本文登于《3D打印商情》報(bào)第五期“湖北3D打印”專(zhuān)版

     近年來(lái)誕生了選擇性激光熔化（selective laser melting, SLM）金屬粉末的3D打印技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SLM技術(shù)），用它能直接成形出接近完全致密度的金屬零件。SLM技術(shù)克服了選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering, SLS）技術(shù)制造金屬零件的復(fù)雜工藝過(guò)程。用SLS技術(shù)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(shù)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(shù)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(jié)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?zé)Y(jié)、浸漬等工藝成形金屬零件。（4）選擇性激光直接燒結(jié)金屬原型件法：首先將低熔點(diǎn)金屬與高熔點(diǎn)金屬粉末混合，其中低熔點(diǎn)金屬粉末在成形過(guò)程中主要起粘結(jié)劑作用，然后利用SLS技術(shù)成形金屬零件，最后對(duì)零件后處理，包括浸漬低熔點(diǎn)金屬、高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓（hot isostatic pressing, HIP）。這些方法所制造的金屬零件機(jī)械性能受低熔點(diǎn)金屬的影響，而且零件精度受成形工藝過(guò)程的影響因素比較多。為此，德國(guó)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(shù)。

    一、選擇性激光熔化3D打印技術(shù)的基本原理

    SLM技術(shù)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(shù)。為了完全熔化金屬粉末，要求激光能量密度超過(guò)106 W/cm2。目前用于SLM技術(shù)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(zhǎng)分別為1064nm、10640nm、1090nm。金屬粉末對(duì)1064nm等較短波長(zhǎng)激光的吸收率比較高，而對(duì)10640nm等較長(zhǎng)波長(zhǎng)激光的吸收率較低。因此在成形金屬零件過(guò)程中具有較短波長(zhǎng)激光器的激光能量利用率高，但是采用較長(zhǎng)波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)與固體金屬冶金焊合成形。SLM技術(shù)正是通過(guò)對(duì)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(shí)體的3D打印技術(shù)。SLM金屬粉末成形技術(shù)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(gè)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?zhàn)愉佌挂粚雍竦姆勰┏练e于已成形層之上。然后，重復(fù)上述兩個(gè)成形過(guò)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(guò)程結(jié)束。

   圖1 SLM成形技術(shù)原理

    二、選擇性激光熔化技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

    目前，國(guó)外應(yīng)用SLM技術(shù)可制造模具、工具、生物移植物等金屬零件。但該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣泛，技術(shù)仍不夠成熟。SLM技術(shù)的研究主要針對(duì)以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：成形裝備、金屬粉末、成形工藝、成形機(jī)理、成形件性能、成形過(guò)程模擬、成形件的應(yīng)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(jī)械性能。在開(kāi)發(fā)SLM裝備方面，只有德國(guó)、日本、美國(guó)等少數(shù)幾個(gè)生產(chǎn)商成功地開(kāi)發(fā)了商用裝備。這些公司包括德國(guó)的MCP、TRUMPF、日本的MATSUUR、美國(guó)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(yīng)用的激光器為100W光纖激光器，激光波長(zhǎng)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T(mén)EM00（transverse electromagnetic modes，TEM），其光束橫截面能量分布為高斯分布，且在傳輸過(guò)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(pán)形激光器，激光波長(zhǎng)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(zhǎng)10640nm，其峰值達(dá)1.5kW，頻率達(dá)100kHz。光斑大小600μm。

除了以上公司進(jìn)行SLM裝備商業(yè)生產(chǎn)外，還有包括比利時(shí)魯汶大學(xué)、日本大阪大學(xué)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(guó)內(nèi)主要有華中科技大學(xué)在這方面進(jìn)行了研究，并不斷地跟蹤SLM技術(shù)的最新發(fā)展。華中科技大學(xué)快速制造中心已經(jīng)研制出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商品化SLM設(shè)備—HRPM系列技術(shù)粉末熔化成形設(shè)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(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)制造，已在市場(chǎng)上進(jìn)行了銷(xiāo)售，打破了國(guó)外公司在這方面的壟斷，大大降低了該設(shè)備的價(jià)格，使國(guó)內(nèi)廣大用戶買(mǎi)得起也用得起。

    （二）選擇性激光熔化技術(shù)所用粉末

適合SLM技術(shù)的金屬粉末比較廣泛。自行設(shè)計(jì)適合SLM成形的材料成分并制備粉末，其造價(jià)比較高，不經(jīng)濟(jì)。 因此，目前研究SLM技術(shù)的粉末主要來(lái)源于商用粉末，進(jìn)而研究它們的成形性，從而提出該技術(shù)選用粉末的標(biāo)準(zhǔn)。

