激光快速成型（LaserRapidPrototyping，LRP）技術是近20年來製造技術的一項重大突破。該技術是一種涉及（jí）多門（mén）學科的新型綜合製造技術，其對（duì）製造業（yè）的影響力可與20世紀五（wǔ）六十年代的數控機床相比。金屬零件快速製造技術代表了RP技術的***新發展方向。
國外對（duì）RM的理論與（yǔ）工藝（yì）研究（jiū）也相對成熟，而且在近幾年已有多家公司推出商品化的設備。而國內主要是對基礎工藝（yì）的（de）研究，主要研（yán）究單位包括西北工業大學、北京（jīng）航空航天大學、華（huá）南（nán）理工大學、華中科技大學、南京（jīng）航空航天大學、清（qīng）華大學等。RM技術***大的優勢（shì）是其不需要模（mó）具或工具加工（gōng），直接（jiē）獲得（dé）需求的功能零（líng）件。雖然（rán）快速製造（RapidManufacturing,RM）技術在材料（liào）選擇、設計自由性、以及研（yán）發成（chéng）本控製等（děng）方麵具有很大的競（jìng）爭優勢，但由（yóu）於RM技術在國內市場上剛剛出現並（bìng）且（qiě）關鍵（jiàn）技術（shù）不成熟，還沒有（yǒu）被市場普遍接受。
目前，真（zhēn）正能（néng）夠製造精密金屬零件的快速（sù）成型（xíng）技術隻有選區激光熔化和選區（qū）激光（guāng）燒結（jié）。選區激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）成型方法成型金屬零件時,多采用樹脂或低（dī）熔點（diǎn）材（cái）料包覆的金屬粉末作（zuò）為原材料，通過激光掃描使樹脂（zhī）熔化將金屬粉末固結在一起，在成型後經過脫脂、浸滲（shèn）低熔點金屬（shǔ）（如青銅等）來提高致密度。SLS技術成型金屬零件工序複雜且零（líng）件強度與（yǔ）精度多數情況下仍達不到要求。而選區（qū）激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術是一種極具創新的快速成型（xíng）技術，能一步加工出具有冶金結合，相對密（mì）度接近****，具有複雜結構、高的尺寸精度的金屬零件。
金屬（shǔ）零件快速製造技術
金屬零件（jiàn）快速製造係統可（kě）分為3類：
（1）使用激（jī）光（guāng）照射預先鋪展好的金屬粉末，即金屬零（líng）件成型完畢後將完全被粉末覆蓋。目前這種方法在市場上、各科研院所（suǒ）采用***多，包括（kuò）選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬激光燒結成型（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選區（qū）激光（guāng）熔化（huà）、Laser Cusing等。
（2）使用激光照射噴嘴輸送（sòng）的粉末流，激光與輸送粉末同（tóng）時工作，也稱為激光淨成型（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。該方法目前在國內使用比較多，如西北工業大學研究的激光立體成型、北京（jīng）航空航天大學采用此方法（fǎ）成型大型鈦合金件。
（3）采用電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）預（yù）先（xiān）鋪展好的金屬粉末。此方法與（yǔ）第1類原理（lǐ）相似，隻是采用熱源不同，分（fèn）別為高功率（lǜ）激光和電子束。在瑞典已出現商品化EBM設備，國內清華大學進行了前期的設備開發與工藝研（yán）究。因目前市場上（shàng）RM設備型號繁多，本課題主要對（duì）******類成型係（xì）統進行總結，即主要包括SLM/DMLS和SLS技術。電子束熔化成型技術在原理（lǐ）與成型過程中與上述2種技術類（lèi）似，也進（jìn）行了部分說明。
