楊永強*，劉睿誠，王迪
（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州，510640）
摘要：3D 打印技術(shù)正在快速改變我們傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化、定制化為特點的3D打印制造技術(shù)被外界認為將推動第三次工業(yè)革命。激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective laser melting, SLM）是金屬零件3D打印技術(shù)的典型代表。本文以激光選區(qū)熔化技術(shù)為例概括介紹了金屬3D打印設(shè)備與技術(shù)，包括SLM設(shè)備的基本構(gòu)成和成型原理，對比了國內(nèi)外的SLM設(shè)備參數(shù)，闡述了SLM設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，并對SLM設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展進行了展望。
1 前言
隨著科學技術(shù)日新月異的進步，機械加工行業(yè)不斷發(fā)展。而快速成型技術(shù)，尤其是激光3D打印技術(shù)在機械加工行業(yè)中起到了越來越大的作用，并漸漸在制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，成為了如今機械制造業(yè)中不可或缺的一部分。3D 打印技術(shù)正在快速改變我們傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，不少專家認為，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化、定制化為特點的3D打印制造技術(shù)將推動第三次工業(yè)革命[1-3]。
金屬零件3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。按照金屬粉末的添置方式將金屬3D打印技術(shù)分為三類：（1）使用激光照射預(yù)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。這種方法目前被設(shè)備廠家及各科研院所廣泛采用，包括直接金屬激光燒結(jié)成型（Direct Metal Laser Sintering, DMLS）[4-5]、激光選區(qū)熔化（Selective laser melting, SLM）[6]和LC（Laser Cusing）[7] 等；（2）使用激光照射噴嘴輸送的粉末流，激光與輸送粉末同時工作（Laser Engineered Net Shaping，LENS）[8]。該方法目前在國內(nèi)使用比較多；（3）采用電子束熔化預(yù)先鋪展好的金屬粉末（Electron Beam Melting, EBM）[9]，此方法與第1類原理相似，只是采用熱源不同。
激光選區(qū)熔化技術(shù)是金屬3D打印領(lǐng)域的重要部分，其采用精細聚焦光斑快速熔化300－500目的預(yù)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(jié)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(shù)[4]，而且其應(yīng)用范圍已拓展到航空航天、醫(yī)療、汽車、模具等領(lǐng)域。
目前SLM設(shè)備的研究和開發(fā)也成為了國內(nèi)外快速成型領(lǐng)域的熱點。本文對SLM設(shè)備的組成和成型原理進行了一個概述性的介紹，對比了國內(nèi)外SLM設(shè)備的參數(shù)，并對SLM設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展進行了展望。
2 SLM技術(shù)的原理和設(shè)備組成
2.1 SLM成型設(shè)備
SLM設(shè)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-Ө聚焦透鏡等。激光器是SLM設(shè)備中最核心的組成部分，直接決定了整個設(shè)備的成型質(zhì)量。近年來幾乎所有的SLM設(shè)備都采用光纖激光器，因光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、性能可靠、壽命長、光束模式接近基模等優(yōu)點。由于激光光束質(zhì)量很好，激光束能被聚集成極細微的光束，并且其輸出波長短，因而光纖激光器在精密金屬零件的激光選區(qū)熔化快速成型中有著極為明顯的優(yōu)勢。擴束鏡是對光束質(zhì)量調(diào)整必不可少的光學部件，光路中采用擴束鏡是為了擴大光束直徑，減小光束發(fā)散角，減小能量損耗。