marcam Autofab收購）。Magics軟件具有強(qiáng)大的編輯、修復(fù)、施加支撐及切片功能，能夠?qū)⒉煌袷降腃AD文件轉(zhuǎn)化輸出到快速成型機(jī)進(jìn)行快速模具制造。并且還能夠檢測修復(fù)優(yōu)化3D模型數(shù)據(jù)，分析零件，直接在STL模型上做相關(guān)的3D變更，設(shè)計特征，生成報告等。Marcam Autofab軟件除了具有編輯功能、修復(fù)功能、施加支撐及切片功能以外，還集成了可以修改的過程參數(shù)和掃描方法，并將結(jié)果保存在適用于特定材料和零件幾何形狀的文件中。

雖然上述公司生產(chǎn)的SLM設(shè)備的基本參數(shù)大體相同，但每家的設(shè)備都有自己的優(yōu)勢和獨(dú)特之處。以上述五家公司為例，詳細(xì)分析其各自SLM設(shè)備和技術(shù)的優(yōu)勢。

（1）德國EOS公司[16]在2014年歐洲模具展上推出了大尺寸的金屬打印機(jī)EOS M400，其最大成型尺寸400×400×400 mm（包括40 mm的平臺高度），采用功率為1 kW的光纖激光器。設(shè)備采用了兩個重涂覆的刮刀，且配有新的帶自動清洗功能的循環(huán)過濾系統(tǒng)。另外，EOS公司還計劃推出一個自動拆分臺。在這套自動體系中，金屬打印機(jī)將會將一個可替換的框架（其中包括打印產(chǎn)品和周圍的粉末）移動到這個自動拆分區(qū)域，通過振動和轉(zhuǎn)動，打印零件周圍的粉末將被清除，這樣就可以省去人工操作。

（2） 德 國 SLM Solution公 司[17]于2012年 年底推出了SLM 500HL金屬打印機(jī)，最大成型尺寸為280×500 ×320 mm，最高可以裝配兩個1 KW的光纖激光器。該設(shè)備配備了優(yōu)化粉末處理系統(tǒng)以及零件處理R BV*(可移動成型室)，能夠兩方向鋪粉，實現(xiàn)快速鋪粉，還能夠?qū)崿F(xiàn)顯示及記錄鋪粉時間的功能。擁有智能的層控制系統(tǒng)，能夠自動評估鋪粉質(zhì)量、自動采集圖片和缺陷分析（如圖4、圖5所示）、也可以設(shè)定成型過程終止條件。該機(jī)器配有熔池評估及控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高成型件的品質(zhì)。目前，該公司正在開發(fā)零件表面檢測和重熔模塊。

圖4　自動采集圖片圖

5 成型零件和軟件零件對比

圖6　島型原理圖

（3）德國Concept Laser公司[18]推出的M3 linear是1臺多功能設(shè)備, 其特點是1個激光器完成3個功能，即零件成型、三維刻蝕和激光打標(biāo)。Concept X line 1000R金屬打印機(jī)的最大成型尺寸為630×400×500 mm，采用的是1KW的光纖激光器，成型速度可達(dá)65 cm3/h，是目前成型尺寸最大的商品化SLM設(shè)備。

Concept Laser公司的SLM設(shè)備采用LaserCUSING?技術(shù)，其獨(dú)特之處在于遵從隨機(jī)曝光策略，即島型原理，如圖6所示。激光在每一工作層面上被分段-即所謂的島型，并連續(xù)作用，該技術(shù)大大降低了零件在生產(chǎn)過程中應(yīng)力的產(chǎn)生。還具有質(zhì)量管理模塊(QM模塊)能夠保證設(shè)備的不同部分，如激光源、功率、氣體、溫度、熔池等進(jìn)行監(jiān)管和控制，并保證粉末質(zhì)量。

（4）美國3D Systems公司[19]于2013年收購了法國金屬3D打印領(lǐng)跑企業(yè)Phenix Systems，鞏固了其金屬打印機(jī)業(yè)務(wù) 。在2014年歐洲模具展上推出ProX系列的雙激光金屬打印機(jī)ProX 400，最大成型尺寸500× 500×500mm，配備2個500 W的光纖激光器。層厚在5～30 μ m之間，打印機(jī)支持的最小顆粒直徑為5 μ m。其配備專利的分層系統(tǒng)能夠打印非常精細(xì)的粉末，并帶有粉末壓實機(jī)構(gòu)。

