激光快速成（chéng）型（LaserRapidPrototyping，LRP）技術（shù）是近20年來製造技術的一項重大突破（pò）。該技術是一種涉及多（duō）門學科的新型綜合製造技術，其（qí）對製（zhì）造業的影響力可（kě）與20世紀五六十（shí）年代的數控機床相比。金屬零件快速製（zhì）造技術代表了RP技術的***新發展方（fāng）向。
國外對（duì）RM的理論與工藝研究也相對成熟，而且在近幾年已有多家公司推出商品（pǐn）化的設備。而國內主要（yào）是對基（jī）礎工藝的研究，主要研究單位包括西北工業大學、北京航空航天大學、華南理工大學、華中科技大學、南京航空航天大學、清華大學等。RM技術***大的優（yōu）勢是其不需要模（mó）具或工具加工，直接獲得需（xū）求的功能零件。雖（suī）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麵具有很大的競爭（zhēng）優勢，但由於RM技術（shù）在國內（nèi）市場上剛（gāng）剛出現並且關鍵技術不成熟，還（hái）沒有被市（shì）場普遍接受。
目前（qián），真正能夠製造精密金屬（shǔ）零件的快速成型技術隻有（yǒu）選區激（jī）光熔化和選區激光燒結。選區激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）成型方法成（chéng）型金屬零件時,多采用樹脂或低熔點材料包覆的（de）金屬粉末作為（wéi）原材料，通過激光掃描使樹脂熔化（huà）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（如青銅等）來提高致密度。SLS技術成型金屬零件工序（xù）複雜且零件強（qiáng）度與精度多數情況下仍達不到要求。而選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術是一（yī）種極具創新的快速成（chéng）型技術，能一步加工出具有冶金結合，相對密度接近****，具有複雜結構、高的尺寸精度的金屬零件。
金屬零（líng）件快（kuài）速製造技術
金屬零件（jiàn）快速製造係統可分為3類：
（1）使（shǐ）用激光照射預先鋪展好的金屬（shǔ）粉末，即金屬零件成型完畢後將完全被（bèi）粉（fěn）末覆蓋（gài）。目前這種方法（fǎ）在市場（chǎng）上、各科研院所采用***多，包括選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬激光燒（shāo）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流，激光與（yǔ）輸送粉末同時工作，也稱為激光淨成型（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。該方法目前在國內使用比較多，如（rú）西北（běi）工業大學研究的激光立體成型、北京航空（kōng）航天大學采用此方法成型（xíng）大型鈦合金件。
（3）采用電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）預先鋪展好的（de）金屬粉末。此方法與第1類原理相似，隻是采用熱源不同，分別為高功率激光和電子束。在瑞典（diǎn）已出現商品化EBM設備，國內（nèi）清華大學進行（háng）了（le）前（qián）期的設備開（kāi）發（fā）與工（gōng）藝研究。因（yīn）目（mù）前市場上RM設備型號繁多，本課題主要對******類（lèi）成型係統進行（háng）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（shàng）述2種技術類似，也進行了部分說明。
1、SLM/DMLS技術
SLM/DMLS成（chéng）型過程原理與SLS基本相（xiàng）同。DMLS技術使用材料多為（wéi）不（bú）同金（jīn）屬組（zǔ）成的混合物，各成分在燒結過程中相互補償，有利於（yú）保證製作精度。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術需要高功率密度（dù）激光器，光斑聚焦到幾十（shí）μm到幾（jǐ）百μm。SLM技術目前***常使用光束模式優良的光（guāng）纖激（jī）光器的激光功率在50W以上，功率密度達5×106W/cm2以上。國外（wài）研究工作者總結發現，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（dìng）作（zuò）用。