掃描振鏡由電機驅(qū)動，通過計算機進行控制，可以使激光光斑精確定位在加工面的任一位置。為了克服掃描振鏡單元的畸變，須用專用平場F-Ө掃描透鏡，使得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(shè)備等。鋪粉質(zhì)量是影響SLM成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素，目前SLM設(shè)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)由計算機和多塊控制卡組成，激光束掃描控制是由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(shè)備控制系統(tǒng)完成對零件的加工操作。主要包括以下功能：（1）系統(tǒng)初始化、狀態(tài)信息處理、故障診斷和人機交互功能；（2）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；（3）對掃描振鏡控制，設(shè)置掃描振鏡的運動速度和掃描延時等；（4）設(shè)置自動成型設(shè)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。（5）提供對成型設(shè)備五個電機的協(xié)調(diào)控制，完成對零件的加工操作。
根據(jù)SLM工藝的需要，其所涉及的專業(yè)軟件主要有三類：切片軟件、掃描路徑生成軟件和設(shè)備控制軟件。切片軟件實施的切片處理是快速成形軟件的關(guān)鍵內(nèi)容之一，其功能是將零件的三維CAD模型轉(zhuǎn)化成二維的切片模型，得到一層層的截面輪廓數(shù)據(jù)。在SLM工藝中，最基本的操作是控制激光進行掃描。由于分層得到的截面信息是輪廓數(shù)據(jù)，需要進行內(nèi)部填充。掃描路徑生成軟件的功能就是由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑。總控軟件主要對成型過程進行控制，顯示加工狀態(tài)，進而實現(xiàn)人機交互。
2.2 SLM成型原理
SLM技術(shù)的基本原理是：先在計算機上利用pro/e、UG、CATIA等三維造型軟件設(shè)計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設(shè)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。
圖1 SLM成型原理圖
在設(shè)備中的具體成型過程如圖1所示：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(shè)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(yīng)。
3 國內(nèi)外SLM設(shè)備現(xiàn)狀和技術(shù)對比
世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家成熟的SLM設(shè)備制造商，包括德國EOS公司（EOSING M270及其M280）[5]，德國ReaLizer公司[10]，SLM Solutions公司[12]，Concept laser 公司（M Cusing系列）[7]，美國3D公司（Sinterstation系列）[11] ，Renishaw PLC公司（AM系列）[12]和Phenix systems公司[12]等。上述廠家都開發(fā)出了不同型號的機型，包括不同的零件成型范圍和針對不同領(lǐng)域的定制機型等，以適應(yīng)市場的個性化需求。雖然各個廠家SLM設(shè)備的成型原理基本相同，但是不同設(shè)備之間的參數(shù)還是有很大的不同，表1是對國外不同SLM設(shè)備的對比：
表1 國外SLM設(shè)備各個參數(shù)對比[5-13]
|
廠家 |
設(shè)備名稱 |
典型材料 |
能量源 |
成型件范圍(mm) |
鋪粉裝置 |
層厚
(µm) |
光學系統(tǒng) |
聚焦光斑直徑(µm) |
最大掃描速度(m/s) |
成型室內(nèi)環(huán)境 |
|
EOS |
EOSING M270 |
鐵基合金、銅合金、鈦合金等 |
200W fiber laser |
250×250×215 |
壓緊式鋪粉刷 |
30-100 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
100-500 |
5 |
預(yù)熱+真空 |
|
EOSING M280 |
200W/400W fiber laser |
250×250×325 |
30-60 |
60-300 |
7 |
預(yù)熱+真空 |
