本文登于《3D打印商情》報第五期“湖北3D打印”專版

     近年來誕生了選擇性激光熔化（selective laser melting, SLM）金屬粉末的3D打印技術（以下簡稱SLM技術），用它能直接成形出接近完全致密度的金屬零件。SLM技術克服了選擇性激光燒結（selective laser sintering, SLS）技術制造金屬零件的復雜工藝過程。用SLS技術制造金屬零件的方法主要有：（1）熔模鑄造法：首先采用SLS技術成形高聚物（聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）等）原型零件，然后利用高聚物的熱降解性，采用鑄造技術成形金屬零件。（2）砂型鑄造法：首先利用覆膜砂成形零件型腔和砂芯（即直接制造砂型），然后澆鑄出金屬零件。（3）選擇性激光間接燒結原型件法：高分子與金屬的混合粉末或高分子包覆金屬粉末經(jīng)SLS成形，經(jīng)脫脂、高溫燒結、浸漬等工藝成形金屬零件。（4）選擇性激光直接燒結金屬原型件法：首先將低熔點金屬與高熔點金屬粉末混合，其中低熔點金屬粉末在成形過程中主要起粘結劑作用，然后利用SLS技術成形金屬零件，最后對零件后處理，包括浸漬低熔點金屬、高溫燒結、熱等靜壓（hot isostatic pressing, HIP）。這些方法所制造的金屬零件機械性能受低熔點金屬的影響，而且零件精度受成形工藝過程的影響因素比較多。為此，德國Fraunhofer激光器研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology, ILT）最早提出了直接制造金屬零件的SLM技術。

    一、選擇性激光熔化3D打印技術的基本原理

    SLM技術是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成形的一種技術。為了完全熔化金屬粉末，要求激光能量密度超過106 W/cm2。目前用于SLM技術的激光器主要有Nd-YAG激光器、CO2激光器、光纖（Fiber）激光器。這些激光器產(chǎn)生的激光波長分別為1064nm、10640nm、1090nm。金屬粉末對1064nm等較短波長激光的吸收率比較高，而對10640nm等較長波長激光的吸收率較低。因此在成形金屬零件過程中具有較短波長激光器的激光能量利用率高，但是采用較長波長的CO2激光器，則激光能量利用率低。

    在高激光能量密度作用下金屬粉末完全熔化、經(jīng)散熱冷卻實現(xiàn)與固體金屬冶金焊合成形。SLM技術正是通過對激光選區(qū)內(nèi)的金屬粉末完全熔化、經(jīng)散熱冷卻固化、層層累積成形出三維實體的3D打印技術。SLM金屬粉末成形技術的原理如圖1所示。

    圖1中，根據(jù)成形件的三維CAD模型的分層切片信息，掃描系統(tǒng)（振鏡）控制激光束作用于待成形區(qū)域內(nèi)的粉末。一層掃描完畢后，活塞缸內(nèi)的活塞下降一個層厚距離；接著送粉系統(tǒng)輸送一定量的粉末，鋪粉系統(tǒng)的輥子鋪展一層厚的粉末沉積于已成形層之上。然后，重復上述兩個成形過程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣三維CAD模型經(jīng)逐層累積方式直接成形金屬零件。最后，活塞上推，從成形裝備中取出零件。至此，SLM金屬粉末直接成形金屬零件的全部過程結束。

   圖1 SLM成形技術原理

    二、選擇性激光熔化技術研究現(xiàn)狀與進展

    目前，國外應用SLM技術可制造模具、工具、生物移植物等金屬零件。但該技術的應用領域還不夠廣泛，技術仍不夠成熟。SLM技術的研究主要針對以下幾個方面的內(nèi)容：成形裝備、金屬粉末、成形工藝、成形機理、成形件性能、成形過程模擬、成形件的應用。

    （一）選擇性激光熔化裝備

    SLM裝備的許多方面影響成形工藝及成形件的精度、機械性能。在開發(fā)SLM裝備方面，只有德國、日本、美國等少數(shù)幾個生產(chǎn)商成功地開發(fā)了商用裝備。這些公司包括德國的MCP、TRUMPF、日本的MATSUUR、美國的PHENIX。這些公司的SLM裝備的不同之處主要體現(xiàn)在激光器、聚焦面光斑尺寸、鋪粉方式、活塞缸鋪粉層厚等方面。

