激光快（kuài）速成型（LaserRapidPrototyping，LRP）技術是近20年來（lái）製造技術的一項重大突破（pò）。該技術是（shì）一種涉及多（duō）門學科的新（xīn）型綜合製造（zào）技術，其對製造業（yè）的（de）影（yǐng）響（xiǎng）力可與20世紀五六十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（xīn）發展方向。
國外對RM的理論與工（gōng）藝研究（jiū）也相對成熟，而且在近幾年已有多家（jiā）公司推出（chū）商品化的設備。而國（guó）內主要是對基（jī）礎工藝的研究（jiū），主要（yào）研究單位包括西北工業大學、北京航空航天大學、華南理工大（dà）學、華中科技（jì）大學、南京航空航天大學、清華大學等。RM技術***大的優勢是其不需要模具或工具加工，直接獲得需求的功能零件。雖然快速製造（RapidManufacturing,RM）技術在材料選擇、設計自由性、以及研發成本控製等方（fāng）麵具有很（hěn）大的競爭優（yōu）勢（shì），但由於RM技術在國內市場上剛剛出現並（bìng）且關鍵技術（shù）不成熟，還沒有被市場普遍接受。
目前，真正能夠製造精密金屬零件的快速成型技術隻有選區激光熔化和選區激（jī）光燒結。選區（qū）激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）成型方（fāng）法成型金屬（shǔ）零件時,多采用樹脂或低（dī）熔點材料包（bāo）覆的金屬粉末作為原材料，通過激光（guāng）掃描（miáo）使樹（shù）脂熔化（huà）將金屬粉末固（gù）結在一起，在成型後經過脫脂、浸滲低熔點金屬（如青銅等）來提高致（zhì）密（mì）度。SLS技術（shù）成型金屬零件工序複雜且零件強度與精度多數情況下（xià）仍達不到（dào）要求。而選區（qū）激（jī）光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術（shù）是一種極具創新的快速成型技術，能（néng）一步加工（gōng）出具有冶金結（jié）合，相對密度接近****，具有複雜結構（gòu）、高的（de）尺寸精度的金屬零件。
金屬零件快（kuài）速（sù）製造技術
金屬零件快速製造係統可分為3類（lèi）：
（1）使用激光照射預先鋪展好的金屬（shǔ）粉末，即金屬（shǔ）零件（jiàn）成型完畢後將完全被粉末覆蓋。目前這種方法（fǎ）在（zài）市場上、各科研院（yuàn）所采用***多，包括選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬激光燒結成型（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選區激光熔化、Laser Cusing等。
（2）使用激光照射噴嘴輸送的粉末（mò）流，激光與輸送粉末同時工作，也稱為激光淨成型（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。該方法目前在國（guó）內使用比較多，如西北（běi）工（gōng）業大學研究的激光立體成型、北京航空航天大學采用此方法成型大型鈦合金件。
（3）采用（yòng）電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）預先鋪展好的金屬粉末。此方法與第1類（lèi）原理相似，隻是采用熱源不同，分別為高功（gōng）率激光和電（diàn）子束。在瑞典已出現（xiàn）商品化EBM設備，國內清華大學進行（háng）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******類成型係（xì）統進（jìn）行總結，即主要包括SLM/DMLS和（hé）SLS技術。電子束熔化成型技術在原理與（yǔ）成（chéng）型過程中與上述2種技術類似，也進行了部分說（shuō）明。
1、SLM/DMLS技術
SLM/DMLS成型過程原理（lǐ）與（yǔ）SLS基本相同。DMLS技術使用材料多（duō）為不同金屬組（zǔ）成的混合物，各成分在燒結過程中相互補償，有利於保證（zhèng）製作精度。為了保證金屬粉末材料的快速熔化（huà），SLM技（jì）術需要高功率密（mì）度激光器，光斑聚焦到幾十μm到幾百μm。SLM技術目前***常使用光束模式優良的光纖激光（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發現，影（yǐng）響SLM成型效果的（de）影響因素達到130多個，而其中13個因素具有決定作用。
