金属零件激光选区熔化3D打印装备与技术

关于金属3D打印技术的综述文章

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 Di

School of Mechanical &Automotive Engineering, South China University of Technology,

Guangzhou 510640, China

Abstract: 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

[4-5]属激光烧结成型（Direct Metal Laser Sintering, DMLS）、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

基金项目：2013国家自然科学基金（No. 51275179）;广东省自然科学基金（No. S2012040007516） 作者简介：杨永强（1961- ），男，教授，研究方向为激光加工及快速成型制造。 *通讯联系人：杨永强 E-mail: meyqyang@http://doc.guandang.net

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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300－500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20－50微米，表面粗糙度达20－30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

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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

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在设备中的具体成型过程如图1 …… 此处隐藏：10661字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……