激光快速成型（LaserRapidPrototyping，LRP）技術是近（jìn）20年（nián）來製造技術的一項重大突破。該技術是一（yī）種涉及多門學科的新型綜合（hé）製造技術，其對製造業的影響力可與20世紀五六十年代的數控機床相比。金屬零（líng）件快速製造技術代表了RP技術的***新發展方向。
國（guó）外對RM的理論與工藝研究也相對（duì）成熟，而且在（zài）近幾年已有多家公司推出商品化（huà）的設（shè）備。而（ér）國（guó）內（nèi）主要是對基礎工藝的研究，主要研究單位包括西北工業（yè）大學、北京航空航天大學、華南理工大學、華中科技（jì）大學、南京航空航天大（dà）學、清華大學等。RM技術***大的優勢是其不（bú）需要模（mó）具或工具加工，直接獲得需求的功（gōng）能零件。雖然快速製造（zào）（RapidManufacturing,RM）技術在材料（liào）選擇（zé）、設計自由性、以及（jí）研發成本控製等方麵具有很大的競爭優勢，但由於RM技術在國內市場上剛剛出現並且關鍵技術不成熟，還沒有被市場（chǎng）普（pǔ）遍接受。
目前，真正能夠製造精（jīng）密金屬零件的快速成型技術隻（zhī）有選區激光熔化和選區激光燒結。選（xuǎn）區激（jī）光（guāng）燒結（jié）（Selective Laser Sintering，SLS）成型方法成型金屬零件時,多采用樹脂或低熔點材料包覆的金屬粉末作為原材料，通過激光掃描使樹脂熔化將金屬粉末固結在一起，在成型後經過脫脂、浸滲低熔點金屬（如青銅等）來提（tí）高（gāo）致密度。SLS技術成型金屬零件工序複（fù）雜且零件強度與精度多數情況下仍達不到（dào）要求。而選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術是一種極具創新的快速（sù）成型技術，能一步（bù）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（chǐ）寸精度的金屬零件。
金屬零件快速製造技術
金屬（shǔ）零件快速製造係統可分為3類：
（1）使用激光照射預先鋪展好的金屬粉（fěn）末（mò），即金屬零件成型完畢後將完全被粉末覆蓋。目前這種方法在市場上（shàng）、各科研院所采用***多，包括選擇性激（jī）光燒（shāo）結(SLS)、直接金屬（shǔ）激光燒結成型（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選（xuǎn）區激光熔化、Laser Cusing等。
（2）使用激光照射噴嘴輸（shū）送的粉末流，激光與輸送粉末同時工作，也稱為激光淨成（chéng）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（xué）研究的激光（guāng）立體成型、北京航空航（háng）天大學采用此方法成（chéng）型大型鈦合金件。
（3）采（cǎi）用電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）預先鋪展好的金屬（shǔ）粉末。此方法與第1類原理相（xiàng）似，隻是采用（yòng）熱源不同，分別為高功率激光和電子束。在瑞典已出現商品化EBM設備，國內清華大學進行了前期（qī）的設備開發與工藝（yì）研究。因目前市場（chǎng）上RM設備型號繁多，本課題主（zhǔ）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與成（chéng）型過程（chéng）中與上述2種技術類似（sì），也進行了部分說明。
1、SLM/DMLS技（jì）術
SLM/DMLS成型過程原理與SLS基本相同。DMLS技（jì）術使用材料多為不同（tóng）金屬組成的混合物，各成分在燒結過程中相互（hù）補償，有利於保證製作精度（dù）。為（wéi）了保證金屬粉末材料的快速（sù）熔化（huà），SLM技術需要高功率密度激光器，光斑聚焦到幾十μm到幾百μm。SLM技術目（mù）前（qián）***常使用光束模式優（yōu）良的光纖激光器的激（jī）光功率（lǜ）在50W以（yǐ）上，功率密度（dù）達5×106W/cm2以上（shàng）。