探秘选区激光熔化技术：工业未来的重要创新

学习提要

理解选区激光熔化技术的特点和工艺原理；

了解选区激光熔化技术的工艺参数；

熟悉选区激光熔化技术的常用材料及其特性；

了解选区激光熔化的应用领域。

学习内容

一、选区激光熔化技术概述

选区激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）是集计算机辅助设计、数控技术、3D打印于一体的制造技术，它是在选区激光烧结技术的基础上发展起来的，是当今世界最先进的、发展速度最快的金属3D打印技术之一。

选区激光熔化设备是集成了光学、机械设计制造以及电气工程的综合性结构系统，如图3-1所示。整个设备的结构主要分为四大模块：激光光路系统、振镜扫描系统、铺粉系统和气体循环系统。

图3-1　选区激光熔化设备结构模块图

激光光路系统的核心组成是激光器和扩束装置。激光器是选区激光熔化设备最核心的组成部件。光纤激光器作为第三代激光器，因其具有结构紧凑、效率高、光束质量好、散热性好、可靠性高等优点成为选区激光熔化设备所装配激光器的首选。

振镜扫描系统是一种由驱动板与高速摆动电机组成的一个高精度、高速度伺服控制系统。在振镜扫描系统中，反射镜主要由X镜片和Y镜片以及驱动电机组成。X镜片、Y镜片是激光光束完成光路反射的基础，核心是控制电动机。

铺粉系统主要由送粉装置、铺粉装置和升降工作台组成。升降工作台是零件成型的工作区域，其上安装有成型缸、送粉缸以及铺粉装置。成型缸是零件最终成型的位置，送粉缸负责将加工原材料输送到工作平面上，再通过铺粉装置将其铺展在激光扫描成型区域。

气体循环系统影响金属零部件成型品质的关键。选区激光熔化技术对氧含量具有高度敏感性，气体循环系统可根据生产工艺要求，自动检测、自动反馈成型室的氧含量，控制系统通过充入惰性气体，维持成型室低氧、干燥的环境。这样能够很大程度上降低危险性，也能延长精密仪器的使用寿命。

除了以上几大主要系统之外，选区激光熔化设备还包括机柜箱和一些辅助设备，如照明设备、门锁控制及安全警报装置等。

二、选区激光熔化技术的成型原理

选区激光熔化技术的成型原理如图3-2所示。

图3-2　选区激光熔化成型原理图

具体成型原理如下：

①在计算机上利用三维造型软件如Pro/E、UG、CATIA等设计出零件的三维实体模型。

②基于离散-堆积原理，如图3-3所示，根据工艺要求，通过切片软件将该三维模型按照一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，获得各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径。

③计算机逐层调入三维实体模型的路径信息，设备通过扫描振镜控制激光束选择性熔化各粉层中对应区域的粉末，即成型零件在水平方向的二维截面，如此层层加工，直至整个三维零件实体制造完毕。

三、选区激光熔化技术的工艺流程及参数

1.选区激光熔化技术的工艺流程

选区激光熔化技术的基本工艺流程包括：原材料准备（粉末定制）、前期数据处理（包括原型设计、拓扑优化等）、选区激光熔化成型加工、后处理以及产品应用认证5个环节，如图3-4所示。

图3-3　离散—堆积原理示意图

图3-4　选区激光熔化技术的工艺流程图

①粉末定制：根据最终产品的综合性能要求选择或者定制粉末材料。

②原型设计拓扑优化：利用三维造型软件在计算机中生成零件的三维实体模型，将三维模型切片离散并规划扫描路径，得到可控制激光束扫描的路径信息。

③SLM成型：计算机逐层调入路径信息，通过扫描振镜控制激光束选择性地熔化金属粉末，而未熔化区域的金属粉末仍呈松散状态。加工完第一层后，送粉缸上升，成型缸下降一个切片层厚度，铺粉刮刀或者辊轮将粉末从送粉缸刮到成型平台上，激光将熔化新铺的粉层，与上一层冶金熔合为一体。重复上述过程，直至成型过程结束，获得与三维实体模型相同的金属零件。

④后处理：通过选区激光熔化获得的金属零件需要进行后处理，主要包括热处理、表面处理、无损检测及三维扫描3部分。热处理主要是去应力退火；表面处理包括去除零件支撑、数控机床精加工、打磨抛光、喷砂等工艺；无损检测及三维扫描主要是利用X射线对零件进行无破坏的全尺寸检测，在对零件缺陷要求严格的情况下，还需要对零件进行热等静压处理，以减少或者消除零件内部缺陷，到达使用要求，然后使用三维扫描仪进行尺寸检测确定是否达到产品要求。