（5）英國R enishaw公司[20]推出的金屬打印機(jī)AM 250，最大加工尺寸為250×250×300 mm（Z軸可以擴(kuò)至360 mm），采用200 W（400 W）的光纖激光器。設(shè)備擁有真空室抽空系統(tǒng)，能夠提高成型質(zhì)量和減少氣體消耗。相比國外，國內(nèi)對SLM設(shè)備和技術(shù)的研究比較晚，相對不成熟。國內(nèi)SLM設(shè)備領(lǐng)域，華南理工大學(xué)[1]于2003年開發(fā)出國內(nèi)的第一套實驗用的SLM設(shè)備DiMetal-240，2012年開發(fā)出DiMetal-100，其中DiMetal-100設(shè)備已經(jīng)入預(yù)商業(yè)化階段。DiMetal-100的最大成型尺寸100×100×100 mm，采用200 W的光纖激光器，聚焦光斑直徑為30～50 μ m，成型件致密度接近99%，尺寸精度為±100 μ m，表面粗糙度達(dá)到20～30 μ m。

4　SLM設(shè)備的發(fā)展方向

經(jīng)過最近十年的發(fā)展，SLM技術(shù)和設(shè)備日趨成熟，但還存在一些問題影響其更廣泛的應(yīng)用：（1）金屬粉末成型材料種類少。目前，金屬粉末材料的成型工藝開發(fā)時間長，商品化金屬粉末材料種類比較少，還不能滿足工業(yè)化的需要。（2）加工效率低。目前，EOS、SLM Solution等公司的設(shè)備成型效率一般為5 ～25 cm3/ h。SLM設(shè)備成型小零件一般需要幾個小時，而成型大零件則需要數(shù)十個小時，難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)快速制造的要求。（3）成型范圍有限。目前商業(yè)化SLM設(shè)備能夠成型的最大尺寸為630× 400 ×500 mm，無法完成航空航天等領(lǐng)域大型零件的制造。

隨著工業(yè)4.0等以3D打印為技術(shù)支撐的概念的提出，對SLM設(shè)備提出了更高的要求，SLM設(shè)備的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）成型材料多樣化。一方面，通過工藝研究，大幅度地增加可供SLM設(shè)備成型的單一金屬粉末材料的種類。另一方面，開發(fā)滿足特定需求，能夠成型功能梯度材料的新型SLM設(shè)備。（2）高效化。目前SLM設(shè)備成型效率比較低，難以滿足實際生產(chǎn)的需要。通過提高激光功率，增加激光器數(shù)量、減少輔助時間等方式推出高生產(chǎn)率的SLM設(shè)備以滿足現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的迫切需求，其中大功率激光器和多個激光器協(xié)同運(yùn)行將成為發(fā)展趨勢之一。（3）成型尺寸極限化。一方面，通過對金屬凝固機(jī)理的研究和變形控制，開發(fā)能夠成型1m以上尺寸零件的大型SLM設(shè)備；另一方面，采用直徑為5μ m以下的金屬粉末，研究微型SLM成型設(shè)備，能夠制造壁厚在0.1mm以下的微型零件。（4）過程控制智能化。實時對鋪粉質(zhì)量、熔池質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測和評估，發(fā)現(xiàn)、分析并及時反饋給控制系統(tǒng)，快速調(diào)整激光功率、掃描速度等加工參數(shù)來修復(fù)缺陷、粉末的自動篩選及重復(fù)利用等。（5）高精度化。目前主流SLM設(shè)備的成型精度為±50μ m，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到數(shù)控機(jī)床切削加工的精度。需要通過研究激光功率、掃描方式、粉末顆粒直徑以及自動的定向氣流等對成型精度的影響，提高SLM設(shè)備的成型精度。

5　結(jié)束語

近年來，3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得商業(yè)化的SLM設(shè)備已經(jīng)形成一定的規(guī)模。但總的來說，SLM設(shè)備的發(fā)展還處在起步階段。巨大的市場需求必將推動SLM技術(shù)及設(shè)備的快速發(fā)展。目前，國內(nèi)還有沒有商業(yè)化的通用SLM設(shè)備，需要國內(nèi)的制造企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)共同努力，爭取早日研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化SLM設(shè)備。

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TH16

A

1671-0711（2016）09（下）-0152-03

河北省科技支撐計劃重點項目（13211802D），河北科技大學(xué)五大平臺開放基金（2014TY07）。