1、SLM/DMLS技術
SLM/DMLS成（chéng）型過程原理與SLS基本相同。DMLS技術使用（yòng）材料（liào）多為不（bú）同金屬組成的混合物，各成（chéng）分在燒結過程中相互補償，有利於保證製作精度。為了保證金屬粉末材料的快速熔化（huà），SLM技術需要高功率密（mì）度激光器（qì），光（guāng）斑聚焦到幾十μm到幾百μm。SLM技術目（mù）前***常使用光束模式優良的光纖激（jī）光（guāng）器的激光功率在50W以上，功率密度達5×106W/cm2以上。國外研究工作者總結（jié）發現，影響SLM成型效果的影響因素達到130多個，而其中13個因素具有決定作用。
根據（jù）自身經驗將影響SLM成（chéng）型質量的因（yīn）素分為六大類，包括：材料（成（chéng）分形（xíng）貌（mào）、粒（lì）度分布、流動性、物性等），激光與光路係統（激光模式、波長、功率、光斑直徑），掃描特征（掃描速度、掃描方法、層厚、掃描（miáo）線間距等），外界環境（氧（yǎng）含量、濕度），幾何特性（支撐添加（jiā）、幾何（hé）特（tè）征、空間擺放等），機械因素（粉末鋪展平整性、成型缸運動精度、鋪粉機（jī）構的穩定性等）。考查SLM成型件的指標，主（zhǔ）要為致密度、精度、表麵粗（cū）糙度、零（líng）件內部殘餘應力、強度（dù）與硬度6個，其（qí）他（tā）特殊應用的零件需根據行業要求進行相關指標檢測。SLM成型過程的主要缺陷有球化、翹曲變形、裂紋。目前SLM技術所麵臨的***大挑戰為：成（chéng）型效率、可重複性、可靠性（設備穩定性），這也是RM行業所麵臨的***大挑戰。
2、選擇性激光燒結成型（SLS）
SLS技術分為直接製作金屬零件和間接製作金屬零件（jiàn）2種。直接製作金屬零件（jiàn）采用至少2種以上熔點的金屬粉末，通過熔化低熔點成分潤濕並填充高熔點結構（gòu）金屬粉（fěn）末顆粒間隙，將結（jié）構材料粘結起來燒結（jié）成金屬零件的（de）方法。SLS直接（jiē）製作金屬件還可以通過激光熔化金屬粉末顆粒的（de）外層，而粉末顆粒的（de）內部並沒（méi）有熔化的方式，將粉末顆粒通過外層燒結粘（zhān）結（jié）在一起。SLS間接製作（zuò）金屬零件是采用高分子聚合物材料包裹高熔點的金屬粉末，激光熔化聚合（hé）物材料以將金屬粉末粘結（jié）起來獲得原型件的方式，然後經過焙燒、熔浸低熔點金屬液、熱等靜壓等後處（chù）理工序提高製件的密度。SLS兩種成型金屬零件的方法由於都是使用低（dī）熔點粉末粘結高熔點粉末（mò），使得SLS製件的（de）力學性能差，特別是延伸率很低，很少能夠（gòu）直接應用於功能零件（jiàn）的製造上。SLS技術的關鍵是新型材料的研（yán）製，適用於SLS技術的（de）材料範圍廣泛，該（gāi）技術本身生產效率（lǜ）高，成型（xíng）過程易於控製。
3、電子束熔化成型（xíng）技術（EBM）
EBM與SLM/DMLS係（xì）統的差別主要是熱源（yuán）不同，成型原理基本相似。EBM技術成（chéng）型室必須為高（gāo）真空，才能保證設備正（zhèng）常工作，這使得EBM技術整（zhěng）機複（fù）雜度提高。因使用電子束作為熱源，金屬材料對其幾乎沒有（yǒu）反射，多以能量吸收率大幅提（tí）高。在真空環境下，材料熔化後的潤（rùn）濕性也大大提高，增加了熔池之間、層與層之間的冶金（jīn）結合強度。但是，EBM技術成型還存在如下問題：