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

    （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(shè)計(jì)混合粉末時(shí)要考慮激光光斑大小對(duì)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(guò)該光斑直徑。應(yīng)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(jī)械性能還有待進(jìn)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(yīng)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(guò)對(duì)混合粉的SLM成形研究，說(shuō)明混合粉的成形件致密度有待提高，其機(jī)械性能受致密度、成分均勻度的影響。

    （2）預(yù)合金粉末

    根據(jù)預(yù)合金主要成分，預(yù)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(jié)果表明：低碳鋼比高碳鋼的成形性好，成形件的相對(duì)致密度仍不能完全達(dá)到100%。

    鎳基合金粉末包括Ni625、NiTi合金、Waspaloy合金、鎳基預(yù)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(jié)果表明：成形件的相對(duì)致密度可達(dá)99.7%。鈦合金粉末主要有TiAl6V4合金。該合金粉末的SLM成形結(jié)果表明：成形件相對(duì)致密度可達(dá)95%。鈷合金粉末主要有鈷鉻合金。該合金粉末的SLM成形結(jié)果表明：成形件相對(duì)致密度可達(dá)96%。鋁合金粉末主要有Al6061合金。該合金粉末的SLM成形結(jié)果表明：成形件的相對(duì)致密度可達(dá)91%。銅合金粉末包括Cu/Sn合金、銅基合金（84.5Cu-8Sn-6.5P-1Ni）、預(yù)合金Cu-P。銅合金粉末的SLM成形結(jié)果表明：成形件的相對(duì)致密度也只能達(dá)到95%。鎢合金粉末主要有鎢銅合金。該合金粉末的SLM成形結(jié)果表明：成形件的相對(duì)致密度仍然達(dá)不到100%。#p#分頁(yè)標(biāo)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(jié)果表明：其成形性較好，成形件的相對(duì)致密度可達(dá)98%。

    綜上所述，SLM技術(shù)所用粉末主要為單質(zhì)金屬粉末和預(yù)合金粉末。單質(zhì)金屬粉末和預(yù)合金粉末的成形件的成分分布、綜合機(jī)械性能較好。所以成形工藝研究主要針對(duì)預(yù)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(duì)粉末成形軌跡和致密度的影響規(guī)律。

    1、工藝參數(shù)對(duì)成形軌跡的影響

在SLM成形過(guò)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(duì)粉末的單點(diǎn)、單道掃描、單層多道掃描成形的軌跡。通過(guò)對(duì)成形軌跡的評(píng)價(jià)，研究工藝參數(shù)對(duì)成形軌跡的影響規(guī)律。

    2、工藝參數(shù)對(duì)致密度的影響

    金屬零件致密度是影響其機(jī)械性能的一個(gè)主要因素。金屬粉末SLM成形件致密度是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。SLM成形件的致密度受激光波長(zhǎng)、激光功率密度、粉末成分的影響。CO2激光（波長(zhǎng)為10640nm）作用下成形件致密度較低，這與金屬粉末對(duì)激光的較低吸收率、激光功率密度有關(guān)。YAG激光（波長(zhǎng)為1064nm）作用下成形件致密度較高，是因?yàn)榻饘俜勰?duì)激光的較高吸收率、激光功率密度。粉末化學(xué)成分是影響其潤(rùn)濕性的主要因素，所以低碳成分的鐵基合金粉末的潤(rùn)濕性好，其SLM成形件的致密度高。

    （四） 選擇性激光熔化成形機(jī)理

    在SLM成形過(guò)程中，提高粉末的成形性，就必須提高液態(tài)金屬的潤(rùn)濕性。在成形過(guò)程中液態(tài)金屬成球，則說(shuō)明液態(tài)金屬的潤(rùn)濕性不好。液態(tài)金屬對(duì)固體金屬的潤(rùn)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(rùn)濕能力。研究結(jié)果表明，液態(tài)金屬在缺少與氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下是不能潤(rùn)濕固體氧化膜的，因此在成形過(guò)程中要防止氧化。雖然添加合金元素P可提高潤(rùn)濕性，但是元素P影響成形件的機(jī)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(yīng)力、殘余應(yīng)變、顯微組織、機(jī)械性能。

    1、殘余應(yīng)力、應(yīng)變

    金屬粉末在SLM成形過(guò)程中因溫度梯度產(chǎn)生熱應(yīng)變和殘余應(yīng)力，影響成形過(guò)程。研究結(jié)果表明：翹曲、裂紋、熱應(yīng)力、表面粗糙、不希望有的顯微組織等問(wèn)題，主要是由于成形過(guò)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(xì)，有利于提高SLM成形件的機(jī)械性能。

    3、機(jī)械性能

    SLM成形件的機(jī)械性能主要包括強(qiáng)度、硬度、精度、表面粗糙度等。SLM成形件的彎曲強(qiáng)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(qiáng)度為630MPa，未經(jīng)任何處理的成形件表面粗糙度達(dá)Ra10-30μm。因SLM成形件的相對(duì)致密度未達(dá)到100%，所以抗彎強(qiáng)度等機(jī)械性能受到一定的影響。

