溫家浩，楊中桂，丁永春，靳逸飛

1.中船海為高科技有限公司 河南鄭州 100033

2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所 河南鄭州 450015

3.河南省預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度栓接結(jié)構(gòu)連接件工程研究中心 河南鄭州 100033

1 序言

選區(qū)激光熔化（SLM）是近年來出現(xiàn)的一種新型的快速成形（RP）技術(shù)。該技術(shù)是一種增材制造工藝，以激光束為能量源、以預(yù)先建立的CAD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過逐層熔化粉末床來生產(chǎn)零件[1]。

SLM是一種固體自由曲面制造工藝，通過激光掃描粉末床分層構(gòu)建三維零件。通過使用聚焦激光束提供的熱能處理選定區(qū)域來獲得固結(jié)。采用光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（振鏡），通過CAD模型計(jì)算，對(duì)每一層進(jìn)行相應(yīng)截面的掃描。目前，SLM技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天及汽車等行業(yè)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，該技術(shù)具有一系列優(yōu)勢(shì)：更短的上市時(shí)間、使用廉價(jià)的材料、更高的產(chǎn)品產(chǎn)出率、多功能性、高精度，以及在具有獨(dú)特設(shè)計(jì)和固有工程特征的部件中產(chǎn)生更多功能的能力。SLM是一種非常規(guī)的生產(chǎn)工藝，采用激光熱源熔化金屬粉末層。憑借一種“分層制造”的方式，可以成形更復(fù)雜的零件。SLM技術(shù)的原理如圖1所示。商用機(jī)器在粉末沉積方式（滾筒或刮板）、氣氛（Ar或N2）和使用的激光器類型（CO2激光器、燈或二極管泵浦Nd：YAG激光器、磁盤或光纖激光器）方面有所不同[2-4]。SLM典型設(shè)備如圖2所示。

圖1 SLM基本原理

圖2 SLM典型設(shè)備示意

SLM引發(fā)了幾何和材料設(shè)計(jì)的非凡多功能性，被認(rèn)為是一種近凈形狀技術(shù)，也是一種特殊的技術(shù)，可以創(chuàng)建功能梯度材料和具有個(gè)性化局部功能需求的復(fù)雜組件。此外，SLM技術(shù)允許生產(chǎn)幾乎完全致密的金屬零件。在SLM過程中，可能會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力和變形缺陷等現(xiàn)象，特別是翹曲變形的嚴(yán)重程度制約了SLM的熔化質(zhì)量和最終應(yīng)用[5，6]。

本文詳細(xì)描述了SLM技術(shù)的基本原理和加工過程，詳細(xì)介紹了國內(nèi)外SLM的關(guān)鍵技術(shù)、研究成果應(yīng)用，并進(jìn)一步討論了SLM技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展。

2 SLM關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 材料優(yōu)化

設(shè)備、材料與工藝是構(gòu)成SLM的三個(gè)核心要素。根據(jù)形狀的不同，SLM所用的材料可分為金屬粉末、金屬絲材和金屬塊材。金屬粉末的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括球形度、平均粒徑、流動(dòng)性及雜質(zhì)含量等，針對(duì)設(shè)備和性能均有不同的要求。然而，對(duì)于絲材和塊狀材料的形狀則沒有過高的要求[7]。

選區(qū)激光熔化工藝中金屬粉末材料主要有鐵基合金、鎳基合金、鋁合金、鈦合金、銅合金及鈷鉻合金等[8]。

2.2 設(shè)備優(yōu)化

相比傳統(tǒng)設(shè)備，目前較新型的多激光選區(qū)熔化設(shè)備擁有不止一套激光器和掃描振鏡，解決了其成形效率低和成形尺寸受限的難題[9]。

多激光選區(qū)熔化設(shè)備成形時(shí)，每個(gè)激光器負(fù)責(zé)加工不同的區(qū)域，同時(shí)開展打印工作。針對(duì)多激光選區(qū)熔化技術(shù)的應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。華中科技大學(xué)光電國家實(shí)驗(yàn)室王澤敏等[10]利用其開發(fā)的四激光束選區(qū)激光熔設(shè)備，研究了四激光同時(shí)成形的Ti6Al4V搭接區(qū)與孤立區(qū)的組織性能。結(jié)果顯示，搭接區(qū)的組織性能未發(fā)生明顯的變化（見圖3）。

圖3 多激光打印設(shè)備種激光搭接區(qū)示意

2.3 支撐處理

支撐結(jié)構(gòu)在金屬增材制造技術(shù)中起著非常關(guān)鍵的作用，一方面需要支撐起零部件模型的懸垂區(qū)域，并將成形的金屬零部件錨定到基板上，避免成形過程中因重力及外部作用力（如SLM中鋪粉輥移動(dòng)等）而引起金屬零部件加工失敗；另一方面則起到熱傳導(dǎo)作用，將成形過程中的金屬零部件積累的熱量傳導(dǎo)出去，避免因熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力而引起翹曲變形、裂紋等[11]。