國外研究工作者總結發現，影響SLM成（chéng）型效果的影響因（yīn）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成型質量的因素（sù）分為六大類，包括：材料（成分形貌、粒度分布、流動性、物性等），激光與光路（lù）係（xì）統（激光模式、波（bō）長、功（gōng）率、光斑直徑），掃描特征（掃描速度、掃描方法、層厚、掃描線間（jiān）距等），外界環境（氧含量、濕度），幾何特性（支撐添加、幾何特征、空間擺放等），機械因素（粉末鋪展平整性、成型缸運動精度（dù）、鋪粉機構的穩定性等）。考查SLM成（chéng）型件的指標，主要為致密度、精度、表麵粗糙度、零件內部殘餘應（yīng）力、強度與硬度6個，其他特殊（shū）應用（yòng）的零件需根據行業要求進行相關指標檢測。SLM成型過程的（de）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：成型效率、可重複性、可靠性（設備穩（wěn）定性），這也是RM行業所麵臨的***大挑戰。
2、選擇性激光燒結成（chéng）型（SLS）
SLS技術分為直接製作（zuò）金屬零件和間接製作金屬零件（jiàn）2種。直接（jiē）製作（zuò）金屬零（líng）件采用至少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金屬粉末顆粒間隙，將結構材料粘結起來燒結（jié）成金（jīn）屬零件的方法。SLS直接製作金屬件還可以通過激光熔化（huà）金屬粉末顆粒的外（wài）層，而粉末顆粒的內部並沒有熔化（huà）的方式，將粉末顆粒通過外層燒結粘結在一起。SLS間接製作金（jīn）屬（shǔ）零件是采用高分子聚合物材（cái）料包裹高熔點（diǎn）的金屬粉末，激光熔（róng）化（huà）聚合物材料以將金屬（shǔ）粉末粘結（jié）起來獲（huò）得原型件的方式，然後經過焙燒（shāo）、熔浸低熔點金（jīn）屬液、熱等靜（jìng）壓（yā）等（děng）後處理工序提高製件的密（mì）度。SLS兩種成型金屬零件的方法由於（yú）都是使用低熔（róng）點粉末（mò）粘（zhān）結高熔點粉末，使得SLS製件的力學性能差，特別是延（yán）伸率很低，很少能夠直接應（yīng）用於功能零件的製造上。SLS技術的關鍵是新型材（cái）料的研製，適用於SLS技術的（de）材料範（fàn）圍廣泛，該技術本（běn）身（shēn）生產效率（lǜ）高，成型過程易於控製。
3、電子（zǐ）束熔化成型技術（EBM）
EBM與SLM/DMLS係統的差別主要是熱源不（bú）同，成型原（yuán）理（lǐ）基（jī）本相似。EBM技術成型室必須為高真空，才能保證設備正常工作，這使得EBM技術整機複雜度提高。因使用電（diàn）子束作為（wéi）熱源，金屬材料對其幾（jǐ）乎沒有反射，多以能量（liàng）吸收率大幅提高。在（zài）真空（kōng）環境（jìng）下，材料熔（róng）化後的潤濕性（xìng）也大大提高，增加了熔池之間、層與層之間的冶金結合強度。但是，EBM技術成型還存在如下問題：
（1）在真空（kōng）室抽氣過程中粉末容易被氣流（liú）帶（dài）走，造成係統汙染；（2）在電子（zǐ）束作用下，粉末（mò）容易潰散。因此，EBM技術需要將係統預熱到＞800℃，使得粉末在成型室內預先燒結固化在一起。優點是EBM成型過程（chéng）效率高，零件變形小（xiǎo），成型過程不需要金屬（shǔ）支撐，微（wēi）觀組織致密等。缺點是高預熱（rè）溫度對係統整體結構提出非常高的要求，加工結束後（hòu）零件需要在真空成型室（shì）中冷卻相（xiàng）當長一段時間，降低了零件的生產效率。
商品化RM設備及性能
世界範圍內（nèi），已經有多（duō）家成熟（shú）的（de）RM設（shè）備製造商，包括德國EOS公司（EOSINGM270，DMLS技術）、德國（guó）MCP公（gōng）司（Realizer係列，SLM技術）、Conceptlaser公司（MCusing係（xì）列，laser Cusing技術（shù））。瑞典Acram公司的EBM設備（bèi）也占有重要地位。目前，近年來幾乎所有的SLM/DMLS設備都采用光（guāng）纖（xiān）激光器，因為光纖激光器幾乎免維護、光束質量優良、光（guāng）電轉化效率高等優點使其應用於RM優（yōu）勢很明顯。隨著光纖激光器的發展，使用的光纖激光器的（de）功率有逐漸加大的傾（qīng）向，從初始的50W到目前的主（zhǔ）流200W。值得注意的是，conceptlaser公司的laser Cusing技術並沒（méi）有采用振（zhèn）鏡掃（sǎo）描，而使用非主流的（de）x/y軸數控係統，通（tōng）過伺服電機（jī）帶動（dòng）激光頭根（gēn）據零件的輪廓軌跡在x/y方向運動，所以（yǐ）其成型零件（jiàn）範圍可（kě）以不受振鏡掃描範圍的限製，其所成型零（líng）件（jiàn）效率與尺寸精度可達到SLM/DMLS技術同一水平。
