3D打印金属技术SLM 权威解读

【编者按】SLM/DMLS成型过程原理与SLS基本相同。DMLS技术使用材料多为不同金属组成的混合物，各成分在烧结过程中相互补偿，有利于保证制作精度。为了保证金属粉末材料的快速熔化，SLM技术需要高功率密度激光器，光斑聚焦到几十μm到几百μm。SLM技术目前最常使用光束模式优良的光纤激光器的激光功率在50w以上，功率密度达5×106W/cm2以上。

SLM是极具发展前景的金属零件3D打印技术。SLM成型材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵重金属等。激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件。其应用范围已经扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。SLM成型过程中的主要缺陷有球化、翘曲变形。

国内外对SLM技术研究热情较高。国外对SLM工艺进行开展研究的国家主要集中在德国、英国、日本、法国等。其中，德国是从事SLM技术研究最早与最深入的国家。第一台SLM系统是1999年由德国Fockele和Schwarze（F&S）与德国弗朗霍夫研究所一起研发的基于不锈钢粉末SLM成型设备。目前国外已有多家SLM设备制造商，例如德国EOS公司、SLMSolutions公司和ConceptLaser公司。华南理工大学于2003年开发出国内的第一套选区激光熔化设备DiMet?al-240，并于2007年开发出DiMetal-280，2012年开发出DiMetal-100，其中DiMetal-100设备已经入预商业化阶段。

LENS采用激光和粉末输送同时工作原理。计算机将零件的三维CAD模型分层切片，得到零件的二维平面轮廓数据，这些数据又转化为数控工作台的运动轨迹。同时金属粉末以一定的供粉速度送入激光聚焦区域内，快速熔化凝固，通过点、线、面的层层叠加，最后得到近净形的零件实体，成形件不需要或者只需少量加工即可使用。LENS可实现金属零件的无模制造，节约大量成本。

LENS技术适合于钛合金等高强度金属件加工。20世纪90年代中期，UTC与美国桑地亚国家实验室合作开发了使用Nd:YAG固体激光器和同步粉末输送系统的LENS技术，使RP进入了激光近形制造的崭新阶段。1998年以来，Optomec公司致力于LENS技术的商业开发，近来推出了第三代成形机LENS850-R设备。在国内西北工业大学研究的激光立体成型、北京航空航天大学采用此方法成型大型钛合金件，在航空航天等重要工业领域迅速发展。

EBM与SLM/DMLS成型原理相似，差别在热源不同。EBM技术成型室必须为高真空，才能保证设备正常工作。因使用电子束作为热源，金属材料对其几乎没有反射，多以能量吸收率大幅提高。在真空环境下，材料熔化后的润湿性也大大提高，增加了熔池之间、层与层之间的冶金结合强度。EBM技术需要将系统预热到＞800℃，使得粉末在成型室内预先烧结固化在一起。

瑞典ArcamAB是EBM技术主要参与者。EBM技术是20世纪90年代中期发展起来的，瑞典的ArcamAB公司研发了商品化的EBSM设备EBMS12系列，而国内对EBSM工艺的研究相对较晚。Acram的设备在航空航天零件加工领域得到了广泛应用。

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