（1）在真（zhēn）空室抽氣過程中（zhōng）粉末容易被氣（qì）流（liú）帶走，造（zào）成係統汙染；（2）在電子束作用下，粉末容易潰散。因此（cǐ），EBM技術需要將係統預熱到＞800℃，使得粉（fěn）末在成型（xíng）室內（nèi）預先燒結固化在一起。優點是EBM成型過程效率高，零件變形小，成型過程不需要（yào）金（jīn）屬支撐，微（wēi）觀組織致密等。缺點是高（gāo）預熱溫度對係統整體結構提出非常高的要求，加工結束後零件需要在真空成型室中冷卻相當長一段時間，降低了零（líng）件（jiàn）的生產（chǎn）效率。
商（shāng）品化RM設備及性能
世界範圍內，已經有多家（jiā）成熟的RM設備製造商（shāng），包括德國EOS公司（EOSINGM270，DMLS技術）、德國MCP公（gōng）司（sī）（Realizer係列，SLM技（jì）術）、Conceptlaser公司（MCusing係列，laser Cusing技術）。瑞典Acram公司的EBM設備也占有（yǒu）重要（yào）地位。目前，近年來幾乎所（suǒ）有的SLM/DMLS設備都采用光纖激光器，因為光纖激光（guāng）器幾乎免維護（hù）、光束質量優良、光電轉化效（xiào）率（lǜ）高等優點（diǎn）使其應用於RM優勢很明顯。隨著光纖激光器的發展，使用的光纖激光器的功率有逐漸加大的傾向，從初始的50W到（dào）目前的主流200W。值（zhí）得注意的是，conceptlaser公司的laser Cusing技術並（bìng）沒有采用振鏡（jìng）掃描，而使用非主流的x/y軸數控係統，通過伺服電機帶動激（jī）光頭根據零件的輪廓軌跡在x/y方向運動，所以其成型零件範圍可（kě）以不受振鏡掃描範圍的限（xiàn）製，其所成型零件效率與尺寸（cùn）精度可達到SLM/DMLS技術同一（yī）水平。
1、各公司（sī）商品化設備係列
表（biǎo）1為各公司RM設備及對應的能量源、成型尺寸參數。大部分生產商將設備進行係列（liè）化生產，配置不同的能量源與成型零件尺（chǐ）寸以滿足不同（tóng）客戶的需求。SLM/DMLS技術要求粉末（mò）完全熔化，激光功率密度要求高。商品化的RM設備幾乎（hū）全部采用光纖激光器，MCP公司與EOS公司已經研發400W的光纖激（jī）光器應用以（yǐ）提高成型效率（lǜ）。
表1 市場上（shàng）RM設備總結
2、各公司對應設備（bèi）成型製造性能
表2是各RM係（xì）統使用的典（diǎn）型材料、層（céng）厚及成型件的主要性能指標（biāo）。各設備製造商選用（yòng）的材料種類相似，主要包括不鏽鋼、鈦合（hé）金、工具鋼（gāng）、鈷鉻合金等，其中EOS公司（sī）成型所用材料主要為（wéi）自主研發。各RM設備的層厚一般（bān）設定在50μm左右。層厚太薄，雖然能夠提高成型的質量，但降低加（jiā）工效率，而當層厚加大，將使成型質量（liàng）變差。比較各生產商的RM設備成（chéng）型件的質量發現，在致密度、尺寸精度與表麵粗糙（cāo）度等方（fāng）麵，EOS、MCP與Conceptlaser公司（sī）達到同一水平，而Arcam公司EBM成型（xíng）在尺寸精度（dù）與表麵粗糙（cāo）度上相對差一些，主要是因為電子束聚焦光斑比較大而造（zào）成。
表2 各RM設備對（duì）應的材料、加工（gōng）層厚、成型件性能指標
3、應（yīng）用舉例
