金属激光选区熔化(SLM)技术及设备概况

尚广庆，梁 伟

(1.苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104；2.西安铂力特激光成形技术有限公司 研发部，陕西 西安 710000)

增材制造技术也称3D打印技术，是通过微积分的概念，将三维实体模型数据离散成二维截面数据，再将二维截面数据在高度方向上扫描累积，最终形成三维实体零件。3D打印技术在航空航天、汽车、生物医疗等领域具有广阔的发展前景，被称之为“第三次工业革命”[1]。随着科学技术的不断进步，3D打印技术必将得到广泛的应用。

目前，金属零件的快速成形方法主要有间接激光烧结、直接激光烧结和液滴喷射沉积，其中直接激光烧结技术是目前快速制备致密金属零件的主要技术。基于金属粉末的激光选区熔化技术(selective laser melting，SLM)是直接成形金属构件的一种技术，其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部分组成[2]。本研究将介绍国内外基于金属粉末的激光选区熔化技术的最新技术及设备情况，将国内外的研究成果进行对比，并展望3D打印技术应用的前景。

1 SLM技术及设备的国内外发展概况

1.1 国外发展概况

目前，欧美等发达国家在激光选区熔化(SLM)设备的研发及商业化进程上处于世界领先地位。早在1995年，德国的Fraunhofer就提出SLM技术，并于2002年研制成功。随后，于2003年底，德国MCPHEK公司生产出第一台SLM机器，利用该机器加工出来的工件致密度达到了100%，可以直接应用于工业领域。德国的EOS公司[3]是目前全球最大，也是技术最为领先的激光粉末熔化增材制造成形系统的制造商。该公司最新推出的EOSINT M290激光烧结系统，采用的是Yb-fibre激光发射器，具有高效能、长寿命，光学系统精准度高的特点，可成形尺寸为250 mm×250 mm×325 mm。德国的3D systems推出的sPro-250 SLM商用化3D打印机可以打印长320 mm的金属零件，打印出的零件表面光洁，误差很小。

2015年，英国RENISHAW公司发布了两款金属3D打印设备，其中RenAM 500M成形尺寸最大，为250 mm×250 mm×350 mm，并且拥有多种功能，包括一个带动态调焦的光学系统、自动粉末筛分和再循环系统、19英尺触摸屏界面和500 W光纤激光器；另一款AM400的构建尺寸为250 mm×250 mm×300 mm，具有一个更大的筛选器和改进的光学控制软件，以及一个新的400 W光学系统，可以将激光直径减少至70 μm。国外各大公司商用化SLM设备的主要参数见表1。

表1 国外各大公司商用化SLM设备的主要参数

为了进一步满足航空航天大尺寸构件的激光选区熔化增材制造以及提高SLM技术的沉积效率，国外激光选区熔化增材制造设备开始向大成形缸尺寸、高功率方向发展。2012年11月，德国SLMSolutions公司采用两台激光器/两台扫描振镜组成激光选区熔化增材制造成形系统。设备成形缸的尺寸为500 mm×280 mm×325 mm。这两台激光扫描装置可以单独工作，也可以同时工作。2013年底，德国EOS推出基于单台1 000 W激光器、成形缸尺寸400 mm×400 mm×400 mm的M400型激光选区熔化增材设备。2016年，EOS又推出了EOS M400-4型大尺寸多光束选区融化增材设备。该设备安装了超快的四激光系统，每个激光器功率为400 W，有独立的250 mm×250 mm构建区域，区域间有50 mm重叠。该设备将成形效率足足提升了四倍。2014年，德国Concept Laser推出大型X系列机型1000R，可成形尺寸为630 mm×400 mm×500 mm。2015年，该公司又推出了X line 2000R型大尺寸多光束3D打印设备。该设备其最大打印尺寸为800 mm×400 mm×500 mm，采用双激光系统，其中每个激光器的功能高达1 000 W。2015年，荷兰Additive Industries(AI)公司推出了其首款金属3D打印机Metal FAB1。该设备长达8 m，产能是同类型机器的10倍。同时该设备还集成了后处理等功能，最大成形尺寸为420 mm×420 mm×400 mm。德国RATC公司推出的ProX 400金属3D打印机，采用双激光系统和模块设计，加快了工业级金属3D打印的速度，最大成形尺寸为500 mm ×500 mm×500 mm。