根據自身經驗將影響SLM成（chéng）型質量（liàng）的因素分為六大類，包括：材料（成分形貌（mào）、粒度分布、流動（dòng）性、物性（xìng）等），激光（guāng）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、掃描線間距等），外界環境（氧含量、濕（shī）度（dù）），幾何特性（支撐添加、幾何特征、空間擺放等），機械因（yīn）素（粉末鋪展平整（zhěng）性（xìng）、成型缸運（yùn）動精度、鋪粉（fěn）機構的穩定性等（děng））。考查SLM成型件的指標，主要為致密度、精度、表麵粗糙度（dù）、零件內部殘（cán）餘應力、強度與硬度6個，其他特殊應用的零件需根據行業要求進行相關（guān）指標（biāo）檢測。SLM成型過程的主要缺陷有球化（huà）、翹曲變形、裂紋。目前SLM技術所麵臨的（de）***大（dà）挑戰為：成型效率、可重複性、可靠性（設備穩定性（xìng）），這也是RM行業所麵臨（lín）的***大挑戰。
2、選擇性激光燒（shāo）結成型（SLS）
SLS技術分為直（zhí）接製作金屬（shǔ）零件和間接製（zhì）作（zuò）金屬零件2種。直接製作金屬零件采用至少2種以上熔點的金（jīn）屬粉末，通過熔（róng）化低熔點成分潤濕並填充（chōng）高熔點結構金（jīn）屬粉末顆粒間（jiān）隙，將結構材料粘結起來燒結成金屬零件的（de）方法（fǎ）。SLS直接製作金屬件還可以通過激光熔化金屬粉末顆粒的外層（céng），而粉末顆粒的內部並沒有熔化的（de）方（fāng）式（shì），將（jiāng）粉末顆粒通（tōng）過外層燒結粘結在一起。SLS間接製（zhì）作金屬零（líng）件是采用高分子聚合物材料包（bāo）裹高熔點的金屬粉（fěn）末，激光熔化聚合物材料以將金屬粉（fěn）末粘結起來獲得原型（xíng）件的方式，然後經過（guò）焙燒、熔浸低熔點金屬液、熱等靜壓等後處理工序提高（gāo）製件的密度。SLS兩種成型金（jīn）屬零件的（de）方法由（yóu）於都是使用低熔點粉末粘結高熔點粉末，使得SLS製件的力學性能差，特別是延伸率很低，很少能夠直接應用於功能零件的製造上。SLS技術的關鍵（jiàn）是新型材料（liào）的研製，適用於SLS技術的材料範圍廣（guǎng）泛，該技術本（běn）身生產效率高，成（chéng）型過（guò）程易於控製。
3、電子束熔化成型（xíng）技術（EBM）
EBM與SLM/DMLS係統的差別（bié）主要是熱源不同，成（chéng）型原理基本相似（sì）。EBM技術成型室（shì）必須為高真空（kōng），才能保證設備正常（cháng）工作，這使得EBM技術整機複雜度提高。因使用電（diàn）子束作為熱源，金（jīn）屬材料對其幾乎（hū）沒有反（fǎn）射，多以能量吸收率大幅提高。在真空環境下，材（cái）料熔化後的潤濕性也大（dà）大提高，增加了（le）熔池之間、層與層之間（jiān）的冶金結合（hé）強度。但是，EBM技術成型還存在如下問題（tí）：
（1）在真空室抽氣過程中粉末容易被（bèi）氣流帶走（zǒu），造（zào）成係統汙染；（2）在電子（zǐ）束作（zuò）用下，粉（fěn）末容易潰散。因（yīn）此，EBM技術需要（yào）將係統預熱到＞800℃，使得粉末（mò）在成型室內預先燒結（jié）固化（huà）在一起。優點是EBM成型過程效率高，零件變形小，成型過程不需要金屬支撐，微觀組織致密等。缺點是高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（líng）件需要在真空成型室（shì）中冷卻（què）相當（dāng）長一段時間，降低了零件的生產（chǎn）效率。
商品化（huà）RM設備及性能