⑤产品应用认证：通过模拟工作环境，产品使用寿命达到安全使用范围后，确定该零件制备成功。

2.选区激光熔化技术的工艺参数

选区激光熔化工艺有多达50多个影响因素，对成型效果具有重要影响的主要工艺参数包括：激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描间距、扫描策略等。如图3-5所示为典型选区激光熔化工艺示意图。

①激光功率（P）：光纤激光器以掺稀土元素（Nd，Yb或者Er）光纤作为激光介质，以反射镜、光纤光栅作为谐振腔，其实际输出功率有能量损耗，因此激光输出值低于激光器的额定功率，单位为瓦[特]（W）。工业级选区激光熔化设备的激光功率一般为400 W、500W、700W和1 000W。

图3-5　典型选区激光熔化工艺示意图

②光斑直径（D）：激光束照射到铺在成型平台基板上所选择的区域，金属粉末会快速熔化形成微小的熔池，熔池大小受到光斑直径的影响。在相同能量密度下，光斑直径越小，能量集中度越好，能够有效熔化所选区域的金属粉末，获得致密的组织结构，可直接影响零件质量。

③扫描速度（v）：激光光斑沿扫描轨迹运动的速度，单位mm/s或者m/s。目前SLM设备通常采用7 m/s。

④铺粉厚度（t）：每次铺粉前工作台下降的高度，单位为mm。根据不同的设备型号，可设置不同层厚，为0.02~0.06 mm，甚至有设备制造商因客户需求，将层厚增大至90μm，以提高零件生产效率。

⑤扫描间距（h）：激光束扫描的相邻两条熔融道中心线之间的水平距离。如图3-6所示，为电子显微镜SEM拍摄的选区激光熔化成型AlSi10Mg合金表面形貌，其中两条直线为相邻两熔融道的中心线，之间的水平距离即为扫描间距。

⑥搭接率：相邻两条熔融道重合的区域宽度占单条熔融道宽度的比例即为搭接率，它直接影响粉末成型效果。

⑦扫描策略：激光光斑的移动方式。常见的扫描策略有棋盘格式、条带式、表面—核心式等，如图3-7所示。

⑧能量密度（E）：分为线能量密度和体能量密度，用来表征工艺特点的指标。线能量密度是激光功率与扫描速度的比值，即E1=P/v，单位为J/mm；体能量密度是激光功率与铺粉层厚、扫描速度和扫描间距的比值，Ev=P/（htv），单位为J/mm3，在SLM过程中，通过试验不同组合的工艺参数，获得最优成型质量，即可获得材料的最优体能量密度。

图3-6　选区激光熔化成型AlSi10Mg合金表面形貌SEM图

图3-7　几种典型扫描策略

⑨支撑结构：选区激光熔化技术属于一个热力学过程，应力和热变形是所有材料潜在的问题。对于高熔点金属粉末材料，所有的弧形或者弓形零件都需要添加必要的支撑结构，因为打印腔室的热梯度高，如果不使用支撑结构，将导致零件产生热应力或者发生弯曲变形。

四、选区激光熔化技术的特点

选区激光熔化是金属3D打印最主流的技术，相比传统减材（切削加工）或者等材制造（锻造、铸造）工艺，选区激光熔化技术具有以下几个特点：

①材料使用范围广，成型材料一般为单一组分金属粉末，主要包括铁基（不锈钢、模具钢等）、铝基、钛基、镍基、铜基等多种合金粉末。

②减少废弃的副产品，成型材料能够回收，筛分后再利用，可大幅降低生产成本。

③实现设计自由，可制作复杂结构的金属件，如镂空薄壁、多孔、晶格结构的零件。

④加工过程柔性化，无须刀具、模具，制造工序少，制作周期短。

⑤激光束采用细微聚焦光斑，熔池小，沉积单元小，可获得较好的表面粗糙度，成型零件精度较高。

五、选区激光熔化技术的常用材料及其特性

1.常用金属材料分类

目前，选区激光熔化技术使用的金属粉末材料包括钛合金、铝合金、镍基高温合金、铁基（如不锈钢、模具钢）、钴铬合金、铜合金，以及金、银等贵金属材料。表3-1为典型选区激光熔化技术使用合金粉末的分类。