|
ReaLizer |
SLM 100 |
不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金等 |
50W fiber laser |
Φ125×100 |
柔性鋪粉刷 |
20-50 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
30-50 |
5 |
無預(yù)熱+真空 |
|
SLM 250 |
200W fiber laser |
250×250×300 |
20-50 |
50-100 |
5 |
無預(yù)熱+真空 |
|
SLM 300 |
200W/400W fiber laser |
300×300×300 |
20-100 |
70-200 |
5 |
無預(yù)熱+真空 |
|
Concept laser |
M1 |
不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金等 |
50W fiber laser |
120×120×120 |
壓緊式鋪粉刷 |
20-50 |
F-Ө聚焦鏡+數(shù)控激光頭移動 |
30-50 |
5 |
無預(yù)熱+無真空 |
|
M2 |
200W fiber laser |
250×250×280 |
20-50 |
50-200 |
5 |
無預(yù)熱+無真空 |
|
M3 |
200W fiber laser |
300×350×300 |
20-50 |
70-300 |
7 |
無預(yù)熱+真空 |
|
Mlab |
100w/50w fiber laser |
90×90×80 |
20-50 |
20-80 |
7 |
無預(yù)熱+無真空 |
|
SLM solutions |
SLM 250HL |
不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金、銅合金等 |
200W fiber laser |
250×250×250 |
壓緊式鋪粉刷 |
30-100 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
70-300 |
5 |
無預(yù)熱+真空 |
|
SLM 280HL |
400w/1000w fiber laser |
280×280×350 |
30-300 |
70-200 |
5 |
無預(yù)熱+真空 |
|
3D Systems |
sPro 125 |
不銹鋼、鈦合金等 |
100W fiber laser |
150×150×150 |
柔性鋪粉刷 |
50-100 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
70-200 |
7 |
無預(yù)熱+真空 |
|
sPro 250 |
200W fiber laser |
250×250×300 |
50-200 |
50-150 |
7 |
無預(yù)熱+真空 |
|
Renishaw PLC |
AM125 |
不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金 |
100W fiber laser |
125×125×125 |
壓緊式鋪粉滾筒 |
30-100 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
70-100 |
5 |
無預(yù)熱+真空 |
|
AM250 |
200W /400W fiber laser |
250×250×300 |
30-100 |
70-100 |
5 |
無預(yù)熱+真空 |
|
Phenix systems |
PXL |
不銹鋼、鈦合金等 |
200W fiber laser |
250×250×300 |
柔性鋪粉刷 |
20-50 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
50-100 |
7 |
無預(yù)熱+真空 |
EOS是一家較早進行激光成型設(shè)備開發(fā)和生產(chǎn)的公司，其生產(chǎn)的SLM設(shè)備具有世界領(lǐng)先的技術(shù)。圖2所示是EOS生產(chǎn)的SLM設(shè)備EOSING M270，如上表所示，該設(shè)備的各種參數(shù)都具有很大的優(yōu)勢。
EOSING M270設(shè)備成型的金屬零件致密度可以達到近乎100%，尺寸精度在20-80μm，表面粗糙度Ra在15-40μm，能夠成型的最小壁厚是0.3-0.4mm。EOS公司將該設(shè)備應(yīng)用在牙橋牙冠的批量生產(chǎn)中，目前成型工藝已經(jīng)很成熟，一次成型牙冠可以達到500個[5]。