目前SLM/DMLS快速成型係統主（zhǔ）要應用在航空航天、汽車、醫學個性化件製造、小（xiǎo）型注（zhù）塑模具及鑲件等領域，還針（zhēn）對小批量、個性化的一（yī）些複雜件進行加（jiā）工。使用RM設備***多的（de）還是一些（xiē）研究機構與（yǔ）軍工單位。RM技術的***大優勢是其在幾何形狀（zhuàng）上幾乎無（wú）限製。SLM/DMLS就如同激光加工（gōng）行（háng）業興起之初，設備生產商對激光技術應用於（yú）哪一行業還沒有完全摸清，隻能一步步的從傳（chuán）統加工行業中挖掘（jué）潛在的應（yīng）用（yòng）。同樣（yàng）RM技術需要行內專業人士尋找潛在的應用。
國外研究方向與進展
國外針對RM研究包括以下幾個方麵：基礎的理論研究、成型工藝研（yán）究、應用研究、成（chéng）型新材料探索（suǒ）研究（jiū）等。此外，還包括新的應用領域（yù）探索，如（rú）功能梯度材料零件的直接（jiē）製造。
***新研究表明，SLM/DMLS成型特定（dìng）的幾種材料能夠（gòu）達到近乎****的（de）致密度。成型材料包括316L不鏽鋼（gāng）、鈦和鈦合金、工具鋼、鈷（gǔ）鉻合金（jīn）、銅合金、鋁合金等。針對RM成型零件致密度的研究是此領（lǐng）域內的一個核心問題（tí），首（shǒu）先要求致密（mì）度達到近乎****，至（zhì）少達到與鑄造件相當的力學性能。另外，致密（mì）度根據（jù）需要可（kě）以自由控製，達到可控致密度（dù）或梯度致密度。EOS公司與（yǔ）Arcam公（gōng）司使用的掃描策略（luè）便是建立在此理論基礎上，零件***外幾層采（cǎi）用（yòng）低速掃描，而內部采用高速掃描，大大節省了加工時間。為提高零件致密度，研究人（rén）員采用的研究方法包括工藝參數搜索、使用特殊（shū）的掃描策（cè）略（luè）、表麵重熔和改變材（cái）料的物理特性等（děng）方法。另外，掃描成型過程（chéng）中熔池飛濺、球化和粘粉等因素導致SLM/DMLS表麵粗糙度較高，是限製該技術（shù）廣泛應用（yòng）的一（yī）個重要因素。雖然RM設備廠家通過後處理（lǐ）的方法（fǎ）可以大大提高表麵質量，但針對一（yī）些內腔表麵複雜，或者部分精細零件，後處（chù）理將可能導致成型件損壞。SLM/DMLS成型（xíng）過程（chéng）中有一些缺陷是（shì）其本身固有的，如殘餘熱應力的存在和成型麵朝下時容易發生塌陷、粘渣等缺陷。對於殘餘熱應力，國外已經基本（běn）解決，主要是通過特殊的掃（sǎo）描方法，促使成型過程中熱量（liàng）分布均勻，或者通過後續（xù）的熱處理消除（chú）熱（rè）應力。雖然SLM/DMLS技術宣稱可以加工任意複雜的金屬零件，對幾何形狀沒有限製，但作者（zhě）在實際成型過程中發（fā）現：一些薄壁、平行於Z軸方向的（de）圓孔、方孔容易產生薄壁（bì）損壞、Z軸孔隙塌陷等缺陷。SLM/DMLS技（jì）術對於一些精細結構（如（rú）＜0.3mm的孔）成型難度也較大。
RM另一個重要課題是對如何提高成型效率的研究。相對於傳統（tǒng）的模具製造方法，RM技術雖然大大縮短了產（chǎn）品研發周期，可以直接製造功能零件或者注塑模具，但因RM的（de）加工層（céng）厚薄，即使小體積單個零（líng）件也可能（néng）需要加工幾個小時，而體積大（dà）的單個（gè）零件更需要20~30h，甚至（zhì）幾天（tiān）時（shí）間，長時間的加工對RM設（shè）備的可靠（kào）性提出了非常嚴格的（de）要求（qiú）。而如果采用RM技術進行批量生產零件，提高生產（chǎn）效率顯（xiǎn）得非常重（chóng）要。國外已經針對此課題進行了（le）初步研究，主要思路是靈活（huó）改變（biàn）激光功率、掃描速度與改變（biàn）加工層厚，也可以根據的零件的使用要求采用特殊的掃描（miáo）策略等。