表3-1　典型选区激光熔化技术使用合金粉末的分类

（1）铁基合金

铁基合金是一种使用量大且应用广泛的硬面材料，其最大特点是综合性能良好，材料价格低廉。铁基合金是选区激光熔化技术研究和使用较多的一类合金，首先因为铁基合金粉末易制备、不易氧化、流动性好，其次铁基合金是工程技术中使用最广泛的合金。目前，主要研究和使用的铁基合金包括模具钢、不锈钢和马氏体钢等。不锈钢具有耐高温和力学性能优良等特性，又因为其粉末成型好、制备工艺简单且成本低廉，是最早应用于金属3D打印的材料。以18Ni300为例，又称马氏体时效钢，在时效过程中能够保持高强度、高韧性和良好的尺寸稳定性。与其他钢不同，它不含碳，通过与高含量的合金元素（如镍、钴和钼）进行冶金反应达到硬化效果，再加上高表面硬度和耐磨性，18Ni300能够适用于许多模具行业，例如，注塑模具、轻金属合金铸造、冲压和挤压等，同时，也应用于高强度机身部件和赛车零部件等。

目前，应用于金属3D打印的不锈钢主要有3种：奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。

奥氏体不锈钢316L，具有高强度和耐腐蚀性，可应用于航空航天、石化等多种工程应用，也可以用于食品加工和医疗等领域。马氏体不锈钢15-5PH，又称马氏体时效（沉淀硬化）不锈钢，具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性，而且可以进一步硬化，是无铁素体，广泛应用于航空航天、石化、食品加工、造纸和金属加工业。马氏体不锈钢17-4PH，在高达315℃时仍具有高强度和高韧性，而且耐腐蚀性超强，随着激光加工状态可以带来极佳的延展性。

（2）纯钛及钛合金

目前，市场中使用的纯钛粉体材料分为1级和2级，2级粉体较1级粉体具有更强的耐腐蚀性和生物相容性，因此2级纯钛在医疗行业具有广泛的应用前景。

钛合金具有耐高温、耐腐蚀性好、强度高、密度低以及生物相容性优良等特点，在航空航天、核工业、化工、生物医疗等领域得到了广泛应用。通过传统的铸造、锻造工艺技术制备的钛合金件已经被广泛应用在高科技领域，如一架波音747飞机，钛合金用量达到了42吨以上，美国的战斗机如F22等，其钛合金质量占总质量的42%。但是采用传统工艺生产大型钛合金零件存在产品成本高、原材料利用率低、工艺复杂以及后续加工困难等因素，这阻碍了钛合金更为广泛的应用。金属3D打印技术可以从根本上解决这些问题，因此该技术成为直接制造钛合金零件的新型技术。

目前，应用于金属3D打印的钛合金主要是TC4，因为其优异的强度和韧性，结合耐腐蚀、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用，主要用于喷气发动机、飞机骨架等。喷气发动机要求较高的高温抗拉强度、蠕变强度和疲劳强度以及良好的高温热稳定性；飞机骨架所考虑的基本性能是断裂韧性、高拉伸强度和良好的疲劳强度。另一方面，钛材能很好地满足海洋用结构材料所需的抗风浪、抗冰场压力及地震造成的振荡和动态负荷的能力，还能满足在海洋深处应有的耐腐蚀能力的需求，因而在海洋工程及滨海建筑中的应用正在逐步增加。

（3）铝合金

铝是自然界分布最广的金属元素。铝的优点是熔点低，密度小，可强化，塑性好，易加工，抗腐蚀。但是，在3D打印应用中，铝存在以下缺陷：一是加工安全性，由于铝的化学活性高，铝合金粉末极易燃烧，甚至发生爆炸；二是铝的强度低，机械性能不佳；三是铝暴露在空气中易氧化，成型困难。

铝合金属于轻金属材料，是现阶段应用最广、最为常见的汽车轻量化材料。目前选区激光熔化用铝合金材料的种类主要有AlSi10Mg、Al7SiCuMg、AlSi12等，其中AlSi10Mg使用量最大。AlSi10Mg和Al7SiCuMg合金均以Mg2 Si二次相为主要强化相，具有较高的强度，良好的导热性，适用于薄壁零件。AlSi12具有良好的热性能，可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件。但是，铝硅系列合金的综合力学性能不高，无法满足高强度要求，法国Airbus公司开发的高强铝合金Scalmalloy、英国铸造公司Aeromet International生产的A20X、上海交通大学特种材料所研发的纳米增强铝基复合材料以及苏州倍丰激光科技有限公司研发的Al250C等SLM用高性能铝合金，均达到航空工业级生产标准。