1、各公司商品化設備係列
表1為各（gè）公司（sī）RM設備及對（duì）應的能量源、成型尺寸參數。大部分生產商將設備進行係列化生產，配置不同的能量源與成型零件尺寸以滿足（zú）不同客（kè）戶的需求。SLM/DMLS技術要求粉末完（wán）全熔化，激光功率密度要求高。商品（pǐn）化的RM設備幾乎全部（bù）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（guāng）器應用以提高（gāo）成（chéng）型效（xiào）率。
表1 市場上RM設備總結
2、各（gè）公司（sī）對應設（shè）備成型製造性能
表2是各（gè）RM係統使（shǐ）用的典型材料、層厚及成型件的主要性能指標。各設備（bèi）製造商選用（yòng）的材（cái）料種類相似，主要包括不鏽（xiù）鋼（gāng）、鈦合金、工具鋼、鈷鉻（gè）合金等，其（qí）中EOS公司成型所用材料（liào）主（zhǔ）要為自主研發。各RM設備的（de）層厚一般設定在50μm左（zuǒ）右。層厚太薄，雖然能夠提高成型的（de）質量，但降低加工效率，而（ér）當層厚加大（dà），將（jiāng）使成型質量變差。比較各生產商的RM設備成型件的質量發現，在致密度、尺（chǐ）寸（cùn）精度與表麵粗糙度（dù）等方麵，EOS、MCP與Conceptlaser公司達到同一水平，而Arcam公（gōng）司EBM成型在尺寸精度與表麵粗糙度上相對差一些，主（zhǔ）要（yào）是因為電子（zǐ）束聚焦光斑比較大而造成。
表2 各RM設備對應的材（cái）料、加工層厚、成型件性能指標
3、應用舉例
目前SLM/DMLS快速成型（xíng）係統主要應用在航空航（háng）天、汽車、醫學個性化件製（zhì）造、小型注塑模具及鑲件（jiàn）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***多的還是一些研究機構與軍工（gōng）單位。RM技術的***大優勢是其在幾何形狀上幾乎無限製。SLM/DMLS就如同激光加工行業興起之初，設（shè）備生產商對激光技術應用於哪一行業還沒有完全摸（mō）清，隻能一步步的從傳統加工行業中（zhōng）挖掘潛在的應用。同樣RM技術需要行內專業人士尋找潛在的應用。
國外研究（jiū）方向與（yǔ）進展
國外針對RM研究包括以（yǐ）下幾個方麵：基礎的理（lǐ）論（lùn）研究（jiū）、成型工藝研究、應用研究、成型新材料探索研究等。此外，還包括新的應用領域探索，如功能梯度材料零件的直接製（zhì）造（zào）。
***新研究表明，SLM/DMLS成型特定的幾種材料能夠達到近（jìn）乎****的致密度。成型材料包（bāo）括316L不（bú）鏽鋼、鈦和鈦合（hé）金、工具鋼、鈷鉻合金（jīn）、銅合金、鋁合金等。針對RM成型零件致密度的研究（jiū）是此領域內的一個核心（xīn）問題，首先要（yào）求致密度達到近（jìn）乎（hū）****，至少達到與鑄造件相當的力學性能。另外，致密度根據需要（yào）可以自由控製，達到可控致密度或梯度致密度。EOS公（gōng）司與Arcam公司使用的掃描（miáo）策略便是建立在此理（lǐ）論（lùn）基礎上，零件***外幾層采用低（dī）速掃描，而內部采（cǎi）用高速（sù）掃（sǎo）描（miáo），大大節省了加工（gōng）時間。為提高零件致密度，研究人員（yuán）采用的研（yán）究（jiū）方法包括工藝參數搜索、使用特殊的掃描策（cè）略、表麵重熔和（hé）改變材料的（de）物理特性等方（fāng）法（fǎ）。另外，掃描（miáo）成型過程（chéng）中熔池飛濺（jiàn）、球化和粘粉等因素導致SLM/DMLS表麵粗糙度較高，是限製（zhì）該技術廣泛應用的一（yī）個重要因素。雖然RM設備廠家通過後處理的方法可以大大提高表麵質（zhì）量，但針對一些內腔表麵（miàn）複雜，或（huò）者部分精細零件，後處理將可能導致成型件損壞。SLM/DMLS成型過程中有一（yī）些缺陷是其本身固有的，如（rú）殘餘熱應力的（de）存在和成型麵朝下（xià）時容易發生塌（tā）陷（xiàn）、粘渣等缺陷。對於殘餘熱（rè）應力，國外已經基本解決，主要是通過特殊的掃描方法，促使（shǐ）成型過程中熱量分（fèn）布均（jun1）勻，或者通過後續的熱處理消除熱應（yīng）力。