目前，可將柱狀支撐、點(diǎn)狀支撐、塊狀支撐、環(huán)狀支撐、網(wǎng)狀支撐及線狀支撐等多種樣式的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于SLM技術(shù)的零部件制造中。不同類型支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于金屬增材制造工藝的成形效果如圖4所示。由于這類支撐結(jié)構(gòu)生成方法并不復(fù)雜，因此在當(dāng)前的增材制造CAD軟件（如Magics、3DXpert等）、增材制造CAM軟件（如Cura、Kisslicer、Slic3r、Ice SL等）及支撐設(shè)計(jì)專用軟件（如E-Stage等）中都能夠提供支持。近幾年，也有相關(guān)研究人員探索將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、晶胞單元等填充類型作為打印模型的支撐結(jié)構(gòu)。

圖4 不同類型支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于金屬增材制造工藝的成形效果

2.4 工藝控制

SLM技術(shù)是多學(xué)科融合的工藝技術(shù)，包括復(fù)雜的熱力學(xué)、化學(xué)、物理及冶金學(xué)等問題，工藝過程中容易引起氣孔、裂紋及夾雜等內(nèi)部缺陷[12，13]?？赏ㄟ^優(yōu)化SLM過程中的工藝參數(shù)，例如激光功率、掃描路徑、掃描速率、搭接率及抬升量等，獲得性能優(yōu)異、致密度高的零部件。通常采用單位體積內(nèi)的平均施加能量，即體積能量密度E來表示，具體表達(dá)式[14]為

式中 E——體積能量密度（J/mm3）；

P——激光功率（W）；

v——激光掃描速度（mm/s）；

h——激光掃描間距（mm）；

t——層厚度（mm）。

2.5 復(fù)合增材制造技術(shù)

復(fù)合增材制造主要基于增材制造技術(shù)，在零件制造過程中采用一種或多種輔助工藝與增材制造工藝耦合協(xié)同工作，使工藝、零件性能得以改進(jìn)[15]。復(fù)合增材制造技術(shù)包括3D打印技術(shù)復(fù)合新技術(shù)、3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)復(fù)合制造技術(shù)，利用增材制造技術(shù)并非拋棄傳統(tǒng)制造技術(shù)。復(fù)合增材制造技術(shù)包括基于激光輔助的復(fù)合增材制造技術(shù)（見圖5）、基于軋制的復(fù)合增材制造技術(shù)、基于機(jī)加工的復(fù)合增材制造技術(shù)（見圖6）、基于激光鍛造復(fù)合增材制造技術(shù)，以及基于噴丸的復(fù)合增材制造技術(shù)等。

圖5 基于激光輔助的復(fù)合增材制造技術(shù)

圖6 基于銑削加工的復(fù)合增材制造技術(shù)

2.6 多材料增材制造技術(shù)

多材料增材制造（Multi-material Additive Manufacturing）技術(shù)是基于增材制造技術(shù)，對(duì)零部件的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用多種具有優(yōu)異性能的材料進(jìn)行整體成形，能夠優(yōu)化零部件的性能或者實(shí)現(xiàn)多種特殊功能，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的的零部件加工方法。多材料增材制造技術(shù)種類豐富，包括金屬和非金屬材料之間自組合或跨材料組合、材料多重組合、材料與氣孔點(diǎn)陣組合，以及多材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多種形式[16]。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 航空航天中的應(yīng)用

SLM技術(shù)方向的發(fā)展特點(diǎn)：適應(yīng)于小尺寸零部件加工，其加工精較高，但加工效率低[17]。SLM在航空航天的應(yīng)用主要體現(xiàn)在一體化復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)（如發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等）、小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（GTE）、輕量化結(jié)構(gòu)（如支架等）及仿生結(jié)構(gòu)（如機(jī)艙隔板、仿生隔板等）等方面（見圖7）。

圖7 SLM在航天航天上的應(yīng)用

3.2 軌道交通裝備制造中的應(yīng)用

目前，激光增材制造技術(shù)在軌道交通裝備制造中的應(yīng)用處于前沿探索性階段。在軌道交通運(yùn)維方面，德國聯(lián)邦鐵路公司陸續(xù)與Materialize、Concept Laser、EOS等企業(yè)進(jìn)行零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高軸承蓋的抗振性能和耐磨性，獲得了具有中空結(jié)構(gòu)的軸承蓋。阿爾斯通公司為了實(shí)現(xiàn)減重70%的目標(biāo)，采用SLM技術(shù)對(duì)列車的轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿安裝座進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)打印以及設(shè)計(jì)優(yōu)化。中國中車也采用SLM技術(shù)成形了機(jī)車高壓接地開關(guān)傳動(dòng)件（見圖8）。采用SLM技術(shù)成形的零件在性能上優(yōu)于鉚接或焊接制造的零件，抗壓性能提高了25%～75%，力學(xué)性能甚至優(yōu)于鍛件，同時(shí)零件尺寸誤差＜0.1mm[18]。