（4）镍基合金

镍基合金是一种新型航空金属材料，它在600~1 000℃高温下具有较高的强度，良好的抗氧化性和耐蚀性，以及良好的塑性和韧性。镍基合金综合性能优异，能够承受复杂应力，主要用于高性能发动机，同时也广泛应用于石油化工、船舶等领域。在现代先进的航空发动机中，镍基合金材料的使用量可高达60%，现代高性能航空发动机的发展对高温合金的使用温度和性能的要求越来越高。传统的铸造冶金工艺已经不能满足需求，而选区激光熔化在镍基高温合金成型中成为解决技术瓶颈的新思路。目前，常用的SLM成型镍基高温合金主要有GH3536、GH4169、GH3625、GH738等。

GH3536是一种含铁量较高，并以铬和钼固溶强化为主的合金。在高温下具有高强度和抗氧化性，在高达1 200℃的环境中，也具有良好的延展性，目前，主要应用于航空航天领域，例如，燃气轮机部件和燃烧区组件如过渡管、燃烧器罐、喷杆、排气管、加力燃烧室等，而且还因为具有耐应力腐蚀开裂的性能，也应用于化学、石油化工等领域。GH4169是基于铁镍硬化的超合金，具有良好的耐腐蚀性及耐热、拉伸、疲劳、蠕变性，适用于各种高端应用，例如，飞机涡轮发动机和陆基涡轮机等。GH3625在高温约815℃的条件下依然具有良好的负载性能，而且耐腐蚀性强，广泛应用于航空航天、化工及电力工业中。GH738具有良好的高温蠕变断裂强度，是铬含量较低的新合金，具有优良的抗热腐蚀性，可长期暴露于高达920~980℃的高温腐蚀性环境中，适用于飞机发动机、燃气轮机等行业。

（5）钴铬合金

钴铬合金的主要成分是钴和铬，它具有优异的抗腐蚀性能和机械性能，用其制造的零件强度高、耐高温、无磁性，并且具有优质的生物相容性，最早用于制造人体关节，现在已经广泛应用于口腔领域，同时其还可用于发动机部件和珠宝行业。因为不含有对人体有害的镍元素和铍元素，选区激光熔化个性化定制的钴铬合金烤瓷牙已成为非贵金属烤瓷的首选。

（6）铜基合金

市场上使用的铜基合金，俗称青铜，具有良好的导热性和导电性，可以结合设计自由度，产生复杂的内部结构和冷却通道，适合冷却更有效的工具插入模具，如半导体器件，也可用于微型换热器，具有壁薄、形状复杂的特征。

2.粉末特性及典型成型材料组织特性

（1）常用粉末特性

球形金属粉末是金属3D打印最重要的原材料，也是金属3D打印产业链最重要的环节。在2013年世界3D打印技术产业大会上，世界3D打印行业的权威专家明确定义了3D打印金属粉末，即直径小于1 mm的金属颗粒群，包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。

成型材料是选区激光熔化技术的关键环节之一，它对成型构件的物理、化学性能以及精度起着决定性作用。选区激光熔化工艺是金属材料的完全熔化和凝固过程，使用的材料主要是球形粉末，它包括纯金属、合金以及金属基复合材料等。成型材料的特性对成型质量的影响比较大，因此在选区激光熔化过程中，对粉末材料的成分、含氧量、形貌、粒度分布和流动性等均有严格的要求。

①成分。

选区激光熔化所用金属粉体的化学成分应严格按照国家或者国际标准要求，由于粉末比表面积大，相比固体金属更容易吸收或吸附各种气体，因此需要严格控制C、S、O、N这几种非金属元素的含量。

②含氧量。

含氧量对最终成型零件的性能有重要影响，因此选区激光熔化所用金属粉体需要达到低氧含量的要求。选区激光熔化所用金属粉体主要通过气雾化法和旋转电极法制得，因为两种工艺都是在真空或者惰性气体保护环境下制得球形粉末，因此粉末材料纯度较高，化学成分均能达到国家标准。针对不同种类的成型材料，其含氧量要求不同。一般的金属粉末，如镍基高温合金、模具钢，含氧量要求在500 ppm以下，而相对活泼的金属，如钛粉，一般要求是在1 500 ppm以下，以确保在安全生产的情况下获得高质量成型零件。

③粉末形貌。

粉末颗粒形状是影响成型零件致密性的关键因素，因为它直接影响粉末的流动性，进而影响铺粉的均匀性。在多层加工过程中，如果铺粉不均匀，将导致每一层金属熔化区域不均匀，最终使得成型零件的内部组织不均匀，有些区域结构致密，而其周围区域存在较多缺陷，如孔隙、微裂纹。