世界範圍內，已經有多家成熟的RM設備（bèi）製造商，包括（kuò）德國（guó）EOS公司（EOSINGM270，DMLS技術）、德國MCP公司（Realizer係列，SLM技術）、Conceptlaser公（gōng）司（MCusing係列，laser Cusing技術）。瑞典Acram公司的EBM設（shè）備也占有重要地位。目前（qián），近年來幾乎所有的SLM/DMLS設備（bèi）都采用光纖激（jī）光器，因為光纖激光器幾乎免（miǎn）維護、光束質量優良（liáng）、光電轉化效率（lǜ）高（gāo）等（děng）優點使其（qí）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（de）功率（lǜ）有逐漸加（jiā）大的傾向，從初始的50W到目（mù）前的主（zhǔ）流200W。值得注意的是，conceptlaser公司的（de）laser Cusing技術並沒（méi）有（yǒu）采用振鏡掃描，而使用非主（zhǔ）流的x/y軸數控係統，通過伺服電機帶動激光頭根據零件的（de）輪廓軌跡在x/y方向運動，所以其成型零件範圍可以不受振鏡掃描範圍（wéi）的限製，其所成型零件效率與尺（chǐ）寸精度可達到SLM/DMLS技術同一水平。
1、各公司商品化設備係列
表1為各公司RM設備及對應的能量源、成型尺寸（cùn）參數。大部（bù）分生產商將設（shè）備進行係列化生產，配置不（bú）同的能量源與成型零（líng）件尺寸（cùn）以滿足（zú）不（bú）同客戶的需求。SLM/DMLS技術要求粉（fěn）末完全熔化，激光功率密度要求高（gāo）。商品化的（de）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的光纖激光器應用以提高成型效率。
表1 市（shì）場上RM設備總結
2、各公司對應設備成型製造性能
表2是各RM係（xì）統使用（yòng）的典型材料、層厚及成型件（jiàn）的主（zhǔ）要性能指標。各設備製造商選用的材料種類相似，主要包括不鏽鋼（gāng）、鈦合金、工具（jù）鋼、鈷鉻合金等，其中（zhōng）EOS公司成型所用材料主要（yào）為自主研發。各RM設（shè）備的層厚一般設定在50μm左右。層厚太（tài）薄，雖然（rán）能夠提高成型的（de）質量，但降低加工效率，而當層厚（hòu）加大，將使成型質量變差。比較各生（shēng）產商的RM設備成型件的質量發現，在致密（mì）度、尺寸精度與表麵粗糙度等方麵，EOS、MCP與Conceptlaser公司達到（dào）同一水平，而Arcam公司EBM成型在尺寸精度與表麵粗糙度上相對差一些，主要（yào）是因為（wéi）電子束聚焦光斑比（bǐ）較大而造成。
表2 各（gè）RM設（shè）備對應的材料、加工層厚、成型件（jiàn）性能指標
3、應用舉例（lì）
目前（qián）SLM/DMLS快速成型係統主要應用在航空（kōng）航天、汽車、醫學個性化件製造、小型（xíng）注塑模具及鑲件等領域，還針對小批量、個性化的一些複雜件進行加工。使用RM設備***多的還是一些研究（jiū）機構與軍工單位。RM技術的***大優勢是其在幾何形狀上幾乎無限製。SLM/DMLS就如（rú）同（tóng）激光加工行業興起之初，設備生產商（shāng）對激光技（jì）術應用於（yú）哪一行業還沒有完全摸清，隻能一步步的（de）從傳統加工行業中挖掘潛（qián）在的應用。同樣RM技術需要行內專業人（rén）士尋找潛在的應用。
國外研究方向與進展
國（guó）外針對RM研究包括以下幾個方麵：基（jī）礎的理論研究、成型工藝研究、應（yīng）用研究、成型新材料探索研究等。此外，還包括新的應用（yòng）領域探索（suǒ），如功能梯度材（cái）料零件的直接製造。
***新研究表明，SLM/DMLS成型特定的（de）幾種材料能夠達到近乎****的致密度。成型（xíng）材料（liào）包括316L不鏽鋼、鈦（tài）和鈦合金、工具（jù）鋼、鈷鉻（gè）合（hé）金、銅合金、鋁合金等。針對RM成型（xíng）零件致密度的研（yán）究是此領域內的一個核心（xīn）問題，首先要求致（zhì）密（mì）度達到近乎（hū）****，至少達到與鑄造件相當的力學性能。另（lìng）外（wài），致密度根據需要可以自由控製，達（dá）到可控致密（mì）度或梯度致密度。EOS公司與Arcam公司使用的掃描策略便是建立在此理論基礎（chǔ）上，零件***外幾層（céng）采（cǎi）用低速掃描，而內部（bù）采用高（gāo）速掃描，大大節省了加工時間。為提高零件致密度，研（yán）究人員采用的（de）研究（jiū）方法包括工（gōng）藝參數搜索、使（shǐ）用特殊的掃描策略、表麵重熔和改變材料的物理特性等方法。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（dù）較高，是限製該技術廣泛應用的（de）一個重要因素。雖然RM設（shè）備廠家通過後處理的方法可以大大提高表麵質量，但針對一些（xiē）內腔表麵複雜，或者部分精細零件，後處理（lǐ）將（jiāng）可能導致成型件損壞。