激光選區(qū)熔化金屬3D打印設(shè)備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

楊澤云 杜青泉 門正興 鄭金輝 李 其 馬亞鑫(.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川600；.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川68000)

隨著金屬3D打印技術(shù)在各個領(lǐng)域的成功應(yīng)用，特別是美國通用電氣公司在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域大量使用以及國產(chǎn)大飛機(jī)C919上使用多個金屬3D打印零件，極大地激發(fā)了國內(nèi)金屬3D打印設(shè)備的研發(fā)[1-2]。同時，我國對金屬3D打印技術(shù)發(fā)展非常重視，先后發(fā)布的《高端智能再制造行動計劃(2018—2020年)》、《智能制造2025》規(guī)劃等政策文件都對金屬3D打印技術(shù)給予了大力支持。在《國家支持發(fā)展的重大技術(shù)裝備和產(chǎn)品目錄(2017年修訂)》中，工業(yè)級增材制造裝備以及重要元器件進(jìn)入免稅目錄，將進(jìn)一步降低國產(chǎn)金屬3D打印設(shè)備的成本。在多種因素的推動下，我國金屬3D打印技術(shù)蓬勃發(fā)展，其中激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)(Selective laser melting，SLM)是目前最為重要、應(yīng)用最為廣泛的金屬3D打印技術(shù)[3-6]。

1 SLM設(shè)備基本構(gòu)成

激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)采用高能量密度激光器作為熱源，通過激光照射實現(xiàn)單層球形金屬粉末熔化后快速凝固，再用金屬粉末覆蓋已成形區(qū)域，如此過程反復(fù)最終形成零件[7]。激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)成形零件最大成形尺寸為300 mm×300 mm×300 mm左右(單激光)，尺寸精度20～50 μm，是目前成形高精度小型金屬零件的主要方法[8-9]。激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)目前最主要的問題是如何提高零件的致密度、降低孔隙率、提高零件力學(xué)性能。圖1所示為激光選區(qū)熔化成形設(shè)備示意圖，其硬件主要可以分為光學(xué)系統(tǒng)、粉末系統(tǒng)以及保護(hù)系統(tǒng)三大部分(如表1)。由圖1可知，SLM設(shè)備結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，其主要控制參數(shù)包括掃描速度、掃描路徑、激光功率、鋪粉厚度等。SLM設(shè)備成形精度主要依靠光學(xué)振鏡系統(tǒng)的X/Y方向控制、鋪粉系統(tǒng)和成形缸Z軸移動共同實現(xiàn)，而設(shè)備的主要成本來自激光器的價格，且主要元器件均為進(jìn)口。由于目前激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)理論還不成熟，因此針對某種材料的最優(yōu)化工藝參數(shù)只有通過大量的實驗獲得，因此是否能夠提供豐富的材料成形數(shù)據(jù)庫也是衡量SLM成形設(shè)備是否成熟的重要標(biāo)志。SLM成形設(shè)備的控制系統(tǒng)也是設(shè)備的主要難點，激光燒結(jié)路徑的不同對零件殘余應(yīng)力分布、零件致密度等主要性能都有重要影響。

圖1 SLM設(shè)備成形過程示意圖Figure 1 Schematic of forming process by SLM equipment

表1 SLM設(shè)備硬件主要構(gòu)成Table 1 Main components of SLM equipment

表2 國內(nèi)主要的SLM設(shè)備廠家和設(shè)備參數(shù)Table 2 Major manufacturers and equipment parameters of domestic SLM equipments