通过气雾化法和等离子旋转电极法制得的金属粉末颗粒球形度高，也会出现少许不规则的颗粒、空心球以及卫星球，如图3-8、图3-9所示。

图3-8　金属粉末显微形貌图

图3-9　气雾化法金属粉末缺陷显微形貌图

可以用球形度Q或者圆形度S来表征颗粒接近球或圆的程度。颗粒的平均球形度用颗粒的表面积等效直径与颗粒的体积等效直径两者的比值来计算，其公式为

式中　Q——颗粒球形度；

　　　ds——颗粒表面积等效直径；

　　　dv——颗粒体积等效直径。

圆形度是基于粉末颗粒二维图像分析的形状特征参数，其计算公式为

式中　S——颗粒圆形度；(www.xing528.com)

　　　A——颗粒的投射阴影面积；

　　　C——颗粒的投射周长。

④粒度分布。

对于颗粒群，颗粒不同尺寸所占的比例，即粒度分布PSD（Particle Size Distribution）。一般粒径分布呈现正态分布，在实际生产过程中，主要关注D10，D50，D90这3个数值。它们分别表示10%、50%和90%的粉末材料其直径都小于某一值（单位：μm）。根据目前不同金属3D打印设备的需求，球形金属粉末粒径分布可以为：10~45μm，15~45 μm，15~53μm和20~63μm。例如，选用德国SLM Solutions公司的金属3D打印设备，使用钛合金粉末进行成型加工，所需要的粉末粒径分布为20~63μm。图3-10为德国SLM Solutions公司的标准金属粉末粒径分布图。

图3-10　粉末粒径分布图

⑤流动性。

金属粉末的流动性能对选区激光熔化技术有极其重要的影响，粉末的流动性与工艺过程中的粉末铺展状态有紧密联系。目前国内外对粉末的流动性没有统一的衡量标准，主要测试的方式为通过霍尔流速计测定50 g金属粉末通过直径为2.5 mm容器所需要的时间。例如，典型的钛合金Ti6Al4V或者铝合金AlSi10Mg所测得的流动性为30~40 s。

（2）典型材料组织特征及其力学性能

①TC4合金。

图3-11所示为SLM成型TC4合金OXY平面内垂直于打印方向的低倍显微组织形貌。TC4合金属于两相钛合金，从图3-10中看不到明显的熔融道，说明相变在SLM成型TC4合金中占主导地位，同时还可以看到大量的针状马氏体组织。室温力学性能是考核零件质量的关键指标之一。表3-2为中航迈特提供TC4合金选区激光熔化和热处理态，以及锻造态的TC4合金试样室温拉伸力学性能。

图3-11　OXY平面内垂直于打印方向的TC4合金显微组织形貌

表3-2　TC4合金试样室温拉伸力学性能

②AlSi10Mg合金。

图3-12所示为SLM成型AlSi10Mg合金的显微组织形貌。从图3-12（a）中可以看出，OXZ平面内垂直于打印方向的AlSi10Mg合金呈柱状分布，这与SLM成型的原理热梯度有关。图3-12（b）为高倍放大图，可以看出，组织由网状的Si相（浅色）和α-Al基体（深色）组成，Si相主要集中分布在晶界处。表3-3为中航迈特提供AlSi10Mg合金试样室温拉伸力学性能。从与锻造态的性能对比可以看出，通过选区激光熔化工艺制备的试样其抗拉强度和屈服强度与锻造态相当，但断裂延伸率经过热处理后明显高于锻造态。

图3-12　OXY平面内垂直于打印方向的AlSi10Mg合金显微组织形貌

表3-3　AlSi10Mg合金试样室温拉伸力学性能

（3）高温合金GH4169

图3-13所示为OXY平面内垂直于打印方向SLM成型GH4169高温合金的显微组织形貌。从图3-14（a）中可以明显看出GH4169合金晶粒。图3-13（b）为高倍放大图，可以看出，晶粒主要分为细晶粒、粗晶粒以及热影响区3个部分，同时在晶界处析出大量的γ′。粗晶粒区主要是因为扫描路径经过搭接区域时，发生凝固区域重熔现象，导致晶粒出现长大，同时也伴随产生热影响区，即粗、细晶粒区的过度区域。表3-4为中航迈特提供高温合金GH4169合金试样室温拉伸力学性能。