圖8 中國中車SLM成形傳動(dòng)件

3.3 植入體在激光增材制造中的應(yīng)用

在植入體的SLM技術(shù)應(yīng)用中，關(guān)鍵內(nèi)容有生物活性材料的設(shè)計(jì)、孔徑微觀結(jié)構(gòu)控制、植入材料成骨活性、材料生物力學(xué)性能，以及植入材料降解等。此外，還有生物活性陶瓷、鎂合金骨修復(fù)材料、金屬基材料或高分子材料的表面改性及材料復(fù)合活性因子添加等活性生物材料[19]。

SLM技術(shù)在國外的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面舉例如下：美國OSSEUS公司成形了鈦合金植入物Aries（見圖9a），孔隙率為80%，植入物可以在脊柱組織中生長；美國Zimmer公司成形了鈦金屬脊柱植入物（見圖9b）；德國EIT公司成形了孔隙率高達(dá)80%的鈦金屬椎間融合器（見圖9c），優(yōu)化了孔洞的尺寸和形狀。我國的企業(yè)中，愛康醫(yī)療推出鈦合金骨科植入物產(chǎn)品，用于全國首例19cm多節(jié)段人工椎體定制化手術(shù)的植入物（見圖9d）。

圖9 金屬植入物產(chǎn)品

4 展望

4.1 加快新型技術(shù)安全風(fēng)險(xiǎn)規(guī)制體系建設(shè)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有時(shí)會(huì)帶來一些安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能引起社會(huì)急劇變化。增材制造作為一種制造技術(shù)，也是一把“雙刃劍”，一方面促進(jìn)了人類生產(chǎn)方式的深刻變革，另一方面也成為國家安全、社會(huì)安全及公民人身財(cái)產(chǎn)安全等領(lǐng)域新的風(fēng)險(xiǎn)源[20]。

增材制造的風(fēng)險(xiǎn)包括以下幾種：①國防安全風(fēng)險(xiǎn)。②航空航天風(fēng)險(xiǎn)。③核安全風(fēng)險(xiǎn)。④社會(huì)安全風(fēng)險(xiǎn)。⑤食品安全風(fēng)險(xiǎn)。⑥醫(yī)療安全風(fēng)險(xiǎn)。⑦經(jīng)濟(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)。⑧生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 推動(dòng)多材料、多工藝協(xié)同金屬增材制造

金屬增材制造技術(shù)包含多種不同的工藝，如粉末床熔融、定向能量沉積、冷噴涂等，各種工藝已經(jīng)證明適用于不同的制造領(lǐng)域。從個(gè)性化到小批量、再到超過10萬件的大批量制造，增材制造正在創(chuàng)造一個(gè)個(gè)奇跡。然而，各種工藝都有其技術(shù)限制，無論受制于材料、尺寸還是成本，各項(xiàng)工藝無法通用。為推動(dòng)金屬增材制造多材料和多工藝融合發(fā)展，來自8個(gè)歐洲國家的21個(gè)工業(yè)和研究合作伙伴正在共同推進(jìn)一項(xiàng)名為MULTI-FUN項(xiàng)目。該項(xiàng)目為期3年，由歐盟“Horizon 2020創(chuàng)新計(jì)劃”資助，樹立兩個(gè)重要的戰(zhàn)略目標(biāo)：第一個(gè)是通過使用新型活性材料，提高金屬增材制造零件的性能；第二個(gè)是通過創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)高效的新增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大尺寸、多材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)協(xié)同制造。

5 結(jié)束語

增材制造被稱為第三次工業(yè)革命和“野蠻神器”，在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)證明，增材制造是生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、替換零件、按需制造，以及大規(guī)模定制產(chǎn)品的理想選擇。作為金屬增材制造中研究較為成熟的SLM技術(shù)，在航空航天、軌道交通裝備制造、植入體、高附加值產(chǎn)品修復(fù)與再制造等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。設(shè)備、材料與工藝，是構(gòu)成SLM的3個(gè)核心要素。打印策略、材料優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)化、模型處理、支撐處理、仿真分析、工藝控制、質(zhì)量控制、職業(yè)與職業(yè)健康控制是SLM的關(guān)鍵技術(shù)。復(fù)合增材制造、多材料增材制造、超材料增材制造是SLM研究的前沿技術(shù)。SLM面對(duì)著眾多機(jī)遇與挑戰(zhàn)，未來SLM領(lǐng)域應(yīng)加快新型技術(shù)安全風(fēng)險(xiǎn)規(guī)制體系建設(shè)、完善標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)多材料多工藝協(xié)同金屬增材制造，加快智能化高精密高效率裝備研發(fā)、高端專用材料研究與開發(fā)，加強(qiáng)專利布局與基礎(chǔ)人才隊(duì)伍建設(shè)，注重全過程自主可控。