2 SLM設(shè)備國內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)

近年來，隨著國家政策鼓勵以及金屬3D打印在各個行業(yè)的不斷應(yīng)用，國內(nèi)SLM設(shè)備商發(fā)展到20多家，國內(nèi)主要SLM設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)如表2所示(排名不分先后)。在產(chǎn)業(yè)化方面，西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司2017年建成了40 000 m2智能化科研生產(chǎn)基地，擁有各種金屬3D打印設(shè)備50套左右，是國內(nèi)最大的金屬3D打印基地。2017年12月華曙高科與中國商飛簽署合作協(xié)議，推動3D打印在民機(jī)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在成形零件尺寸方面，蘇州西帝摩公司2017年10月展示了全球最大SLM技術(shù)金屬3D打印機(jī)XDM750，最大成形尺寸為750 mm×750 mm×500 mm。南京中科煜宸公司5年內(nèi)銷售金屬3D打印設(shè)備130多臺套，激光功率最大超過10 kW。成都雍熙聚材科技有限公司是目前四川地區(qū)唯一一家工業(yè)級金屬3D打印設(shè)備供應(yīng)商，其設(shè)備采用500W光纖激光器，成形尺寸達(dá)到300 mm×300 mm×400 mm，在國內(nèi)同類產(chǎn)品中較為領(lǐng)先。此外，國內(nèi)激光企業(yè)如大族激光、金運激光等也在金屬3D打印領(lǐng)域開展了大量工作。盡管國內(nèi)SLM設(shè)備商數(shù)量眾多，但與目前德國EOS公司、MCP公司、Concept Laser等國外成熟SLM設(shè)備制造商相比，國內(nèi)SLM設(shè)備制造商設(shè)備在成形精度、過程控制以及穩(wěn)定性等方面都有很大的差距。特別是在成形零件性能檢測方面，國內(nèi)企業(yè)大多不能提供完整的成形零件第三方性能檢測數(shù)據(jù)。

3 SLM設(shè)備國內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)

基于激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)更新?lián)Q代非常迅速，國內(nèi)外知名企業(yè)每年都會推出速度更快、成形質(zhì)量、成形尺寸更大、價格更低的設(shè)備。技術(shù)的快速發(fā)展離不開強(qiáng)大的科研團(tuán)隊和充足的研發(fā)經(jīng)費，而這是國內(nèi)一般企業(yè)難以承擔(dān)的，因此國內(nèi)SLM設(shè)備制造商多與高校共同研發(fā)。目前，全國主要高校均在金屬3D打印領(lǐng)域開展研究工作，開展激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)研究的主要高校見表3(排名不分先后)。

表3 國內(nèi)開展金屬3D打印的研究機(jī)構(gòu)Table 3 Domestic research institutes on 3D printing

4 結(jié)束語

金屬3D打印以逐層堆積的技術(shù)特點正在對傳統(tǒng)的制造業(yè)進(jìn)行翻天覆地的改變。隨著金屬3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，成形工藝方法對零件設(shè)計以及制造領(lǐng)域的局限性將變得越來越小，而人們可以將更多的精力投入到挖掘零件以及材料的功能方面。未來，激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)是否能夠繼續(xù)在金屬3D打印領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位不得而知，關(guān)鍵的因素在于其技術(shù)水平的發(fā)展速度。未來幾年的金屬3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢有以下幾個方面：

(1)金屬3D打印設(shè)備進(jìn)一步細(xì)分。如成形尺寸小，激光功率低、表面要求質(zhì)量高的鈦合金牙齒專用金屬3D打印設(shè)備；專門針對塑料模隨形冷卻水道成形的模具專用金屬3D打印設(shè)備；專門用于鈦合金大型零件成形的多激光頭金屬3D打印設(shè)備；專門用于航空發(fā)動機(jī)葉片精密修復(fù)的金屬3D打印設(shè)備。

(2)金屬3D打印小型化、桌面化。隨著惠普、通用等世界500強(qiáng)企業(yè)進(jìn)入金屬3D打印行業(yè)，激光器以及相關(guān)硬件的價格下降，金屬3D打印設(shè)備價格將大幅下降，桌面級小型金屬3D打印進(jìn)入千家萬戶。

(3)金屬3D打印技術(shù)與多種技術(shù)融合。金屬3D打印技術(shù)與精密切削、熱處理、表面處理等技術(shù)的融合使得成形方法得到拓展。

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