图3-13　OXY 平面内垂直于打印方向GH4169 合金显微组织形貌

表3-4　GH4169合金试样室温拉伸力学性能

（4）钴铬合金

图3-14所示为SLM成型钴铬合金不同侧面的显微组织形貌。从图中可以看出，钴铬合金经历了快速熔化和快速凝固过程，二次相出现明显细化现象。图3-14（a）所示为垂直于打印方向的显微组织形貌，分别放大了500和30 000倍。从低倍图可以看到明显的熔融道，并且在熔融道边界有浅色的析出物，进一步分析得知为碳化物；从高倍图可以看出显微组织主要存在不规则树枝状碳化物，基体相为奥氏体。图3-14（b）为平行于打印方向的显微组织形貌，分别放大了1 000和20 000倍。从图中可以看出碳化物和基体呈交替分布。

图3-14　SLM 成型钴铬合金典型微观形貌

传统医用铸造钴铬合金的维氏硬度值为300 HV，锻造态的维氏硬度值为265~450 HV。硬度试验测得SLM成型钴铬合金维氏硬度值为（476±6）HV，比传统工艺获得的硬度值要高，这主要受碳化物细化和弥散分布的影响。

表3-5为SLM成型钴铬合金试样室温拉伸力学性能。其力学性能与传统工艺相比较，强度大幅提高，但延伸率较差，接近铸造水平，但远低于锻造水平。

表3-5　SLM成型钴铬合金试样室温拉伸力学性能

图3-15所示为SLM成型钴铬合金试样室温拉伸断口形貌，从图中可以看到断面具有明显解理台阶，没有出现明显的韧窝，说明其塑性较差，宏观表现为SLM成型的试样其断裂延伸率差。

图3-15　SLM成型钴铬合金试样室温拉伸断口形貌

六、选区激光熔化常见的设备机型

德国EOS公司是金属材料工业3D打印的全球技术领导者，生产了多种工业化选区激光熔化设备。目前市场销售的主力机型为2014年推出的M290型金属3D打印设备。EOS公司于2016年发布了M400-4机型，该设备具有4个400W激光器以及400 mm×400 mm×400 mm的最大成型尺寸，可以同时制造4个零件，大幅提升了生产效率。

德国SLM Solutions公司作为全球领先的工业级金属3D打印制造商，主要专注于开发、制造和销售SLM设备和集成系统解决方案，其主要的选区激光熔化设备包括SLM 125、SLM 280、SLM 500、SLM 800，其中SLM 280、SLM500均可选配双激光，SLM 800为四激光。

德国Concept Laser公司主要生产的SLM设备包括M1 Cusing、M2 Cusing、X line 2000R等，其中X line 2000R的最大成型尺寸为800 mm×400 mm×500 mm，是世界上最大的采用选区激光熔化技术的金属3D打印机，X line 2000R的核心是双激光系统，每个激光器功率高达1 000W。

英国雷尼绍Renishaw公司是增材制造系统制造商和解决方案供应商。其解决方案适用于多种行业的客户，从大型OEM到专业个人用户，包括金属增材制造系统、金属粉末、辅助设备、软件、专业咨询、培训和全球解决方案中心。由雷尼绍设计并制造的先进金属增材制造系统可满足注重耐用性、定制化零件和精度的各种行业应用需求。目前拥有RenAM和AM两个系列产品，主要产品有RenAM 500Q和AM 250，其中RenAM 500Q也同样配有4个500W激光器。

世界上其他一流的设备厂商如美国3D Systems、美国GE、德国Trumpf、荷兰Additive Industries等公司也都具有领先的选区激光熔化设备。

国内早期研究选区激光熔化设备的高校主要有华南理工大学和华中科技大学，2012年后国内有50多家高校和科研院所进入该领域。国内北京隆源自动成型系统有限公司、西安铂力特增材技术股份有限公司、湖南华曙高科技有限责任公司、广东汉邦激光科技有限公司、北京易加三维科技有限公司、武汉华科三维科技有限公司、上海探真激光技术有限公司等企业也纷纷推出商业化SLM设备。

目前，全球市场已经有不同规格的选区激光熔化工业化设备销售，并大量投入工程应用，解决了航空航天、生物医疗、汽车模具等领域的关键技术问题。国内外典型选区激光熔化设备见表3-6、表3-7。