根據（jù）自身經驗將影響SLM成型質量的因素分為六大類，包括：材料（成分形貌、粒度分布、流動性、物性等），激光與光路係統（激光（guāng）模式、波長、功率、光斑直（zhí）徑），掃描特征（掃描速度、掃描方法、層厚、掃（sǎo）描線間距等），外界環境（氧含（hán）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、鋪粉機構的穩定性等）。考查SLM成型件的指標，主要為（wéi）致密度、精度、表麵粗糙度、零件內部殘餘應力、強度與硬度6個，其他特（tè）殊應用的零件需根（gēn）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（qiào）曲變形、裂紋。目前SLM技術（shù）所麵臨的***大挑戰為：成型效率、可重複性（xìng）、可靠性（設備穩定性），這也是RM行業所麵臨的（de）***大挑戰。
2、選擇性（xìng）激光燒結成型（SLS）
SLS技術分為直（zhí）接（jiē）製作金屬零件和間接製作金屬零件2種。直接製作金屬零件采用至少（shǎo）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）金屬粉末顆（kē）粒間隙，將結構材料粘結起來燒結（jié）成金屬（shǔ）零件的方法。SLS直接製作金屬件還（hái）可（kě）以（yǐ）通過（guò）激光熔化金屬（shǔ）粉末（mò）顆粒的外層，而粉末顆粒的內部並（bìng）沒有熔化的方式，將（jiāng）粉末顆粒通過外層燒結粘結（jié）在一起。SLS間接製作金（jīn）屬零件是采用高分子聚合物材料包裹高熔點的金屬粉末，激光熔化聚合物材料以將金屬粉末（mò）粘結起來（lái）獲得（dé）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（zhì）件（jiàn）的密度。SLS兩（liǎng）種成型金屬零件的方法由於都是使用低熔點（diǎn）粉（fěn）末粘結高熔點粉末，使（shǐ）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（zào）上。SLS技術的關鍵是新（xīn）型材（cái）料的研製，適用於SLS技術的材料範圍廣泛，該技術本身生（shēng）產效率高，成型（xíng）過程易（yì）於控（kòng）製。
3、電子（zǐ）束熔化成型技術（EBM）
EBM與SLM/DMLS係統的差別主（zhǔ）要是熱源不同（tóng），成型原理（lǐ）基本相似。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（gāo）。因使用電子束作為熱源（yuán），金屬（shǔ）材（cái）料對其幾乎沒有反射（shè），多以（yǐ）能（néng）量吸收率大（dà）幅提高。在真空環境下，材料熔化後的潤濕（shī）性也大大提高，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（rú）下問題：
（1）在真空室抽氣過程中粉末容易被氣流帶走，造成係統汙染；（2）在電子束作用下，粉末容易潰散。因此，EBM技術需（xū）要將係統預熱到＞800℃，使得粉末在成型室內（nèi）預（yù）先燒結固化在（zài）一（yī）起。優（yōu）點是EBM成型過程效（xiào）率高，零件變形小，成型過程（chéng）不需要金屬支撐，微觀組織致密等。缺點是高（gāo）預熱溫度對係統整體結構提出非常（cháng）高的要求，加工結束（shù）後零件需要在真空成型（xíng）室中冷卻相當長（zhǎng）一段時（shí）間，降低了零（líng）件的（de）生（shēng）產（chǎn）效率。
商品化RM設（shè）備及性能（néng）
世界範圍內，已經有（yǒu）多家（jiā）成熟的（de）RM設備製造商，包括德國（guó）EOS公司（EOSINGM270，DMLS技術）、德國MCP公（gōng）司（Realizer係列，SLM技術）、Conceptlaser公司（MCusing係列，laser Cusing技術）。瑞典Acram公司的EBM設備也占有重要地位（wèi）。目前，近年來幾乎所有的（de）SLM/DMLS設備都采用光纖激光器（qì），因（yīn）為光（guāng）纖激光器幾乎（hū）免維護、光束質量優（yōu）良、光電轉化效率高等優點使其應用（yòng）於RM優（yōu）勢（shì）很明顯。隨著光纖激光器的發展，使用的光纖激（jī）光器的功率（lǜ）有逐漸加大的傾向，從初始的50W到目前的主流200W。值（zhí）得注意的（de）是，conceptlaser公司的laser Cusing技（jì）術並（bìng）沒有采用振鏡掃描，而使用非主流的（de）x/y軸數控（kòng）係統，通過伺服電（diàn）機帶動激光頭根據零件（jiàn）的輪廓軌跡在x/y方（fāng）向運動，所以其成（chéng）型零（líng）件（jiàn）範圍可（kě）以不（bú）受（shòu）振鏡掃描範圍的限製，其所成型（xíng）零件（jiàn）效率與（yǔ）尺寸精度可達到SLM/DMLS技術同一水平。
