SLM激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術詳解

SLM激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術詳解激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術（Selectivelasermelting,SLM）和EBSM/EBM(電子束熔融金屬3D打印技術)有著類似的技術原理，都是使用激光照射預先鋪展好的金屬粉末，即金屬零件成型完畢后將完全被粉末覆蓋，兩者的區(qū)別是熱源不同。激光選區(qū)熔化技術采用精細聚焦光斑快速熔化300－500目的預置粉末材料，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結合的功能零件。致密度可達到近乎100%，尺寸精度達20－50微米，表面粗糙度達20－30微米，是一種極具發(fā)展前景的快速成型技術，而且其應用范圍已拓展到航空航天、醫(yī)療、汽車、模具等領域。技術原理SLM設備一般由光路單元、機械單元、控制單元、工藝軟件和保護氣密封單元幾個部分組成。光路單元主要包括光纖激光器、擴束鏡、反射鏡、掃描振鏡和F-?聚焦透鏡等。激光器是SLM設備中最核心的組成部分，直接決定了整個設備的成型質(zhì)量。SLM設備所采用的光纖激光器，轉(zhuǎn)換效率高、性能可靠、壽命長、光束模式接近基模等，優(yōu)勢明顯。高質(zhì)量的激光束能被聚集成極細微的光束，并且其輸出波長短。擴束鏡的作用是是擴大光束直徑，減小光束發(fā)散角，減小能量損耗。掃描振鏡由計算機進行控制的電機驅(qū)動，作用是將激光光斑精確定位在加工面的任一位置。通常使用專用平場F-?掃描透鏡來避免出現(xiàn)掃描振鏡單元的畸變，達到聚焦光斑在掃描范圍內(nèi)得到一致的聚焦特性。機械單元主要包括鋪粉裝置、成型缸、粉料缸、成型室密封設備等。鋪粉質(zhì)量是影響SLM成型質(zhì)量的關鍵因素，目前SLM設備中主要有鋪粉刷和鋪粉滾筒兩大類鋪粉裝置。成型缸與粉料缸由電機控制，電機控制的精度也決定了SLM的成型精度。控制系統(tǒng)包括激光束掃描控制和設備控制系統(tǒng)兩大部分。激光束掃描控制是計算機通過控制卡向掃描振鏡發(fā)出控制信號，控制X/Y掃描鏡運動以實現(xiàn)激光掃描。設備控制系統(tǒng)完成對零件的加工操作。主要包括以下功能：系統(tǒng)初始化、狀態(tài)信息處理、故障診斷和人機交互功能；對電機系統(tǒng)進行各種控制，提供了對成型活塞、供粉活塞、鋪粉滾筒的運動控制；對掃描振鏡控制，設置掃描振鏡的運動速度和掃描延時等；設置自動成型設備的各種參數(shù)，如調(diào)整激光功率，成型缸、鋪粉缸上升下降參數(shù)等。提供對成型設備五個電機的協(xié)調(diào)控制，完成對零件的加工操作。SLM金屬3D打印設備的運作過程，和3D打印技術也類似。在已有的3D模型切片數(shù)據(jù)的輪廓數(shù)據(jù)基礎上，生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。激光束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成型缸的基板上，激光束再按當前層的填充輪廓線選區(qū)熔化基板上的粉末，加工出當前層，然后成型缸下降一個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當前層上鋪好金屬粉末。設備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應。SLM技術繼承了3D打印技術的優(yōu)勢，但也有著不少劣勢，包括：由于激光器功率和掃描振鏡偏轉(zhuǎn)角度的限制，SLM設備能夠成型的零件尺寸范圍有限；由于使用到高功率的激光器以及高質(zhì)量的光學設備，機器制造成本高，目前國外設備售價在500萬以上；由于使用了粉末材料，成型件表面質(zhì)量差，產(chǎn)品需要進行二次加工，才能用于后續(xù)的工作；加工過程中，容易出現(xiàn)球化和翹曲；典型企業(yè)德國EOS公司成立于1989年，全稱是“EOSGmbHElectroOpticalsystems”，由Dr.HansLanger和Dr.HansSteinbichler合伙建立，他們合伙發(fā)明了基于SLS和SLA的快速成型RP（RapidPrototyping）和增量制造AM（AdditiveManufactuing）技術。經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展，德國EOS已經(jīng)成為歐洲最大的3D打印設備研發(fā)和制造企業(yè)，也是全球少數(shù)的掌握SLA/SLM/FDM/SLS/DMLS等多項3D打印核心技術的企業(yè)之一。2011年EOS銷售收入1.25億美金，有350多名雇員，全球30多個國家安裝了1100套系統(tǒng)，這和3DSystems和Stratasys公司當年的規(guī)模相當。EOSM290是全球裝機量最大的金屬3D打印機，采用直接粉末燒結成型技術，利用紅外激光器對各種金屬材料，如模具鋼、鈦合金、鋁合金以及CoCrMo合金、鐵鎳合金等粉末材料直接燒結成型。德國ReaLizerReaLizer2004年正式成立，注冊專利為選擇性激光熔融——SelectiveLaserMelting（SLM?），公司主要產(chǎn)品：SLM50桌面型金屬3D打印機，以及SLM100、SLM250、SLM300等型號的工業(yè)級3D金屬打印機。Realizer公司旗下的SLM設備，可生產(chǎn)成型致密度均接近100%的零件，尺寸精度、表面粗糙度均為業(yè)內(nèi)最高水平，并且可實現(xiàn)全自動制造，可日夜工作，有很高的制造效率。Realizer的SLM設備目前在金屬模具制造、輕量化金屬零件制造、多孔結構制造和醫(yī)學植入體領域有較為成熟的應用可使用材料：鐵粉、鈦、鋁合金、鈷鉻合金、不銹鋼以及其他定制材料德國ConceptLaser公司德國ConceptLaser公司是Hofmann集團的成員之一，是世界上主要的金屬激光熔鑄設備生產(chǎn)廠家之一。公司50年來豐富的工業(yè)領域經(jīng)驗，為生產(chǎn)高精度金屬熔鑄設備夯實了基礎。ConceptLaser公司目前已經(jīng)開發(fā)了四代金屬零件激光直接成型設備：M1、M2、M3和Mlab。其成型設備比較獨特的一點是它并沒有采用振鏡掃描技術，而使用x/y軸數(shù)控系統(tǒng)帶動激光頭行走，所以其成型零件范圍不受振鏡掃描范圍的限制，成型尺寸大，但成型精度同樣達到50微米以內(nèi)。以ConceptLaser公司的X系列1000R設備為例，構建尺寸能達到630x400x500mm，該系統(tǒng)的核心部件是ILT開發(fā)的1000瓦激光光學系統(tǒng)，也較其他SLM金屬3D打印機有很大的提升（EOS設備激光器功率為200-400瓦）。德國企業(yè)在SLM技術領域有著明顯的優(yōu)勢，當然還有不少優(yōu)秀的企業(yè)，例如英國的雷尼紹公司等，均在推動SLM的進步和革新。下面的表格列舉了常見的SLM金屬3D打印機的詳細參數(shù)，供參考。我國的SLM技術研究也具有相當長的時