雖然（rán）SLM/DMLS技術宣稱可以加（jiā）工任意複雜的金屬零件，對幾（jǐ）何形狀沒有限製，但作者在實際成型過程中發現：一些薄壁（bì）、平行（háng）於Z軸方向的圓（yuán）孔、方孔容易（yì）產生薄壁（bì）損壞、Z軸孔隙塌陷等缺陷。SLM/DMLS技術（shù）對（duì）於一些精細（xì）結構（如＜0.3mm的孔）成型難度也較（jiào）大。
RM另一個重要課題是對如何（hé）提高成型效率（lǜ）的研究。相對於傳統的模具製（zhì）造方（fāng）法，RM技（jì）術雖然大大縮短了產品研發周期，可（kě）以直接製造功（gōng）能零件或者注塑模具，但因RM的加工層厚薄，即使（shǐ）小體積單個零件也（yě）可能需要加工幾個小時，而體積大的單個零件更需要20~30h，甚至幾天（tiān）時間，長時間的加工對RM設備的可靠性提出了（le）非常嚴格的要求。而如果（guǒ）采用RM技術進行批量生產零件，提高生產（chǎn）效（xiào）率顯（xiǎn）得（dé）非常重要。國外已經針對此課題進行了初步研究，主（zhǔ）要（yào）思路（lù）是靈活改變激光功（gōng）率、掃描速度與改變加工層厚，也可以根據的零件的使用要求采用特殊的（de）掃描策略等。
具（jù）體方法如下：
（1）在加工件致密度下降不大的情況下，適當的提高掃（sǎo）描速度和加工層厚，相應的提高激光（guāng）功率值。
（2）采用（yòng）外輪廓低速掃描，內部實體高速掃描的方式，也能夠（gòu）大大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主要包括西北工業大學（激光（guāng）淨成型技術），北京航空航天大學（激光堆積成型技術）、清華大（dà）學（xué）（EBM技術）、華南理工大學（SLM技術），華中科（kē）技大學（SLS/SLM技術）。國內在RM方麵起步晚（wǎn），落後於歐洲******6~8年，且研究的方向也較為單一，主要還是集中在工藝、理（lǐ）論與（yǔ）設備的基礎研究。目（mù）前國（guó）內還沒有商品（pǐn）化的RM快速成型設備，研究費用大多來源於（yú）******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（zài）DiMetal-240基礎上，與廣州瑞通激光（guāng）科技有限公司合作開發了第二套SLM製造設備（bèi）樣機DiMetal-280，新係統的特點包括以下6方麵。
（1）為滿足（zú）直接成型高精度全致密金屬零件需要，采用了具有高光束質（zhì）量（M2≤1.1）、短波長（1075nm）、高穩定性、低維修成本的（de）200W光纖激光器。
（2）配備高速高精度（dù）的振鏡掃描係統及德國進口f-θ透鏡。掃描振鏡分辨（biàn）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均勻直徑為30~50μm聚焦（jiāo）光斑。
（3）係統（tǒng）采用高精度六軸伺（sì）服（fú）電機控製實現粉末的******鋪設。成型缸及鋪粉缸的升降精（jīng）度可達±10μm。還專門針對金屬零件快速製造工藝的特點，設計了獨特的鋪粉刮板，該鋪粉刮板能自動維護成（chéng）型過程穩定進行。
（4）針對（duì）金屬（shǔ）粉末在（zài）熔化過程中的氧化，采（cǎi）用整體和（hé）局部惰性氣體保護，並安裝了煙氣過濾裝置，保護氣體包括氬氣和氮氣（qì），成（chéng）型過程中成型（xíng）室（shì）內含氧量（liàng）控製在0.1％以下。
（5）所用（yòng）軟件包括激光成型過程控製軟件（jiàn）、SLM掃描路徑生成與優化軟件、Magics13.0數據處理軟件等，其（qí）中激光成型過程控（kòng）製軟件及SLM掃描路徑（jìng）生成與優化軟件都（dōu）是自主研發（fā），可（kě）以針對（duì）金屬零件成型的工藝（yì）特點獲得***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（jiào）高成型精度的（de）金屬（shǔ）零件，僅需簡單噴砂或拋光（guāng）後處理即可投（tóu）入使用。成型零件相對密度≥97%，尺寸（cùn）精（jīng）度±0.1mm/100mm。