德國的Realizer公司一直致力于SLM設(shè)備的研究和開發(fā)，到目前已經(jīng)開發(fā)出成熟的商品化SLM設(shè)備，包括SLM 100、SLM 250和SLM 300三種機型。圖4所示是SLM 250的外觀：
其中SLM 250可成型致密度近乎100%的金屬零件，尺寸精度為20-100μm，表面粗糙度Ra達到10-15μm，還可以成型壁厚小于0.1mm的薄壁零件。而且SLM 250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(shè)備目前在金屬模具制造、輕量化金屬零件制造、多孔結(jié)構(gòu)制造和醫(yī)學植入體領(lǐng)域有較為成熟的應(yīng)用[10]。圖5所示的就是SLM 250設(shè)備制造的鈦合金醫(yī)學植入體：
德國Concept Laser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(shè)備生產(chǎn)廠家之一。公司50年來豐富的工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)驗，為生產(chǎn)高精度金屬熔鑄設(shè)備夯實了基礎(chǔ)。Concept Laser公司目前已經(jīng)開發(fā)了四代金屬零件激光直接成型設(shè)備：M1、M2、M3和Mlab。其成型設(shè)備比較獨特的一點是它并沒有采用振鏡掃描技術(shù)，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，成型精度同樣達到50微米以內(nèi)[14]。圖6是M3設(shè)備的外形圖：
其中Concept Laser公司的M3設(shè)備可以成型致密度近乎100%的金屬零件，尺寸精度在20-100μm，表面粗糙度Ra在10-15μm，可成型的最小壁厚在0.3-0.4mm，而且該設(shè)備可成型的范圍較大，達到300×300×350mm。圖7是Concept Laser的SLM設(shè)備在精密金屬零件制造中的應(yīng)用：
美國3D System是一家實力很強、設(shè)備很齊全的3D打印設(shè)備公司，其中主要以光固化設(shè)備和SLS設(shè)備為主，成型材料為樹脂和高分子材料。目前也開發(fā)出了成型金屬材料的SLM設(shè)備：sPro 125和sPro 250，成型的材料包括不銹鋼、鈦合金等，成型件致密度能夠達到99%，表面粗糙度Ra在10-50μm[12]。
國內(nèi)的SLM領(lǐng)域，主要有華南理工大學[15-17]，華中科技大學[18-20]，南京航空航天大學 [21]，北京工業(yè)大學[22]和中北大學[23]等高校。每個單位的研究重點各有優(yōu)勢與不同。表2是對國內(nèi)SLM設(shè)備的參數(shù)對比：
表2 國內(nèi)SLM設(shè)備的參數(shù)對比[15-20]
|
機構(gòu) |
設(shè)備名稱 |
典型材料 |
能量源 |
成型件范圍(mm) |
鋪粉裝置 |
層厚
(µm) |
光學系統(tǒng) |
聚焦光斑直徑(µm) |
最大掃描速度(m/s) |
成型室內(nèi)環(huán)境 |
|
華南理工大學 |
DiMetal-240 |
不銹鋼與純鈦、鈦合金等、鈷鉻合金等 |
200W YAG |
240×240×250 |
壓緊式鋪粉滾筒 |
20-100 |
普通聚焦鏡+掃描振鏡 |
50-70 |
5 |
無預(yù)熱+無真空 |
|
DiMetal-280 |
200W fiber laser |
280×280×300 |
壓緊式鋪粉刷 |
20-100 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
50-70 |
5 |
|
DiMetal-100 |
200W fiber laser |
100×100×130 |
柔性鋪粉刷 |
20-100 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
20-60 |
7 |
|
華中科技大學 |
HRPM–Ⅰ |
不銹鋼與鈦合金等 |
150W YAG |
250×250×400 |
壓緊式鋪粉滾筒 |
50-100 |
三維振鏡動態(tài)聚焦 |
60-120 |
5 |
無預(yù)熱+無真空 |
|
HRPM–Ⅱ |
100W fiber laser |
250×250×400 |
壓緊式鋪粉滾筒 |
50-100 |
F-Ө聚焦鏡+掃描振鏡 |
50-80 |
5 |
華南理工大學激光加工實驗室分別于2004年、2007年研發(fā)了DiMetal-240、DiMetal-280，并于2012年開發(fā)了最新一款預(yù)商業(yè)化設(shè)備 DiMetal-100。
其中DiMetal-100能夠成型致密度近乎99%的金屬零件，表面粗糙度Ra在5μm-30μm之間，具有很高的尺寸精度。圖9所示是華南理工大學在探索SLM應(yīng)用過程中的典型實例[15-17]，其中每個例子的開發(fā)成功都具有良好的市場價值。