1、各公司商品化設備（bèi）係列
表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（shēng）產商將設備進行係列化生產，配置不（bú）同的能量源與成型零件尺寸以滿足不同客戶的需求。SLM/DMLS技術要求粉末完全熔化（huà），激光（guāng）功率密度要求高。商品化的RM設備幾（jǐ）乎全部采用光（guāng）纖激光器，MCP公司（sī）與EOS公司已經研發400W的光纖激光（guāng）器應用以提高成型效率。
表（biǎo）1 市場上RM設備總結（jié）
2、各公司對應設備成型（xíng）製造性能
表（biǎo）2是各RM係統使用的典型材料、層厚及成型件的主要性能指標。各設備（bèi）製造商選用的材（cái）料種類相似，主要包括不鏽鋼、鈦合金、工具鋼、鈷（gǔ）鉻合金等，其中EOS公司成型所用材料主要為自主研發。各RM設備的層（céng）厚一般設定在50μm左右。層厚（hòu）太薄，雖然能夠提高成型的質量，但降低加工效（xiào）率，而當層（céng）厚（hòu）加大，將使成型質量變差。比較（jiào）各生產商的RM設備成型件的質量發現，在致密度、尺寸精度與表麵粗（cū）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（zài）尺寸精度與表麵粗糙度上相對差一些，主要是因為電子束（shù）聚焦光斑比較大而造成。
表（biǎo）2 各（gè）RM設備對應的材料、加工層厚、成型件性能指標
3、應用舉例
目前SLM/DMLS快速成型係（xì）統主要應用在航空航天（tiān）、汽車、醫學（xué）個性化件製造、小型注塑模具及鑲件（jiàn）等領域，還針對小批量、個性化（huà）的一（yī）些複雜（zá）件進行（háng）加工。使用RM設（shè）備（bèi）***多的還是一些（xiē）研究機構與軍工單位（wèi）。RM技術的***大優勢是其在幾（jǐ）何形狀上幾乎無限製。SLM/DMLS就如同激光加工行業興起之初，設備生產商對激光技術應用於哪一行業還沒有完（wán）全摸清，隻能一步步的從傳統加工行業中（zhōng）挖掘潛在的應（yīng）用。同（tóng）樣RM技術需要行內專業人士尋找（zhǎo）潛（qián）在（zài）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（miàn）：基礎的理論研究、成型工藝研究、應用研究（jiū）、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（líng）件的直接製（zhì）造。
***新研究表明，SLM/DMLS成型特定的幾種材料能夠達到近乎****的致密度。成型材（cái）料包括316L不鏽鋼、鈦和鈦合金、工具鋼、鈷鉻合金、銅（tóng）合金、鋁合金等。針對RM成型零件致密度的研究是此領域內的一個核（hé）心問題，首先（xiān）要求致密度達到近乎****，至少達到（dào）與鑄造件相當的力學性能。另外，致密度根據需要可以自由控製，達到可控致密度或梯度致密度。EOS公司與Arcam公司使用的掃描策略便是建立在（zài）此理論（lùn）基礎上，零件***外幾層采用（yòng）低速掃描，而（ér）內部采用高速掃描（miáo），大（dà）大節省了加工時間。為提高零件致密度，研究人員采用的研究方（fāng）法包括工藝參數搜索、使（shǐ）用特殊的掃描策略、表麵重熔（róng）和改變材（cái）料的物理特性等方法。另外，掃描成型過程中熔池飛濺、球化和粘粉等因素導致SLM/DMLS表麵粗糙度較高，是限製該技術廣泛應用的一個重要因素。雖（suī）然RM設（shè）備廠家通過後處理的方法可以大大提高表麵（miàn）質量，但針對一些內腔表麵複雜，或者部分精細零件，後處理將可能導致成型件損壞。