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选区激光熔化技术用于快速成型 |
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作者：广州瑞通激光科技有限公司 王红卫 吴伟辉 王迪 |
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传统制造零件往往采用多个步骤来完成制造过程，从零件的设计到零件的制造完成需要一个很长的周期，不利于快速将产品推向市场。此外，采用车、割、刨、削、磨等材料去除的方法制造零件，材料浪费严重。再者，对具有复杂内腔结构的零件或者具有复杂曲面的零件，传统制造方法很难加工。分层制造方法的出现使得上述问题变得简单。
随着分层制造技术（Layer Manufacturing）的发展，其研究热点转变到快速直接制造上。目前直接成型金属零件的快速成型方法包括激光立体成型、选择性激光烧结与选区激光熔化技术。激光立体成型技术使用的是大功率激光器，由于激光光斑较大，虽然可以得到冶金结合金属零件，但其尺寸精度和表面光洁度不好。选择性激光烧结工艺成型材料是低熔点金属粉末或树脂包裹金属粉末，尽管该方法可以把低熔点的金属粉末制成三维实体，但其强度和硬度不能满足模具或金属构件的使用要求。选区激光熔化技术（SLM，Selective Laser Melting）理论上可得到密度接近100%与高尺寸精度（<0.1mm）金属零件。SLM技术因其能够成型任意复杂几何形状的零件，使得其在复杂曲面、小批量生产零件方面具有很大的优势，如个性化医学植入体、定制化义齿、航空小零件、注塑模具的直接制造。
SLM金属零件成型研究存在如下的难点：
◆ 整套设备昂贵，实验过程耗费较大，原因是其系统集成度高，包括激光器与光路系统、机械与控制单元、计算机软件学、密封成型室等；
◆ 技术集成度高，包括光学、机械、控制、材料及软件等；
◆ SLM工艺复杂，需要考虑的因素多。
对SLM成型件质量影响因素分成以下部分：光路与激光器、材料、扫描控制、机械单元、几何处理、外界环境。国外研究者分析有130个因素对SLM成型件质量产生影响，其中具有决定影响的有13个之多。
选区激光熔化技术原理
选区激光熔化技术采用了快速成型的基本原理，即先在计算机上设计出零件的三维实体模型，然后通过专用软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据导入快速成型设备，设备将按照这些轮廓数据，控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。图1是选区激光熔化技术的原理示意图，在激光束开始扫描前，水平刮板先把金属粉末平刮到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降平台下降一个图层厚度的距离，水平刮板在已加工好的当前层上铺上金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其它气体发生反应。
图1、选区激光熔化直接成型原理示意图
选区激光熔化技术具有很多优异的特点，诸如：
◆ 直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节；
◆ 金属零件具有很高的尺寸精度（达0.1mm）和表面粗糙度（Ra约30～50m）；
◆ 制造出来的金属零件是具有冶金结合的实体，其相对密度几乎能达到100% ；
◆ 成型材料包括不锈钢、钛合金、工具钢等多种材料；
◆ 适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构（如空腔）、用传统方法无法制造的复杂工件；
◆ 医用定制化手术模板、牙冠牙桥等直接制造。
目前德国在该领域处于领先地位，已有多家公司及研究单位推出了选区激光熔化商品样机，并且已成功地用选区激光熔化工艺制造出了组织致密、成型精度高、力学性能良好的金属零件。EOS GmbH公司的EOSINT M270快速成型设备采用了性能优良的Yb光纤激光器，能将激光束光斑直径聚焦到100m，大大改善了零件成型的质量，并且由于这种激光器的激光波长较短（1.06m），可使金属材料很好地吸收激光辐射过来的能量，大大提高激光扫描的速度，减少成型时间。该设备最大加工体积可达250mm×250mm×215mm，加工层厚为20～100m，加工速度可达20mm³/s。MCP公司的MCP Realizer_med快速成型设备，已能生产100%相对密度的金属零件，表面粗糙度能达到Ra10～30m。其生产过程相当快速、有效，产品在数小时内就能生产出来，加工过程全自动化，高速过程能每小时建立 5cm³ 接近100%相对密度的钢零件，产品只需作简单的喷砂或抛光就可直接使用。可以将每个加工层控制得很薄（能达到30m），大大提高了成型的精度。此外，德国的Concept Lasers公司的M3快速成型设备、Phenix-systems公司的PM250快速成型设备都可应用于金属零件的选区激光熔化快速成型。
图2、广州瑞通与华南理工大学联合开发的SLM设备外观
Di-metal280快速成型系统
广州瑞通与华南理工大学联合开发了Dimetal-280系统，它的最大优势是使用波长1075nm掺镱双包层连续式200W光纤激光器。机械单元拥有高精度五轴自由度和X/Y方向扫描控制。成型缸及盛粉缸的升降精度对成型质量有关键的影响，系统拥有升降精度达±5m的精密铺粉系统，实现10m～100m的粉厚铺设。
系统配备高速、高精度的振镜扫描单元及进口f-θ透镜，保证在扫描范围内的激光斑点功率密度几乎一致。自主开发的SLM成型控制软件、专业的切片软件、SLM扫描路径规划软件配合使用，使得成型过程自动化，软件系统结构图如图3所示。同时成型过程由CCD实时监控，可方便查看加工历史记录。金属熔化后容易发生氧化，所以系统拥有高密封度的成型室，成型室中通入高纯氩气或氮气，保证成型过程在含氧量很低的环境中进行。
图3、控制软件系统结构图
SLM成型件性能
SLM成型零件的组织与通常铸造退火后的零件组织有很大区别。图5所示为SLM成型316L不锈钢零件的显微组织。对SLM成型316L不锈钢试件进行拉伸性能测试，拉伸强度636Mpa，延伸率15%～20%。试件硬度值在HV 250～275范围。 
图4、SLM应用举例：图4a显示了定制化手术导板制作；
图4b显示了个性化多孔植入体制作；图4c显示了个性化牙桥牙冠直接制造；图4d显示了手机面板注塑模具快速制造。
图5、SLM试件内部组织
结论
选区激光熔化技术满足快速将产品推向市场的现代化生产需要，是一种很有发展前景的快速成型技术，代表快速成型技术未来的发展方向。目前，该技术在国外得到了长足的发展，在我国还处于刚刚起步的阶段。相信市场对产品快速需求的提出，以及医疗行业患者对个性化产品的要求，选区激光熔化技术将逐渐取代一部分传统的加工方法。(end)
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(4/2/2010) |
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