當前Dimetal-280設備樣機性能（néng）指標基本接近（jìn）國外商（shāng）品化樣機（jī）水準，表3是該設備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（mù）前Dimetal-280在某（mǒu）些性能（néng）方麵已經可以與國外同類產（chǎn）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（huán）境控製比較好（hǎo），在材（cái）料成分控製方麵也相當嚴格（gé），整機的係統穩定性優（yōu）良（liáng），這（zhè）也（yě）是下一步努力的目標。SLM設備所需要的關鍵部件包括光纖激光器、F-theta聚焦鏡（jìng）、高速掃描振鏡等（děng）是進口。Dimetal-280設備先後成功成型了各種複雜（zá）形（xíng）狀的金屬零件，如圖1所示，這些零件（jiàn）具有≥97%的致密度，力學性能（néng）接近鑄鍛水平，僅需（xū）簡單的噴砂後處理後即可（kě）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（shè）備技（jì）術（shù）指標（biāo）與國外同類（lèi）設備的對比數據
圖2為SLM成型316L不鏽鋼零件的微觀（guān）組織。對SLM成型（xíng）316L不鏽鋼試件進（jìn）行拉伸性能測試表明，拉伸（shēn）強（qiáng）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，壓力施加時間為15s。
圖（tú）2 Dimetal-280成型316L不鏽鋼件微觀組織
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（zhuàng）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（zhuàng）複雜度直接決（jué）定加工（gōng）成本，而（ér）零件的質量要求決（jué）定了RM技術是否能夠滿足實際需求（qiú）。
（1）零件尺寸與（yǔ）複（fù）雜度：零件越小且複雜，選用RM技術將有（yǒu）更大優勢。當零件小而複雜，RM每次成型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（shì）。RM製（zhì）造成（chéng）本與（yǔ）零件體積大小成正比（bǐ）例關係。
（2）質量要求：包括零件的強度、尺寸精度、表（biǎo）麵質量等。也許目（mù）前RM技術遇到的***大問題就是零件質量還（hái）不能夠完全（quán）達到傳統加工方法。相比（bǐ）傳統方（fāng）法，RM技術（shù）在尺寸（cùn）精度（dù）、材料可靠性（xìng）、表麵質（zhì）量等方麵還較（jiào）為遜色。因此，當零件強度與表麵質量要求很高時（shí），RM技術（shù）可能不合適。
RM技（jì）術目（mù）前主要應用於新概念產品的快速研（yán）發（fā）中，以縮短加工周期。用於批量產品的加工還很少有報道，EOS公司（sī）報道DMLS技術應用於牙橋牙冠（guàn）的批量生產工藝較為成熟，一次成型牙（yá）冠可以達到（dào）500個。
SLM在國內推廣的難點與下一步工（gōng）作方向（xiàng）
國（guó）外SLM設備售價大概在500~700萬元，這並不包括後續的（de）材料使用費等。國內的科研院所或者企（qǐ）業一般承擔不了如此高的成本，SLM設備需要專業人士（shì）操作，操作（zuò）人員需要對其技術原理（lǐ）深入的了解（jiě）也是限製（zhì）設備應用的（de）一個（gè）重要因素。SLM設備維護費用較為昂貴，包括保護氣體（tǐ）、從原廠商購買成型材料等。但巨大的市場價值，使（shǐ）得國內很多高校與科研機構開始涉足SLM技術的研究。但目前（qián）國內SLM技術的發展與推廣（guǎng）還存在一些問題。主要是該技術係統集成度高，需要綜合材料、光學、軟件、數控、機械等多門類人才共（gòng）同研發。設備研發周期長，技術難度大，導致設備昂貴，而應用領域相對還較狹窄。國內配套部件的穩定性還不到（dào）國外的水平，目前也還隻（zhī）能製作（zuò）一些尺（chǐ）寸（cùn）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（yán）發出高可靠性和高技術指標、具有自主知識產權的SLM設備（bèi），同時擁有配套的工藝路線，才能在我國（guó）較大範圍（wéi）推廣這項技術。
作者（zhě）：楊永強 王迪 楊斌（bīn） 羅子藝 盧建斌 華南理工大學
客（kè）服