具（jù）體方法如下：
（1）在加工（gōng）件致密度下降不大的情況下，適當（dāng）的提高掃描速度和加（jiā）工層厚，相（xiàng）應的提高激光功率值。
（2）采用外輪（lún）廓（kuò）低速（sù）掃描，內部（bù）實體高速掃描的方式，也能夠大大（dà）提高生產效率國內研究現狀國內目前在RM方麵開展研究的單位（wèi）主要包括西北工業大學（激光淨（jìng）成型技術），北京航空航天大學（激光（guāng）堆積成型技術）、清華大學（EBM技術（shù））、華南理工大（dà）學（SLM技（jì）術（shù）），華中科技大學（SLS/SLM技術）。國內在RM方麵起步晚，落後（hòu）於歐洲（zhōu）******6~8年，且研究的方向也較為單一，主要（yào）還是集中在工藝（yì）、理論與設備（bèi）的基（jī）礎研（yán）究。目前國內還沒有商品（pǐn）化的RM快速成型設備，研究費用大（dà）多來源於******攻關項目資助、各級政府部門的資助。
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2007年華南理工大學在DiMetal-240基礎上，與廣州瑞通激光科技有限公司（sī）合作開發了第二套SLM製造設備樣機DiMetal-280，新係統（tǒng）的特點包括以下6方（fāng）麵。
（1）為滿足直接成型高精度全致密金屬零件需要，采用了具有高（gāo）光束質量（M2≤1.1）、短波長（1075nm）、高穩定性、低維修成本的200W光纖激光器。
（2）配（pèi）備高速高精度的振鏡掃描係（xì）統及德國進口f-θ透鏡。掃描振鏡分辨率可達12μrad，重複精度可達40μrad，***高定位速度＞7m/s。激光束通過f-θ透鏡可（kě）在工作平麵上任一點獲得功率分布（bù）均勻直徑為30~50μm聚焦光（guāng）斑。
（3）係統采用高精度六（liù）軸伺（sì）服電機控製實現粉末（mò）的******鋪設。成型缸及鋪粉缸的（de）升降精度可達±10μm。還專門針（zhēn）對金屬零件（jiàn）快速製（zhì）造工藝的特點，設計了獨特的（de）鋪粉刮板，該鋪粉刮板能自動維護成型過程穩定（dìng）進行。
（4）針對金屬（shǔ）粉末在熔（róng）化過程中的氧化（huà），采用整體和局部惰性氣（qì）體保護，並安裝了（le）煙氣過（guò）濾裝置，保護氣體包括氬氣和氮氣，成型過程中成型室內（nèi）含氧量（liàng）控製在0.1％以下。
（5）所用軟件包括激光成型過程（chéng）控製軟件、SLM掃描路徑生成與優化軟件、Magics13.0數據處理軟（ruǎn）件等，其中激（jī）光成型過程控製軟件及SLM掃描路徑生成與優化軟件都是自主研發，可以針對金屬零件成型的工藝特點獲得***優的激光參數、鋪粉參數以及掃描（miáo）路（lù）徑。
（6）設備直接成型高致密且具有較高成型精度的金屬零件，僅需簡（jiǎn）單噴砂（shā）或拋光（guāng）後處理即可投入（rù）使用。成型零（líng）件相對密度≥97%，尺寸精度±0.1mm/100mm。
當前Dimetal-280設備樣機性能指標基本接近（jìn）國外商品化樣機水準，表3是該設備（bèi）的技術指標與（yǔ）國外同類設備的對比數據。
從表3可以看出，目前Dimetal-280在某些性能方麵已經可以（yǐ）與國外同類產品相比較，比如成型件的精度與致密度等。因國外RM設備成型室內環境（jìng）控製比較好，在材料成分控製方麵也相當嚴格（gé），整機的係統穩定性優良，這也是下一步努力的目標。SLM設備所需要（yào）的關鍵部件包括光纖激光器、F-theta聚焦鏡（jìng）、高速掃描振鏡（jìng）等是進口（kǒu）。Dimetal-280設（shè）備先後成功成型了各種複雜（zá）形狀的金（jīn）屬零件，如圖1所示，這（zhè）些零件具有≥97%的致密度，力學性能接近鑄鍛水平，僅需簡單的噴砂後處理後即可投入使用。