表3-6　国内选区激光熔化设备

续表

表3-7　国外选区激光熔化设备

续表

七、选区激光熔化的应用领域

1.汽车零件

选区激光熔化工艺拥有诸多优势，能够实现传统制造无法获得的轻量化设计。通过SLM成型技术实现轻量化设计的主要途径有两个方面：一是材料成分的优化设计；二是产品结构的优化设计。两者相辅相成以实现最终产品的轻量化制造。产品结构的优化设计主要是通过夹层结构、镂空晶格结构、拓扑优化等减重设计达到产品要求。

拓扑优化是缩短3D打印设计过程的重要手段，通过拓扑优化来确定和去除不影响零件刚性部分的材料，以达到减重的目的。如图3-16所示为基于SLM技术设计制造的钛合金刹车钳。这款刹车钳尺寸大小为410mm×210mm×136mm，是为世界超级跑车独家打造，SLM成型比传统铝合金机加工件减重2 kg。

如图3-17所示为采用铝合金AlSi10Mg选区激光熔化工艺成型的汽车软顶结构件，相比注塑成型的塑料支架，强度提高10倍且质量减轻44%。该结构件基于SLM技术拓扑优化成型，通过紧密排列把每一块基板上的支架打印数量从51个提高到了238个。使用了SLM技术的软顶结构，呈“Z”字形结构折叠，折叠后可以在中置发动机跑车88升的后备厢上再创造92升的储物空间。

图3-16　基于SLM技术设计制造钛合金刹车钳

图3-17　汽车软顶结构

如图3-18所示为基于SLM技术设计制造的汽车复杂部件。图3-18（a）为德西福格汽车零部件集团公司采用选区激光熔化技术研发出的汽车转向节，经过拓扑优化仿生设计，相比常规锻件减重40%；图3-18（b）为德国FIT增材制造集团公司成功研制的SLM成型齿轮箱，相比传统工艺制造的零件减重30%；图3-18（c）为比利时邦奇动力公司成功试制的SLM成型CVT变速器的液压控制单元。

拓扑优化通过对零件材料再分配，可实现减重的功能最优化。拓扑优化后的异形结构经过仿真分析完成最终的建模，这些设计往往无法通过传统工艺加工，而通过选区激光熔化工艺可以实现。

2.航空航天零件

选区激光熔化工艺在航空发动机零部件制造方面也有重要应用。选区激光熔化工艺可实现多组件一体化打印，直接省去原始多个零件组合时存在的法兰连接和焊接过程，实现零件的最优化整体设计，如图3-19所示为美国GE公司利用选区激光熔化工艺制造的喷气式飞机专用发动机燃油喷嘴。

图3-18　基于SLM结构优化成型汽车零部件

图3-19　飞机发动机的燃油喷嘴

这款飞机发动机燃油喷嘴经过十余年的探索和设计优化，将过去20个零件合成为一个整体，一次成型的燃油喷嘴比传统工艺制造的燃油喷嘴轻25%，并提高5倍以上的使用寿命。这款燃油喷嘴通过增加复杂的内部冷却通道，改善了燃油喷嘴过热和积碳问题，同时降低油耗，提高效率，产生了巨大的经济效益。每台飞机发动机需要安装数十个燃油喷嘴。截至目前，GE航空已累计生产了超过40 000个这样的燃油喷嘴。一体化结构的实现不仅带来轻量化的优势，减少了组装的需求，也为企业提升效益打开了可行性空间。

传统的航空航天构件加工生产周期长，在铣削过程中需要去除最高质量比95%的原材料。采用选区激光熔化成型航空金属零件可以极大地节约成本并提高生产效率，同时，其成型件相比传统铸造得到的零件具有更优的性能。德国MTU航空发动机公司在2015年通过SLM技术研发生产镍基高温合金管道内窥镜套筒，如图3-20所示，它是发动机涡轮机壳体的一部分，通过这个管道内窥镜可以让维修人员检查涡轮叶片的磨损和损坏程度。

图3-20　发动机涡轮机壳体零件

在MTU公司使用SLM技术之前，这些套筒通常采用铸造和铣床加工的方式制造，成本昂贵而且周期长。MTU公司技术总监表示，SLM技术灵活性强，航空发动机结构中很多零部件将来都可以使用它来制造，如轴承座和涡轮翼面，而且部件都可以满足安全性和可靠性方面的最高要求。