SLM/DMLS成（chéng）型過程（chéng）中有一些缺（quē）陷是其本身固有的，如殘餘熱應力的存在和成（chéng）型麵朝下時容（róng）易（yì）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（tōng）過特殊的掃（sǎo）描方法，促使成型過程中熱量分布（bù）均勻，或（huò）者通過後續的熱處理消除熱應力。雖然SLM/DMLS技術宣稱可以加工任意複雜的金屬（shǔ）零件，對幾何形狀沒有限製，但作者在實際成型過程中發現：一些薄壁、平行於Z軸方向的圓孔、方孔容易產生薄壁損壞、Z軸孔隙塌陷（xiàn）等缺陷。SLM/DMLS技術（shù）對於一些精細結構（如＜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（yán）究。相對於傳統的（de）模具製造方（fāng）法（fǎ），RM技術雖然（rán）大大縮短了產品研發周期，可以直接製造功能零件或者注塑模具，但因RM的加工（gōng）層厚薄，即使小體積單個零（líng）件也可能需要加工幾個小時（shí），而體積大（dà）的單個零件更需要20~30h，甚至（zhì）幾天時間，長時間的加工對RM設備（bèi）的可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要（yào）。國外已經針對此課題進行了初步（bù）研究，主要思路是靈活改變激光功率、掃描速度與改變加工層厚，也可以根據的零件（jiàn）的使用要求采用特殊的掃描策略等。
具體方（fāng）法如下：
（1）在加工件致密度下降不大的情況下，適當的（de）提（tí）高掃描速度和（hé）加工層厚，相應的提高激光功率值。
（2）采（cǎi）用外輪（lún）廓低速（sù）掃描，內部實體高速掃描（miáo）的方式，也能夠大大提高生產效率國內研究（jiū）現狀國內（nèi）目前在RM方麵開展研究的單位主要（yào）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（guāng）堆積（jī）成型技術）、清華大學（EBM技術）、華南理工大（dà）學（SLM技術），華中科技大學（SLS/SLM技術）。國內在RM方麵起（qǐ）步（bù）晚（wǎn），落後於歐洲******6~8年，且研究的方向也（yě）較為單一（yī），主要還是集中在工藝、理論（lùn）與設備的基礎研（yán）究。目前國內還（hái）沒有商品化的RM快速成型設備，研究費用大多來（lái）源於******攻關項目資助、各級政府（fǔ）部門的資助。
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2007年（nián）華南理工大學在DiMetal-240基礎上，與廣（guǎng）州瑞通激光科技（jì）有限公司合作開發了第二套SLM製造設備樣機DiMetal-280，新係統的特點包括以下（xià）6方麵。
（1）為滿足直接成型高精度全致密金屬零件需（xū）要，采用了具有高光束質量（liàng）（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（de）振鏡掃（sǎo）描係統及德國進口f-θ透（tòu）鏡。掃（sǎo）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（gōng）率分布均勻直徑為30~50μm聚焦光斑。
（3）係統采（cǎi）用高精度六軸伺服電機控製實現粉（fěn）末的******鋪設。成型（xíng）缸及鋪粉（fěn）缸的升降精度可達（dá）±10μm。還專門針對金屬零件快速（sù）製造工藝的（de）特點，設計了獨特的鋪粉刮板，該（gāi）鋪粉刮板能自動維護成型過程穩（wěn）定進行。
（4）針（zhēn）對金屬粉末在熔化過程（chéng）中的氧化，采用整體和局部惰性氣體保護，並安裝了煙氣過濾裝置，保護氣體包括氬氣和氮氣，成型過程（chéng）中成型室內含氧量控製在0.1％以下（xià）。
（5）所用軟件包括激光成型過程控製軟件、SLM掃描路徑生成與優化（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（yǔ）優化軟件都是自主研發（fā），可以針對金屬零件成型的工藝特點獲得（dé）***優的激光參數、鋪粉參數以及（jí）掃描路徑。
（6）設備直接成型高致密且具有較高成型（xíng）精度（dù）的金屬零（líng）件（jiàn），僅需簡單噴砂或拋光後處理即可投入使用。成（chéng）型（xíng）零件相對密度≥97%，尺寸（cùn）精度±0.1mm/100mm。