MCP公司的SLM裝備和PHENIX的SLM裝備應用的激光器為100W光纖激光器，激光波長為1090nm，其主要工作模式為CW/Modulated，光纖激光器激光束的輸出模式為TEM00（transverse electromagnetic modes，TEM），其光束橫截面能量分布為高斯分布，且在傳輸過程中保持不變，光束質(zhì)量好。激光束經(jīng)聚焦后的激光光斑在30μm-250μm之間。

    TRUMPF公司的SLM裝備配備250W盤形激光器，激光波長為1030nm。光斑大小可變范圍在200μm-400μm。

    MATSUURA公司的SLM裝備采用500W 脈沖式CO2激光器，激光波長10640nm，其峰值達1.5kW，頻率達100kHz。光斑大小600μm。

除了以上公司進行SLM裝備商業(yè)生產(chǎn)外，還有包括比利時魯汶大學、日本大阪大學等高校從事SLM裝備的研制。這些高校自行研制的SLM裝備和上述公司商用生產(chǎn)的裝備相似，主要是在激光器、聚焦光斑、鋪粉層厚、鋪粉方式等方面不同。

    目前國內(nèi)主要有華中科技大學在這方面進行了研究，并不斷地跟蹤SLM技術的最新發(fā)展。華中科技大學快速制造中心已經(jīng)研制出擁有自主知識產(chǎn)權的商品化SLM設備—HRPM系列技術粉末熔化成形設備，采用了150W CW Nd-YAG激光器和100W CW光纖激光器，由武漢濱湖機電技術產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)制造，已在市場上進行了銷售，打破了國外公司在這方面的壟斷，大大降低了該設備的價格，使國內(nèi)廣大用戶買得起也用得起。

    （二）選擇性激光熔化技術所用粉末

適合SLM技術的金屬粉末比較廣泛。自行設計適合SLM成形的材料成分并制備粉末，其造價比較高，不經(jīng)濟。 因此，目前研究SLM技術的粉末主要來源于商用粉末，進而研究它們的成形性，從而提出該技術選用粉末的標準。

    用于SLM成形的粉末可以分為混合粉末、預合金粉末、單質(zhì)金屬粉末三類。

    （1）混合粉末

    混合粉末由一定成分的粉末經(jīng)混合均勻而成。設計混合粉末時要考慮激光光斑大小對粉末顆粒粒度的要求。Kruth J. P.等人研制了鐵基混合粉（Fe, Ni, Cu, Fe3P）。因激光光斑為600μm，所以要求混合粉中顆粒最大尺寸不能超過該光斑直徑。應用這種混合粉的SLM成形件不能滿足100%致密度要求，因此其機械性能還有待進一步提高。魯中良等研制了Fe-Ni-C混合粉末，其組成成分為：91.5wt%Fe、8.0wt%、0.5wt%C。Fe、Ni粉末為-300目，C粉為-200目。應用該混合粉末的SLM成形件致密度較低，存在大量的孔隙。通過對混合粉的SLM成形研究，說明混合粉的成形件致密度有待提高，其機械性能受致密度、成分均勻度的影響。

    （2）預合金粉末

    根據(jù)預合金主要成分，預合金粉末可以分為鐵基、鎳基、鈦基、鈷基、鋁基、銅基、鎢基等。鐵基合金粉末包括工具鋼M2、工具鋼H13、不銹鋼316L（1.4404）、Inox 904L、314S-HC、鐵合金（Fe-15Cr-1.5B）。鐵基合金粉末的SLM成形結果表明：低碳鋼比高碳鋼的成形性好，成形件的相對致密度仍不能完全達到100%。

    鎳基合金粉末包括Ni625、NiTi合金、Waspaloy合金、鎳基預合金（83.6%Ni、9.4%Cr、1.8%B、2.8%Si、2.0%Fe、0.4%C）。鎳基合金粉末的SLM成形結果表明：成形件的相對致密度可達99.7%。鈦合金粉末主要有TiAl6V4合金。該合金粉末的SLM成形結果表明：成形件相對致密度可達95%。鈷合金粉末主要有鈷鉻合金。該合金粉末的SLM成形結果表明：成形件相對致密度可達96%。鋁合金粉末主要有Al6061合金。該合金粉末的SLM成形結果表明：成形件的相對致密度可達91%。銅合金粉末包括Cu/Sn合金、銅基合金（84.5Cu-8Sn-6.5P-1Ni）、預合金Cu-P。銅合金粉末的SLM成形結果表明：成形件的相對致密度也只能達到95%。鎢合金粉末主要有鎢銅合金。該合金粉末的SLM成形結果表明：成形件的相對致密度仍然達不到100%。#p#分頁標題#e#