在金属3D打印设备发展的过程中，过程质量监控是当前金属材料3D打印设备发展的一个必然趋势和研究热点。国外众多3D设备生产商都把过程监测和质量控制的最新技术增加到最新开发设备中，并作为一个重要的技术卖点。例如，EOS开发的EOSTATE模块，Arcam开发的LayerQam，分别具备对成形过程中熔池和气孔进行监测的功能。目前国外具有质量监控功能的3D打印设备如表2所示。

表2 国外具有质量监控的3D打印设备

1.2 国内发展状况

自20世纪90年代初，在国家科技部等多部门的持续支持下，西北工业大学、华中科技大学、清华大学、西安交通大学、华南理工大学、北京航空航天大学、重庆大学等高校，开始从事激光选区熔化(SLM)技术的研究开发，目前还处于实验研究与小批量工程试验阶段。西安交通大学侧重于高分子材料的增材制造技术，在模具等行业具有一定的应用市场。清华大学把快速成形技术转移到企业武汉华科太尔时代后，把研究重点放在生物制造领域。西北工业大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学等高校主要从事SLM设备与工艺技术的研发，到2000年，初步实现的产业化设备，已接近国外产品水平，改变了该类设备早期依赖进口的局面。在国家和地方政府的支持下，全国建立有多个3D打印服务中心，设备用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业，极大地推动了我国制造技术的发展[4-6]。

2006年，华南理工大学联合几家单位开发了一套SLM快速成形设备。2014年，又在前期的基础上加以改进，研制出Di-Metal 100型设备。该设备采用SPI连续式200 W光纤激光器(波长为1 075 nm)，光斑直径为50～70 μm，最大成形尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。华中科技大学研发的HRPM-Ⅱ型设备，采用100 W连续模式光纤激光器，二维振镜聚焦，激光定位精度0.02 mm，最大扫描速度5 m/s，成形速度≥7 000 mm3/h，最大成形尺寸为250 mm×250 mm×400 mm。武汉光电国家实验室也自主研发了SLM设备，并对该设备的铺粉装置、运动控制系统、总体集成技术等进行了深入研究，其设备能实现与德国EOS公司设备相对应的功能，且在价格方面具有优势，已经在航天企业中获得了应用。

2016年，华中科技大学和武汉新瑞达激光工程有限责任公司，共同完成一款SLM成形多光束快速成形设备。该设备采用4台500 W光纤激光器，4台振镜分区扫描成形，最大成形尺寸为500 mm×500 mm×530 mm。

随着3D打印产业的发展，西安铂力特激光成形技术有限公司、华曙高科、北京隆源、武汉滨湖机电、交大恒通、武汉华科太尔时代、先临三维、广州信达雅等一批企业也随之产生。在高校前期技术理论的支撑及企业自主研发前提下，以西安铂力特激光成形技术有限公司为代表的金属3D产业新业态企业已经成为国内金属3D打印领域的龙头企业。该公司在多光束耦合加工方面，拥有丰富的设备研发、工艺调试和零件加工经验。通过自主研发，西安铂力特激光成形技术有限公司已经形成了系列化SLM金属3D打印装备，如S600型、S320型、S300型和S200型等。S600型激光选区熔化金属3D打印设备均采用四光束耦合加工方法，使得成形效率提升150%，最大成形尺寸为600 mm×600 mm×600 mm。S320型采用双光束耦合加工方法，成形效率提升50%，最大成形尺寸250 mm×320 mm×400 mm(耦合区为250 mm×125 mm)。S300型激光选区熔化金属3D打印设备采用双向铺粉，提高铺粉效率30%，可制备最大成形尺寸250 mm×250 mm×400 mm的产品[7]。