    （六）選擇性激光熔化成形過(guò)程的數(shù)值模擬

    SLM成形過(guò)程是一個(gè)激光束熔化粉末、相變和凝固冶金結(jié)合的過(guò)程。在SLM成形過(guò)程中，粉末在極短（毫秒級(jí)）時(shí)間內(nèi)熔化，溫度梯度大，通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)量其溫度動(dòng)態(tài)過(guò)程比較困難。而通過(guò)有限元法模擬分析并揭示其成形過(guò)程，為制定合理的工藝參數(shù)、減少試驗(yàn)次數(shù)、成形高質(zhì)量零件提供重要的理論指導(dǎo)。

    （七） 選擇性激光熔化成形件的應(yīng)用

    SLM技術(shù)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(jié)構(gòu)零件、微型器件等。因此SLM技術(shù)在成形薄壁零件、超輕結(jié)構(gòu)零件方面的研究及應(yīng)用較多。

    （八） 選擇性激光熔化與熱等靜壓（SLM/HIP）復(fù)合成形技術(shù)

    SLM成形件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力且致密度仍有待提高，因此其機(jī)械性能受到影響。為提高成形件的綜合機(jī)械性能，可以采用SLM與熱等靜壓（hot isostatic pressing, HIP）復(fù)合成形技術(shù)。但是這種針對(duì)金屬粉末的SLS技術(shù)與HIP技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合成形技術(shù)還不成熟，這是因?yàn)镾LS技術(shù)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(shù)直接成形致密金屬外殼替代包套，從而實(shí)現(xiàn)SLM與HIP的復(fù)合成形技術(shù)，為3D打印技術(shù)的應(yīng)用提供新的發(fā)展思路。

    三、選擇性激光熔化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)

    通過(guò)以上的分析，SLM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

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

    （2）適合各種復(fù)雜形狀的工件, 尤其適合內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)( 如空腔、三維網(wǎng)格) 、用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法無(wú)法制造的復(fù)雜工件。

    （3）能得到具有非平衡態(tài)過(guò)飽和固溶體及均勻細(xì)小金相組織的實(shí)體，致密度幾乎能達(dá)到100%，SLM零件機(jī)械性能與鍛造工藝所得相當(dāng)。

    （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(lái)的金屬零件具有很高的尺寸精度( 達(dá)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(diǎn)的金屬，使得用單一成分的金屬粉末來(lái)制造零件成為可能，而且可供選用的金屬粉末種類(lèi)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(yīng)用廣泛的組織均勻的高溫合金零件復(fù)雜件加工難的問(wèn)題。還能解決生物醫(yī)學(xué)上組分連續(xù)變化的梯度功能材料的加工。

    由于SLM技術(shù)具有以上的優(yōu)點(diǎn)，它具有廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用范圍，如：機(jī)械領(lǐng)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(lǐng)域的生物植入零件或替代零件（齒、脊椎骨）、電子領(lǐng)域的散熱器件、航空航天領(lǐng)域的超輕結(jié)構(gòu)件、梯度功能復(fù)合材料零件。

    特別是在航空航天領(lǐng)域，是典型的多品種小批量的生產(chǎn)過(guò)程，尤其是在研發(fā)階段。這方面SLM技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。有些復(fù)雜的工件，采用機(jī)加工不但費(fèi)時(shí)，而且材料浪費(fèi)嚴(yán)重，復(fù)雜結(jié)構(gòu)甚至無(wú)法制造；鑄造能解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fù)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(zhuān)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(fù)雜工件，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段可以大大縮短樣件的加工生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。我國(guó)正在全力推進(jìn)大飛機(jī)的研發(fā)工作，SLM技術(shù)將可以在其中發(fā)揮巨大的作用。

    由此可知，SLM技術(shù)代表快速制造領(lǐng)域的發(fā)展方向，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供更加快捷的途徑，從而加快產(chǎn)品的市場(chǎng)響應(yīng)速度，更新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念、生產(chǎn)周期。

但是，由于巨大的市場(chǎng)價(jià)值與商業(yè)機(jī)密，目前SLM技術(shù)的發(fā)展與推廣還存在一些問(wèn)題。主要是SLM設(shè)備十分昂貴，并且工作效率低，并且由于大工作臺(tái)范圍內(nèi)的預(yù)熱溫度場(chǎng)難以控制，工藝軟件不完善，制件翹曲變形大，因而無(wú)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(wèn)題，研發(fā)出可靠性和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平、價(jià)格低廉、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SLM設(shè)備、成形材料和配套的工藝路線等，才能在我國(guó)推廣這項(xiàng)技術(shù)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

作者：華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  周剛