一、SLM技術(shù)的原理和特點(diǎn)

激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)是利用高能量的激光束，按照預(yù)定的掃描路徑，掃描預(yù)先鋪覆好的金屬粉末將其完全熔化，再經(jīng)冷卻凝固后成形的一種技術(shù)。其技術(shù)原理如下圖所示。

圖1 激光選區(qū)熔化技術(shù)原理圖

SLM技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①成形原料一般為一種金屬粉末，主要包括不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鈷一鉻合金、高強(qiáng)鋁合金以及貴重金屬等。

②采用細(xì)微聚焦光斑的激光束成形金屬零件，成形的零件精度較高，表面稍經(jīng)打磨、噴砂等簡單后處理即可達(dá)到使用精度要求。

③成形零件的力學(xué)性能良好，一般拉伸性能可超鑄件，達(dá)到鍛件水平。

④進(jìn)給速度較慢，導(dǎo)致成形效率較低，零件尺寸會受到鋪粉工作箱的限制，不適合制造大型的整體零件。

二、SLM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

SLM技術(shù)實(shí)際上是在選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種激光增材制造技術(shù)。但是在SLS成形過程中存在粉末連接強(qiáng)度較低的問題，為了解決這一問題，1995年德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所提出了基于金屬粉末熔凝的選區(qū)激光熔化技術(shù)構(gòu)思，并且在1999年在德國研發(fā)出了第一臺基于不銹鋼粉末的SLM成形設(shè)備，隨后許多國家的研究人員都對SLM技術(shù)展開了大量的研究。

目前，對SLM技術(shù)的研究主要集中在德國、美國、日本等國家，主要是針對SLM設(shè)備的制造和成形工藝兩方面展開。國外有許多專業(yè)生產(chǎn)SLM設(shè)備的公司，如美國的PHENIX、3D SYSTEM公司；德國的EOS、CONCEPT、SLM SOULITION公司；日本的MATSUUR、SODICK公司等，均生產(chǎn)有性能優(yōu)越的SLM設(shè)備，目前德國EOS公司生產(chǎn)的EOSM400型SLM設(shè)備最大加工體積可達(dá)400mm×400mm×400mm。

在中國對SLM設(shè)備的研究主要集中在高校，華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)等高校在SLM設(shè)備生產(chǎn)研發(fā)方面做了大量的研究工作，并且成功應(yīng)用，其中華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)以大尺寸激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備研究與應(yīng)用獲得2011年國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。但是國內(nèi)成熟的商業(yè)化設(shè)備依舊存在空白，目前國內(nèi)使用的SLM設(shè)備主要還是以國外的產(chǎn)品為主，這將是今后中國SLM技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。

三、SLM技術(shù)的運(yùn)用

SLM技術(shù)自成功開發(fā)后，其輕量化的零件構(gòu)造特點(diǎn)就被各大航空、汽車公司所青睞。下圖是著名的航空工業(yè)供應(yīng)商LiebherrAirbus和德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)合作開發(fā)，借助EOS公司生產(chǎn)完成的印液壓閥，目前已通過Airbus A380的飛行測試。

圖2 傳統(tǒng)方法制造的閥體（左）和經(jīng)過優(yōu)化的金屬3D打印閥體（右）

全新的增材制造閥體由鈦合金制成，性能與傳統(tǒng)閥門相同，但重量減少了35％，使用的零部件更少。可以將10個(gè)功能性元件集成到新的閥體中，而不必使用具有大量橫向孔的管道系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的銑削工藝相比，工業(yè)3D打印復(fù)雜性更低而材料利用率極高，最大限度避免了鈦合金的浪費(fèi)。如今，制造一臺閥體需要大約一天的時(shí)間，EOS公司的生產(chǎn)制造時(shí)間還可能縮短75%以上。輕量化3D打印閥體和未來的3D打印零部件也將有助于降低燃油消耗、減少二氧化碳和氮氧化物的排放。

同時(shí)，還有美國GE公司于2012年收購的Morris Technologies公司，該公司利用Morris的SLM設(shè)備與工藝技術(shù)制造出了噴氣式飛機(jī)專用的發(fā)動機(jī)組件，如下圖所示，GE公司明確地將激光增材制造技術(shù)認(rèn)定為推動未來航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 SLM技術(shù)所制的發(fā)動機(jī)葉輪

圖4 GE公司使用SLM技術(shù)所制的燃料噴嘴

同時(shí)SLM技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用，西班牙的Salamanca大學(xué)利用澳大利亞科學(xué)協(xié)會研制的Arcam型SLM設(shè)備成功制造出了鈦合金胸骨與肋骨，如圖所示，并成功植入了罹患胸廓癌的患者體內(nèi)。

圖5 SLM技術(shù)所制的鈦合金胸骨與肋骨

西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)和華南理工大學(xué)是我國從事SLM技術(shù)研究較早較深人的科研單位，他們分別應(yīng)用SLM技術(shù)制造出了大量的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件，如下圖所示。

圖6 復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件

圖7 蜂窩多孔金屬零件

圖8 不銹鋼多孔復(fù)雜零件

目前，激光增材制造技術(shù)所應(yīng)用的材料已涵蓋鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等，在航空航天領(lǐng)域中高性能復(fù)雜構(gòu)件和生物制造領(lǐng)域中多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造具有顯著優(yōu)勢。