2014年，武汉华科三维科技有限公司推出了HK各系列设备。该类设备材料利用率超过了90%，特别适合于钛合金、镍合金等贵重和难加工金属零部件，其中HK M250采用Fiber laser 400 W激光器，可成形尺寸为250 mm×250 mm×250 mm。

2015年，湖南华曙高科技有限公司研发了全球首款开源可定制化的金属3D打印机FS271M。该产品具有两大特点：一是控制系统开源，二是设备的安全性。2016年，该公司针对高校、研究院所及医疗行业开发了FS121M金属3D打印机。该打印机拥有全开放式系统，成形尺寸为120 mm×120 mm×100 mm，可实现多种金属材料的打印。

然而，国内却只有很少的机构对质量监控进行研究并实现商用。目前，仅有西安铂力特激光成形技术有限公司开展质量监控的研究工作，并取得一定成果。更可喜的是，所取得的研究成果可以与国外的EOS、3D systems、RENISHAW等机构并驾齐驱。

2 国内外SLM技术对比

在3D打印技术方面，美国和欧洲起步最早，其他国家和地区普遍起步于20世纪90年代中后期。3D打印最初的四项技术均源自美国，欧洲设备厂商在金属3D打印领域技术领先。美国和欧洲企业在全球3D打印行业处于领导地位，且在产业化方面优势明显，3D 打印产业链上下游公司多为欧美企业。日本早在1988年就研制出光固化设备，后来因为设备价格下降，很多厂商退出了市场；但近年来日本企业也在向金属3D打印领域发展。国内外从事SLM主要机构的研究成果和应用如表3所示。

表3 国内外SLM主要机构的研究成果和应用

与国外的SLM设备相比，中国在技术方面起步并不算晚，但在产业化方面相对落后，设备在稳定性、成形精度等方面与国外还存在一定的差距。具体表现为以下三个方面：

1) 在设备控制软件(MCS)方面，国外激光选区成形设备控制软件起步较国内相关开发工作早将近10年，拥有丰富的激光选区成形设备控制软件管理、开发、调试、使用的经验。国外控制软件除了拥有基础设备控制功能之外，还拥有其他一些更高级并且好用的功能。而国内所开发的控制软件，目前普遍只实现了一些基础设备控制功能，并未对其他功能进行深度挖掘和开发。因此，相比而言，国外MCS软件比国内系统稳定性、可操作性和可维护性要更好一些。

2) 在设备质量监控方面，国内质量监控机制在稳定性、准确率和实时性上，与国外的SLM过程质量监控相比，存在较大的差距。目前国内外厂家对于选区熔化成形设备除了个别国外厂家做了环境监测功能之外，几乎没有厂家依据检测数据分析设备运行状态，对设备运行控制。

3) 在多光束耦合控制方面，国外多光束耦合设备已经批产并投放市场，其拥有多年的多光束耦合控制和使用经验。目前，国内虽有几家公司在研究多光束耦合控制研究，但设备均处在工程样机试验阶段，仍存在不少问题，未能正式发布并实现批量化生产。

3 结论

1) 由于采用SLM技术的金属3D打印设备存在打印效率低、打印尺寸小以及加工过程缺乏质量监控等技术方面的缺陷。目前，金属3D打印技术在推广应用方面存在一定的局限性[8-10]。具有前沿性、先导性的3D打印技术能否真正在各领域中得到广泛应用，技术发展的路依旧还比较长。

2) 3D打印技术的突破性发展，不仅要依靠技术的进步，更需要一批具有增材制造思维的人群。在3D打印技术和应用不断发展的今天，在第三次工业革命和中国制造2025的大背景下，需要对产品设计、研发、制造、销售、物流、维修乃至企业价值链进行重新审视。因为3D打印技术要和行业进行完美的融合，要求这些人具有自由设计思维、大批定制思维、集成部件思维、技术补充思维、需求激活思维、平台服务思维、协同创新思维等七个层面的3D打印应用思维方式。伴随着3D打印技术的进一步发展以及具有增材制造思维模式的人群增长，金属3D打印技术的应用前景依然是美好而光明的[9]。