華中科技大學目前開發(fā)了兩套SLM設(shè)備：HRPM–Ⅰ系統(tǒng)和HRPM–Ⅱ系統(tǒng)。其中HRPM–Ⅰ系統(tǒng)采用150W的YAG激光器，光束質(zhì)量不夠理想；而且采用雙缸下送粉方式，設(shè)備體積龐大，制造成本高，送粉時間長，影響制件生產(chǎn)效率。而HRPM–Ⅱ系統(tǒng)采用 SPI 100 W 光纖激光器，采用雙缸下送粉方式，在超輕結(jié)構(gòu)復(fù)雜件的制備方面具有較強的優(yōu)勢[18-20]。
從以上對比中也可以發(fā)現(xiàn)，與國外的SLM設(shè)備相比，國內(nèi)的SLM設(shè)備還存在一定的差距，在成型精度和過程控制方面還需要改進。
4 SLM設(shè)備的展望
縱觀國內(nèi)外的SLM設(shè)備和應(yīng)用情況，SLM設(shè)備在以下的方面還需要不斷的改進和發(fā)展。
（1） 高性價比趨勢
SLM設(shè)備對于目前的機械加工業(yè)來說，是一個極大的創(chuàng)新和補充，但是SLM設(shè)備高昂的價格阻礙了它的推廣和應(yīng)用。國外SLM設(shè)備售價大概在500-700萬元人民幣，還不包括后續(xù)的材料使用費等，國內(nèi)的科研院所或者企業(yè)一般承擔不了如此高的成本。為了更好的推廣和發(fā)展，SLM設(shè)備必將不斷降低成本，向著一個高性價比的趨勢發(fā)展。
（2）成型大尺寸零件趨勢
目前由于激光器功率和掃描振鏡偏轉(zhuǎn)角度的限制，SLM設(shè)備能夠成型的零件尺寸范圍有限，這使得SLM設(shè)備無法成型較大尺寸的金屬零件，也限制了SLM技術(shù)的推廣應(yīng)用。目前國外的SLM設(shè)備廠家正在研發(fā)大尺寸零件的成型設(shè)備，如目前Concept Laser公司開發(fā)出的M3設(shè)備已經(jīng)能夠成型尺寸達到300×350×300mm的金屬零件。
（3）與傳統(tǒng)加工方法結(jié)合的趨勢
SLM技術(shù)雖然具有很多的優(yōu)勢，但它也有制造成本高，成型件表面質(zhì)量差等缺陷。因此若是能將SLM技術(shù)和傳統(tǒng)機加工方法結(jié)合起來，同時發(fā)揮二者的優(yōu)勢，將使制造技術(shù)提升一個臺階。目前日本Matsuura公司開發(fā)出了金屬光造型復(fù)合加工設(shè)備LUMEX Avance-25，該設(shè)備將金屬激光成型和高速、高精度的切削加工結(jié)合在一起，實現(xiàn)了復(fù)合加工技術(shù)。LUMEX Avance-25設(shè)備可在一臺裝置內(nèi)交替進行金屬激光成型和采用立銑刀的切削精加工。這樣，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)機加工方法相當?shù)某叽缇群捅砻娲植诙龋�能夠加工出傳統(tǒng)加工方法無法成型的復(fù)雜形狀零件。此外這種復(fù)合加工技術(shù)還能夠使制造周期大幅縮短，使一個金屬零件從設(shè)計到加工的工期縮短了61.5%。這種技術(shù)必然是今后SLM設(shè)備發(fā)展的一種趨勢[12]。
（4）訂制化、智能化趨勢
隨著各種部件不斷輕量化和集成化的發(fā)展，未來將出現(xiàn)訂制化的便攜式SLM設(shè)備。這些SLM設(shè)備將成為今后人們生產(chǎn)和工作中的實用工具，顛覆傳統(tǒng)制造方式，并改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/SPAN>
球化和翹曲是SLM成型過程中最主要的缺陷，為了克服這些缺陷，制造出高質(zhì)量的金屬成型件，未來的SLM設(shè)備需要具有智能化的過程控制功能。球化是由每一層粉末熔化時的微小缺陷累積而成，而每一層的成型質(zhì)量由工藝參數(shù)決定。因此如果能夠在SLM成型過程中實現(xiàn)智能實時監(jiān)控，在出現(xiàn)微小缺陷時就自動調(diào)整工藝參數(shù)消除缺陷，這樣就能避免成型缺陷，得到高質(zhì)量高精度的金屬零件。
5 結(jié)論
金屬零件3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。SLM設(shè)備一般由光路單元、機械單元、控制單元、工藝軟件、保護氣密封單元幾個部分組成。國內(nèi)外有多家科研機構(gòu)和廠家都開發(fā)出了較為先進的SLM設(shè)備，并且有了成熟的應(yīng)用。開發(fā)高效率、高性價比、大范圍和結(jié)合傳統(tǒng)機加工方法的SLM設(shè)備，是未來金屬3D打印的發(fā)展方向。
方圓激光www.blz520.com
2015-112701
|
當前位置：