SLM/DMLS成型過程（chéng）中有一些缺陷是其本身固有的，如殘餘熱應力的存（cún）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，國外已經基本解決，主要是通過特殊的掃（sǎo）描方法（fǎ），促使成型過程中熱量分（fèn）布均勻（yún），或者通過後續的熱處理消除熱應力。雖然SLM/DMLS技術（shù）宣稱（chēng）可以加工任意複雜的金屬零件，對幾何形狀沒有限製，但作者在實際成型過程（chéng）中（zhōng）發現（xiàn）：一些薄壁、平行於Z軸方（fāng）向的圓孔、方孔容易產生薄壁損壞、Z軸孔隙（xì）塌陷等（děng）缺陷。SLM/DMLS技術對於一些精細（xì）結構（如＜0.3mm的孔）成型（xíng）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。相對於傳統的模具製造方法，RM技術雖然大大縮短了產品（pǐn）研發周期，可以直接製（zhì）造功能零件或者注塑（sù）模具，但因RM的加工（gōng）層厚薄，即使小（xiǎo）體積單個零件也可能需要（yào）加工幾個小時，而體積大（dà）的單個零件更需（xū）要20~30h，甚至幾天時間，長時間的加工對RM設備的可（kě）靠性提出了非常嚴格的要求。而如果采用RM技術進行批量生產零件，提高生產效率顯得非常重（chóng）要（yào）。國外已經針對此（cǐ）課題進行了初步研究，主要思路是靈活改變激光功率、掃描速（sù）度與改變加（jiā）工層厚（hòu），也（yě）可以根據的零件的使用要求（qiú）采用特殊的掃（sǎo）描策略等。
具體方法如下：
（1）在加工（gōng）件致密度下降不大的情（qíng）況下（xià），適當的提高掃（sǎo）描速度和加工層厚，相應的提高激光功（gōng）率值。
（2）采用外輪廓低速掃描，內部實（shí）體高速掃描的方式，也能夠大大提高生產效率國內（nèi）研究現（xiàn）狀國內目前在RM方麵開展研究的（de）單位主（zhǔ）要包括西北工業大學（激光淨成型技術），北京航空航天大學（激光堆積成（chéng）型（xíng）技術）、清華大學（EBM技術）、華南理工大學（SLM技術），華中科（kē）技大學（SLS/SLM技（jì）術）。國內在RM方麵（miàn）起步晚，落後於歐洲******6~8年（nián），且研究的方向也較為單一，主要還是集（jí）中在工藝、理論與設備的基礎研究（jiū）。目前國內還沒有商品（pǐn）化的（de）RM快（kuài）速成型設備，研究費用（yòng）大多來源於******攻關項目資（zī）助、各（gè）級（jí）政府部門的（de）資助。
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2007年華南理工大（dà）學在DiMetal-240基礎上（shàng），與廣州瑞通激光科技有限公司合作開（kāi）發了（le）第二套SLM製造設備樣機DiMetal-280，新係統（tǒng）的特點包（bāo）括以下6方麵。
（1）為滿足直接成（chéng）型高精度全（quán）致密金屬零件需要，采用了具有高光束質量（M2≤1.1）、短波長（1075nm）、高穩定性、低維修成本的200W光纖激光器。
（2）配備高速高精度的振鏡掃描係統及德國進口f-θ透鏡。掃（sǎo）描振（zhèn）鏡分辨率可達12μrad，重複精度（dù）可達40μrad，***高定位速度＞7m/s。激光束通過f-θ透鏡可在工作（zuò）平（píng）麵上任一（yī）點獲得（dé）功率分布均勻直徑（jìng）為30~50μm聚焦光斑。
（3）係統采用高精度六（liù）軸伺（sì）服電機控製實現粉末的******鋪設。成型缸及鋪粉缸的升降（jiàng）精度可達±10μm。還專門針對金屬零件快（kuài）速製造工藝的特點，設（shè）計了獨特的鋪粉刮板，該鋪粉（fěn）刮板能自動維護成型過程穩定進行。
（4）針對金（jīn）屬粉末在熔化過程中的氧（yǎng）化，采用整體和局部惰性氣體保護，並安裝了煙氣過（guò）濾（lǜ）裝置，保護（hù）氣（qì）體（tǐ）包括氬氣和氮氣，成型過程中成型室內含氧量控製在0.1％以（yǐ）下。
（5）所用（yòng）軟件包括激光成（chéng）型過程控製軟件、SLM掃描路（lù）徑生成與優化（huà）軟件、Magics13.0數據處理軟件等，其中激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（zì）主研發，可以針對金屬零（líng）件成型的（de）工藝特點獲得（dé）***優的激光參數、鋪粉參數以及掃描路徑。