圖1 華南理工大學Dimetal-280 設備成型典型樣件
表3 Dimetal-280 SLM設備技術指標與國外同類設備的對比數據
圖2為SLM成型316L不鏽鋼零件的微觀組織。對SLM成（chéng）型316L不鏽鋼（gāng）試件（jiàn）進行拉伸性能測試表（biǎo）明，拉伸強度＞600MPa，延伸率＞15%，試件顯微硬度值為HV250~275。顯微硬度測試壓力為3N，壓力施加（jiā）時間為15s。
圖2 Dimetal-280成型316L不鏽鋼件微觀組織（zhī）
SLM技術應用領（lǐng）域
是否選用RM製造，要考慮零件（jiàn）的（de）尺寸（零（líng）件的體積）與形狀複（fù）雜度，而零件的質量（liàng）要求是***重要的因素。其中零（líng）件的體積與（yǔ）形狀複雜度直接決定加工成本，而（ér）零件的質量（liàng）要求決定（dìng）了RM技術是否能夠滿足實際需求。
（1）零件尺寸與複（fù）雜度：零件越小且複雜（zá），選用RM技術將有更（gèng）大優勢。當零件小（xiǎo）而複雜（zá），RM每次成型可以達到幾十甚至幾百（bǎi）個，相比傳統的機加工將更有優勢。RM製造成本與零件體（tǐ）積大小成正比例關係（xì）。
（2）質量要求：包括零件的強度、尺寸精（jīng）度（dù）、表（biǎo）麵質量等。也許目前RM技術遇到的***大問題就是零件質量還不（bú）能夠完全達到（dào）傳統加工方法（fǎ）。相比傳統方法，RM技術在（zài）尺寸精度、材料可靠性、表麵質量等方麵還較為遜色。因此，當零件強度與表麵質量要求很高時，RM技術可能不合適。
RM技術目前主要應（yīng）用於新概念產品的快速研發中，以縮短加工周期。用於批量產品的（de）加工還（hái）很少有報道，EOS公司報道DMLS技術應用於牙橋牙冠的批量生產工藝較為（wéi）成熟，一次成型牙冠可以達到500個。
SLM在國（guó）內推廣的難點與下一步工作方向
國外SLM設（shè）備（bèi）售價大概在500~700萬元，這並不包括後續的（de）材（cái）料（liào）使用費等。國內的科（kē）研院所或者企業一般承擔不了如此高的成本，SLM設備需要專業人士操作，操作人員需要（yào）對其技（jì）術原理深入的了解也是（shì）限製設備應（yīng）用的一個重要因素。SLM設備維護費用（yòng）較（jiào）為昂（áng）貴，包（bāo）括保護氣體、從原（yuán）廠商購買成（chéng）型材料等。但巨大的市場（chǎng）價（jià）值，使得國內很（hěn）多高校與科研機構開始涉足SLM技術的研究。但（dàn）目前國內SLM技術的發展與（yǔ）推廣還存在一些問題。主（zhǔ）要是該技術係統（tǒng）集成度高，需要綜合材料（liào）、光學、軟件、數控、機械等多門類人才共（gòng）同研發。設備研（yán）發周期長，技術難度大，導致設備昂貴，而應（yīng）用領域相對還較狹窄（zhǎi）。國內配套部件的穩定性還不到國外的水（shuǐ）平，目前也還隻能製作一些尺寸較小的工件。在配套材料的研發上也缺少成熟的理論支（zhī）撐。隻有研發出高可靠性（xìng）和（hé）高技術指標、具有自主（zhǔ）知識產權的SLM設備，同時（shí）擁有配（pèi）套的工藝路線，才能在我國較大範圍推廣這項技術。
作者：楊（yáng）永強（qiáng） 王迪 楊斌（bīn） 羅子藝 盧建斌 華南理工大學
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