如图3-21所示为采用SLM技术拓扑优化设计制造的航天转轴结构组件，如图3-22所示为美国GE/Morris公司采用选区激光熔化工艺制造的一系列复杂航空部件。

图3-21　航天转轴结构组件

图3-22　复杂航空部件

3.随形冷却模具

随形冷却的原理是在一个统一连续的方式下快速地降低塑件温度，直到注塑件充分冷却后，然后从模具中取出。任何热点都会延迟注塑件的注塑周期，可能会导致拆卸后注塑件的翘曲和下沉痕迹，损害组件表面的质量。选区激光熔化工艺几乎不受任何限制，可以使得随形冷却模具的设计和制造摆脱传统方法的限制，可以根据冷却要求设计不同的冷却回路，获得一致均匀的散热性，同时设计的内部通道更靠近模具的冷却表面，提升了热转移效率；此外成型的平滑角落提高了截面流量，从而缩短了模具冷却时间，大幅降低注塑产品生产周期。

选区激光熔化工艺逐层堆积成型，在制造复杂结构的模具时比传统交叉钻孔工艺具有明显优势，可实现复杂冷却流道成型。如图3-23所示为英国Renishaw公司为德国Alfred Kärcher公司（凯驰）设计改造的随形冷却模型，并通过SLM技术实现成功打印。英国Renishaw公司使用热成像技术检查了修改后的模具设计效果，确认模具壁的温度可降低40℃至70℃，冷却时间可从22秒缩短至10秒，减少了55%。如图3-24所示为Materialise公司为法国著名玩具制造商Smoby优化的随形冷却流道，最终使得汽车模型上部材料减少12%，下部材料减少24%，同时缩短了50%生产周期。

图3-23　Renishaw为Alfred Kärcher公司设计改造的部分随形冷却模型

图3-24　Materialise 为Smoby 优化的模具

4.医学植入体

与传统工艺相比，金属3D打印技术更容易满足生物医疗器具在个性化定制方面的需求。选区激光熔化工艺能够成型复杂的镂空点阵结构，结构具有空间孔隙，便于人体肌体与植入体的组织融合且具有良好生物相容性，在个性化骨科植入器材中广泛应用，主要以关节类植入体和脊柱类植入体为主，如个性化髋臼杯植入体、个性化牙冠牙桥等，如图3-25所示。

图3-25　SLM成型个性化植入体

据统计报道，目前国内临床应用的膝关节植入体绝大多数都进口自欧美国家，其植入体按照欧美人种数据设计，与中国人骨骼形态差异较大。临床应用中只能选取与患者骨骼最接近的植入体进行置换手术，容易造成匹配差异，从而导致患者术后承受痛苦的比例和返修率增加。为了满足个性化的需求，在选区激光熔化成型之前，利用断层扫描技术获取患者原始数据信息，然后经过三维重建并修复，获得最适合患者移植部位的模型数据，最后通过SLM成型，得到个性化定制的植入体。为了使得植入体能够更好地与人体组织相融合，需要选择合适的植入材料，目前主流的材料有钴铬合金、钛合金以及316L不锈钢，同时也需要设计多孔结构以利于骨细胞的渗透生长。

美国脊柱植入物制造商Nexxt Spine自2017年起利用选区激光熔化技术开发出具有更高附加值的脊柱植入物产品，如图3-26所示，这些3D打印植入物具有促进骨愈合的复杂微观结构。Nexxt Spine主要的产品为多孔钛脊柱融合植入物，产品表面的多孔结构由于具有更好的弹性模量匹配，在促进骨融合方面的优势明显。

图3-26　Nexxt Spine公司SLM成型集成多孔结构3D打印支架

随着现代医学的飞速发展，选区激光熔化工艺在个性化医疗辅助器材的应用逐年增加。传统骨科截骨手术操作都是由医生在手术中凭个人经验决定的，手术切除范围不能保证完全准确，手术过程中骨钻、骨刀等手术器械也难以准确定位，不仅增加了手术风险，而且可能给患者带来更大的痛苦和健康隐患。SLM技术与逆向工程结合形成测量、设计和制造为一体的系统，可实现个性化医疗辅助器械的快速、准确制造，解决了传统手术不确定性、个体差异明显等问题，实现了良好定位和准确引导。不仅设计出与个体完全匹配的手术辅助器械，同时还可以在术前进行手术规划和预演，帮助医生更精确高效地完成手术。如图3-27所示为体外异体骨修整手术中的个性化模板设计、制造与应用。

图3-27　体外异体骨修整手术中的个性化模板的设计、制造与应用

想一想

1.简述选区激光熔化技术的工艺原理和流程。

2.影响选区激光熔化的因素有哪些？

3.常用于选区激光熔化技术的金属材料有哪些？

4.列举3个选区激光熔化的主要应用领域。

学习提要