（6）設備直接成型高致密且具有較高成型（xíng）精度的金屬零件，僅（jǐn）需簡單噴（pēn）砂或拋（pāo）光（guāng）後處理即可投入使用。成型零件相對密度≥97%，尺（chǐ）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）的技術指標與國外同類（lèi）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與國外同（tóng）類產品相比較，比如（rú）成型件的精度與致密度等。因國外RM設（shè）備（bèi）成型室內環（huán）境控製比較好，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、高速掃描振（zhèn）鏡等是進口。Dimetal-280設備先後（hòu）成功成型了各種複雜形狀（zhuàng）的金（jīn）屬零件，如（rú）圖1所示，這些零件具有≥97%的致密度，力學性（xìng）能接近鑄鍛（duàn）水平，僅需（xū）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（zhǐ）標與國外同類設備的對比數據
圖2為SLM成型316L不鏽（xiù）鋼零件的微觀組織。對SLM成型316L不鏽鋼試件進行拉伸性能測試（shì）表明，拉伸強度＞600MPa，延伸率＞15%，試件顯微（wēi）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（zǔ）織
SLM技術應用領域
是否選用RM製造，要考慮零件的尺寸（零件的體積）與形狀複雜度，而零件的質量要求是***重要的因素。其中零件的體積與形狀複雜度直接決定（dìng）加工成本（běn），而（ér）零件的質量要求決定了RM技術是（shì）否能夠滿足（zú）實際需（xū）求。
（1）零件尺寸與複雜度：零件越（yuè）小且複雜，選用RM技術將有更大優勢。當零件小而複雜（zá），RM每次成型（xíng）可以達到幾十甚至幾百個，相比傳（chuán）統的機加工將更有優勢。RM製造成本（běn）與零件體積大小成正比例關係。
（2）質量要求：包括零件（jiàn）的強度、尺寸精度、表麵（miàn）質量等。也許目前RM技（jì）術（shù）遇（yù）到的***大問題就是零（líng）件質量還不能夠完全（quán）達到傳統加工方法。相比傳統方（fāng）法，RM技術在尺寸精度、材料可靠性、表麵質量等方麵還較為遜色。因此（cǐ），當零件強度與表麵（miàn）質量要求很（hěn）高時，RM技術可能不合適。
RM技術目前主要應（yīng）用於新概（gài）念產品的（de）快（kuài）速研發中，以（yǐ）縮短（duǎn）加（jiā）工周（zhōu）期。用於批量產品的（de）加工還很少（shǎo）有報道，EOS公司報道（dào）DMLS技術應用於牙橋牙冠的（de）批量生產工藝較為成熟，一次成型牙冠可以達到500個。
SLM在國內推廣的難點與下一步工作方向
國外SLM設備售價大概在500~700萬元，這並不包（bāo）括後續（xù）的材料使用費等。國（guó）內的科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，操作人員需要對（duì）其技術原理深入的了解也是限製設備應用的一個（gè）重要因（yīn）素。SLM設備維護費用較為昂貴，包括保護氣體、從原廠商購買成型材料等。但巨大的市場價值，使得（dé）國內很多高校（xiào）與科研機構（gòu）開始涉足SLM技術（shù）的研究。但（dàn）目前國內SLM技術的發展與推廣還存在一些問題。主要是該（gāi）技術係統集成度高，需要綜合材料、光（guāng）學、軟件、數控、機械等多門類（lèi）人才共同（tóng）研發。設備（bèi）研發周期長，技術難度（dù）大，導致設（shè）備昂貴，而（ér）應（yīng）用領域相對還較狹窄。國內配套部件的穩定（dìng）性還不到（dào）國外的水平，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撐。隻有研發出高可靠性和高技術指標、具有自主知識產權的SLM設備，同時擁有配套的工藝路（lù）線，才能在我國（guó）較大範圍（wéi）推（tuī）廣這項技術。
作者：楊永強 王（wáng）迪 楊斌 羅子藝 盧建斌 華南理工大學
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