    （3）單質(zhì)金屬粉末

    單質(zhì)金屬粉末主要有鈦粉。鈦粉的SLM成形結果表明：其成形性較好，成形件的相對致密度可達98%。

    綜上所述，SLM技術所用粉末主要為單質(zhì)金屬粉末和預合金粉末。單質(zhì)金屬粉末和預合金粉末的成形件的成分分布、綜合機械性能較好。所以成形工藝研究主要針對預合金、單質(zhì)金屬粉末的工藝優(yōu)化，以提高成形件的致密度。

    （三） 選擇性激光熔化成形工藝

    SLM成形工藝主要研究工藝參數(shù)對粉末成形軌跡和致密度的影響規(guī)律。

    1、工藝參數(shù)對成形軌跡的影響

在SLM成形過程中，成形軌跡特征受工藝參數(shù)的影響。成形軌跡主要包括激光束對粉末的單點、單道掃描、單層多道掃描成形的軌跡。通過對成形軌跡的評價，研究工藝參數(shù)對成形軌跡的影響規(guī)律。

    2、工藝參數(shù)對致密度的影響

    金屬零件致密度是影響其機械性能的一個主要因素。金屬粉末SLM成形件致密度是一個關鍵技術指標。SLM成形件的致密度受激光波長、激光功率密度、粉末成分的影響。CO2激光（波長為10640nm）作用下成形件致密度較低，這與金屬粉末對激光的較低吸收率、激光功率密度有關。YAG激光（波長為1064nm）作用下成形件致密度較高，是因為金屬粉末對激光的較高吸收率、激光功率密度。粉末化學成分是影響其潤濕性的主要因素，所以低碳成分的鐵基合金粉末的潤濕性好，其SLM成形件的致密度高。

    （四） 選擇性激光熔化成形機理

    在SLM成形過程中，提高粉末的成形性，就必須提高液態(tài)金屬的潤濕性。在成形過程中液態(tài)金屬成球，則說明液態(tài)金屬的潤濕性不好。液態(tài)金屬對固體金屬的潤濕性受工藝參數(shù)的影響，因此可優(yōu)化工藝參數(shù)提高特定粉末的潤濕能力。研究結果表明，液態(tài)金屬在缺少與氧化物發(fā)生化學反應的情況下是不能潤濕固體氧化膜的，因此在成形過程中要防止氧化。雖然添加合金元素P可提高潤濕性，但是元素P影響成形件的機械性能。

    （五）選擇性激光熔化成形件性能

    SLM成形件性能主要包括殘余應力、殘余應變、顯微組織、機械性能。

    1、殘余應力、應變

    金屬粉末在SLM成形過程中因溫度梯度產(chǎn)生熱應變和殘余應力，影響成形過程。研究結果表明：翹曲、裂紋、熱應力、表面粗糙、不希望有的顯微組織等問題，主要是由于成形過程中激光作用下的快熱快冷（淬火）所致。為此，提出了雙激光（CO2、Nd-YAG）掃描系統(tǒng)方案。

    2、顯微組織

    工藝參數(shù)影響SLM成形件的顯微組織。如果激光掃描速度快，那么冷卻速度也較快，使顯微組織更細，有利于提高SLM成形件的機械性能。

    3、機械性能

    SLM成形件的機械性能主要包括強度、硬度、精度、表面粗糙度等。SLM成形件的彎曲強度受激光工作模式的影響，在脈沖及其反沖作用力工作模式下的SLM成形件的最大抗彎曲強度為630MPa，未經(jīng)任何處理的成形件表面粗糙度達Ra10-30μm。因SLM成形件的相對致密度未達到100%，所以抗彎強度等機械性能受到一定的影響。

    （六）選擇性激光熔化成形過程的數(shù)值模擬

    SLM成形過程是一個激光束熔化粉末、相變和凝固冶金結合的過程。在SLM成形過程中，粉末在極短（毫秒級）時間內(nèi)熔化，溫度梯度大，通過試驗方法測量其溫度動態(tài)過程比較困難。而通過有限元法模擬分析并揭示其成形過程，為制定合理的工藝參數(shù)、減少試驗次數(shù)、成形高質(zhì)量零件提供重要的理論指導。