當前Dimetal-280設備樣機性能指標基本接近國外商品化樣機水準，表3是該（gāi）設備的技術指標與國外同類設備的對比（bǐ）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（yǔ）國外同類產品相比較，比如成（chéng）型件的精度與致（zhì）密（mì）度（dù）等。因國外RM設備成型室內（nèi）環境控製（zhì）比（bǐ）較好，在材料成分控製方麵也相當嚴格，整機的係統（tǒng）穩定性優良，這也是下一步努力的目標。SLM設（shè）備所需要的關鍵部件包括光纖激光器、F-theta聚焦鏡、高速掃描振鏡等是進口。Dimetal-280設備先後成功成（chéng）型了（le）各種複（fù）雜形狀的金屬零件，如圖1所示，這些零件（jiàn）具有（yǒu）≥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（kě）投入使用。
圖1 華南理工大學Dimetal-280 設（shè）備成型典型樣件
表3 Dimetal-280 SLM設備技（jì）術（shù）指（zhǐ）標與國外同類設備的（de）對比數據
圖2為SLM成型316L不鏽鋼零件的微（wēi）觀組織。對SLM成型（xíng）316L不鏽鋼試件進行拉伸性能測試表明，拉（lā）伸強度（dù）＞600MPa，延伸（shēn）率＞15%，試（shì）件顯微硬度值為HV250~275。顯微硬度測試壓力為3N，壓力施（shī）加時間為15s。
圖2 Dimetal-280成（chéng）型316L不鏽鋼件（jiàn）微觀組織
SLM技術應用領域
是否選用（yòng）RM製造，要考慮零件的尺寸（cùn）（零件的體（tǐ）積）與形狀複雜度，而零（líng）件的質量（liàng）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加工成本，而零件的質量要求決定了RM技術是否能夠滿足實際需求。
（1）零（líng）件尺寸與複雜度：零件越小且複雜，選用RM技術將有更大優勢。當零件小（xiǎo）而複雜，RM每次成型（xíng）可以達到幾十甚至幾百個，相比傳統的機（jī）加工將（jiāng）更有優勢。RM製（zhì）造成本與零件體積大小成正比例關（guān）係。
（2）質量要求：包括零件（jiàn）的強度、尺寸精度、表麵質量等。也許目前RM技術（shù）遇到的***大問題就是零（líng）件質量還不（bú）能夠完全（quán）達到傳統加工方法。相比傳統（tǒng）方法，RM技術在尺寸精度、材料可靠性、表麵質量（liàng）等方麵還較為遜色。因此，當（dāng）零件強（qiáng）度與（yǔ）表麵質量要求很高時，RM技術可能不合適。
RM技術目（mù）前主要應（yīng）用於新概念產品（pǐn）的快速研發中，以縮短加工周期。用於批量產品的加工還很少有報（bào）道，EOS公司報道（dào）DMLS技術應用於牙橋牙冠的批量生產工藝較為成熟，一次成型（xíng）牙冠可以達到500個。
SLM在國內推（tuī）廣的難點與下一步工作方向
國外SLM設備（bèi）售價大概在500~700萬元，這並不包（bāo）括後續的材（cái）料使用費等。國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（cāo）作人員需要對其技術原理深入的了解也是限製設備應用的一個重要因素。SLM設備維護費用較為昂貴（guì），包括保護氣體（tǐ）、從原廠商購買（mǎi）成型材料等。但巨大的市場價值，使得國內很多高校與科研機構開始涉足（zú）SLM技術的研究。但目前國內SLM技術的發展與推廣還（hái）存在一些問題。主要是該技術（shù）係統集成度高，需要綜合材料、光學、軟（ruǎn）件、數控、機械等多門類人才共（gòng）同研發（fā）。設（shè）備研發周期長，技術難度大，導（dǎo）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國外（wài）的水平，目前（qián）也還隻能製作一些尺寸較小的工件。在配套材料（liào）的研發（fā）上也缺少成熟的理論（lùn）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線，才能在我國較大範圍推廣（guǎng）這項技術。
作者（zhě）：楊永強 王迪 楊斌 羅子藝 盧建斌 華南理工大學（xué）
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