    （七） 選擇性激光熔化成形件的應用

    SLM技術可以直接成形金屬零件，主要有生物醫(yī)用零件、散熱器零件、超輕結構零件、微型器件等。因此SLM技術在成形薄壁零件、超輕結構零件方面的研究及應用較多。

    （八） 選擇性激光熔化與熱等靜壓（SLM/HIP）復合成形技術

    SLM成形件內(nèi)部存在殘余應力且致密度仍有待提高，因此其機械性能受到影響。為提高成形件的綜合機械性能，可以采用SLM與熱等靜壓（hot isostatic pressing, HIP）復合成形技術。但是這種針對金屬粉末的SLS技術與HIP技術相結合的復合成形技術還不成熟，這是因為SLS技術難于直接成形致密外殼。為解決SLS在成形致密外殼方面的不足，研究SLM技術直接成形致密金屬外殼替代包套，從而實現(xiàn)SLM與HIP的復合成形技術，為3D打印技術的應用提供新的發(fā)展思路。

    三、選擇性激光熔化技術的優(yōu)點和發(fā)展趨勢

    通過以上的分析，SLM技術的優(yōu)點如下：

    （1）能將CAD模型直接制成終端金屬產(chǎn)品, 只需要簡單的后處理工藝或表面處理。

    （2）適合各種復雜形狀的工件, 尤其適合內(nèi)部有復雜異型結構( 如空腔、三維網(wǎng)格) 、用傳統(tǒng)機械加工方法無法制造的復雜工件。

    （3）能得到具有非平衡態(tài)過飽和固溶體及均勻細小金相組織的實體，致密度幾乎能達到100%，SLM零件機械性能與鍛造工藝所得相當。

    （4）使用具有高功率密度的激光器, 以光斑很小的激光束加工金屬, 使得加工出來的金屬零件具有很高的尺寸精度( 達0.1mm) 以及好的表面粗糙度(Ra 30～50μm)。

    （5）由于激光光斑直徑很小，因此能以較低的功率熔化高熔點的金屬，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能，而且可供選用的金屬粉末種類也大大拓展了。

    （6）能采用鈦粉、鎳基高溫合金粉加工解決在航空航天中應用廣泛的組織均勻的高溫合金零件復雜件加工難的問題。還能解決生物醫(yī)學上組分連續(xù)變化的梯度功能材料的加工。

    由于SLM技術具有以上的優(yōu)點，它具有廣闊的應用前景和應用范圍，如：機械領域的工具及模具（微制造零件、微器件、工具插件、模具）、生物醫(yī)療領域的生物植入零件或替代零件（齒、脊椎骨）、電子領域的散熱器件、航空航天領域的超輕結構件、梯度功能復合材料零件。

    特別是在航空航天領域，是典型的多品種小批量的生產(chǎn)過程，尤其是在研發(fā)階段。這方面SLM技術具有不可比擬的優(yōu)勢。有些復雜的工件，采用機加工不但費時，而且材料浪費嚴重，復雜結構甚至無法制造；鑄造能解決復雜結構和提高材料利用率，但鈦和鎳等特殊材料的鑄造工藝非常復雜，制件性能難以控制；鍛造可有效提高制件性能，但需要昂貴的精密模具和大型的專用裝備，制造成本高。采用SLM方法則可以很方便快捷地制造出這些復雜工件，在產(chǎn)品開發(fā)階段可以大大縮短樣件的加工生產(chǎn)時間，節(jié)省大量的開發(fā)費用。我國正在全力推進大飛機的研發(fā)工作，SLM技術將可以在其中發(fā)揮巨大的作用。

    由此可知，SLM技術代表快速制造領域的發(fā)展方向，為產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)提供更加快捷的途徑，從而加快產(chǎn)品的市場響應速度，更新產(chǎn)品的設計理念、生產(chǎn)周期。

但是，由于巨大的市場價值與商業(yè)機密，目前SLM技術的發(fā)展與推廣還存在一些問題。主要是SLM設備十分昂貴，并且工作效率低，并且由于大工作臺范圍內(nèi)的預熱溫度場難以控制，工藝軟件不完善，制件翹曲變形大，因而無法直接制作大尺寸零件，目前還只能制作一些尺寸較小的工件。只有解決以上問題，研發(fā)出可靠性和技術指標達到國際先進水平、價格低廉、具有自主知識產(chǎn)權的SLM設備、成形材料和配套的工藝路線等，才能在我國推廣這項技術。#p#分頁標題#e#

作者：華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室  周剛