1. 金属零件快速成型的基本原理与特点

快速成形（Rapid Prototyping, 简称RP）技术是以离散/叠加为基本思想，先将零件模型划分成一系列薄片，再利用2D制造工艺依次制作这些薄片，并逐层叠加起来成为最终的3D零件。由于RP技术采用全新的“增材”加工法，彻底突破了传统“去除”加工法的限制，因此可以在无工具和模具的情况下直接制造出产品模型或样品。

快速成形技术的种类很多，其中基于激光熔化合金粉末直接制造金属零件的技术最为引人瞩目。主要分为同步送粉激光直接制造（Direct Laser Fabrication, 简称DLF）和选区激光熔化成形技术（Selective Laser Melting, 简称SLM）两类。以下对这两类技术的基本原理与特点进行分别介绍：

(1) DLF技术原理

DLF技术是将RP技术和激光熔覆技术(LaserCladding)相结合，以激光作为加工能源，以金属粉末为加工原料，在金属基板上逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。DLF快速成型技术的基本原理如图所示，先利用三维cAD软件(如UG，Pro尼，Solidworks)生成所需制造零件的三维CAD模型，并转换成STL格式，再利用切片技术将STL格式的CAD模型按照一定的层厚进行分层切片，提取每一层切片所产生的轮廓，然后根据切片轮廓设计合理的扫描路径，并转换成相应的CNC工作台指令，激光束在CNC指令控制下进行扫描加工，将加工原料进行熔覆，生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层。完成这一过程后，聚焦镜、同轴送 粉喷嘴等整体上移(或工作台下移)一个层厚的高度，并重复上述过程，如此逐层熔覆堆积直到形成cAD模型所设计的形状，加工出所需的金属零件。为提高表面质量和避免加工缺陷，加工过程可在气体保护下进行(如在手套箱中)。

(2) SLM技术原理

SLM技术通过逐层熔覆的“增量”制造方式，根据三维CAD模型直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。SLM技术采用先预置粉末、再对需要成型的区域进行激光熔化方法，在加工完一层后，成型缸下移一个层厚，再铺设一层粉末，重复上述过程，如此循环，直至零件加工完成。成型过程不受零件复杂程度的限制，因而具有比DLF更大的柔性，特别适合于单件小批量产品的制造。SLM技术采用高激光功率密度的激光器，将激光光斑聚焦到几十微米大小的光斑，SLM技术使用的激光器需要具有很好的光束质量，功率一般为100-500W，其基本原理如图所示。

(3)SLM技术与DLF技术的异同点

共同点：

1）制造采用传统加工方法难以实现的复杂结构的金属零件(如薄壁结构、封闭内腔结构等)，制造过程不需工、模具，能显著降低制造成本，缩短开发与制造周期;

2) 两者均为近净成型制造技术，零件加工完成后只需进行少量精加工甚至不需加工即可使用，且材料可回收再利用，减少了材料的消耗;

3)特别适用于难以加工的高加工硬化率金属、难熔金属、金属间化合物等材料的成型;

4) 激光直接制造属于快速凝固过程，所得金属零件致密度几乎可以达到 100%、组织晶粒细小，不需要后续热处理过程。

5) 加工过程可以在气体保护下进行，因而可以用于钛及钛合金等加工条件要求高的金属材料的成型，为这些性能优越材料的广泛应用提供了条件;

6)适用于单件或小批量零件的生产。

不同点：

1)SLM成型过程不受零件复杂程度的限制，因而具有比DLF具有更大的柔性，其成型的零件具有更低的表面粗糙度(Ra3.2-25)和较高的尺寸精度(＜±0.1mm)。但是，其对激光器的光束质量要求更高。

2)DLF可以制备较大的金属零件，其成型效率较SLM更高，但零件的表面粗糙度和尺寸精度比SLM低，零件一般还需要后续加工。DLF所需要的激光功率更大，但对光束质量的要求比SLM更低。此外，其在零件不同部位可以采用不同的材料进行制造，可得到梯度功能材料或局部增强结构。

2. SLM快速成形设备

(1)设备特点：

本设备能以铁基、镍基、钛基等各种金属材料粉末为原料，采用合适的激光成形工艺，将三维设计图形直接制造出任意复杂形状的高致密度金属零部件。还适用于新材料的性能测评、原型设计零件的功能评估，可针对用户特定需求来设计和制造解决方案。针对用户具体应用需求（材料及零件形状）提供激光熔化快速成形工艺数据库，并提供长期技术支持和服务。利用该设备可以在数小时或数十小时内完成设计零件的快速成形加工，零件从设计到最终成形是一步完成，成形过程中不需要任何的刀具和模具。特别适合具有异形截面、复杂内腔、超薄网格和悬空结构等高性能零件的直接成形加工，后续机械加工几乎可以忽略，零件经抛光或简单表面处理就可直接使用，制造精度达到了精密铸造水平。

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设计与制造一体化，高柔性、短周期，绿色无模具近净成形； 

先进扫描振镜、光学系统、工作台三者有机结合并优化匹配参数； 

软件控制全部过程参数，快速调用已优化的激光成形工艺数据库。 

从三维设计图形到金属零件成形一步完成，形成整体零件； 

适合材料广泛，成形件性能超过同成份铸件，相当于或优于同成份锻件； 

金属零件具有高精度和高表面光洁度，达到了精密铸造水平；

(2)主要技术参数: ：

工作台尺寸（可选）	100mm×100mm×70mm
成型效率	2-20mm3/s
重复定位精度	±0.01mm
零件加工精度	高度方向±20μm，XY方向±50μm
零件表面粗糙度	Ra 5－20µm
激光器	Yb-fibre laser, 200 W
主要光学部件	F-θ透镜，高速扫描振镜
扫描速度	最高6m/s
聚焦光斑直径	100-500μm
电源	32A
功耗	最大5.8kW
保护气氛	氮气、氩气、氦气
设备总尺寸	3.4m×0.9m×1.9m
安装空间（推荐）	5m×1.5m×3mm
软件	自主研发
加工文件格式	STL：所有标准格式均可转换

 

3. DLF快速成形设备

 

用于DLF的激光器	用于DLF的送粉器

 

(1)设备特点：

 

本设备能以铁基、镍基、钛基等各种金属材料粉末为原料，采用合适的激光成形工艺，将适合的三维设计图形直接制造出高致密度的金属零部件，可针对用户特定需求来设计和制造解决方案。根据用户具体应用需求（材料及零件形状）提供激光熔化快速成形工艺数据库，并提供长期技术支持和服务。利用该设备可以在数小时或数十小时内完成设计零件的快速成形加工，零件从设计到最终成形是一步完成，成形过程中不需要任何的刀具和模具。特别适合对尺寸和表面精度要求不高的难加工材料和对性能要求苛刻等高性能零件的直接成形加工。

 

设计与制造一体化，高柔性、短周期，绿色无模具近净成形；
专用激光加工头、光学系统、送粉器、工作台有机结合并优化匹配参数；
软件控制全部过程参数，快速调用已优化的激光成形工艺数据库;
从三维设计图形到金属零件成形一步完成，形成整体零件;
适合材料广泛，成形件性能超过同成份铸件，相当于或优于同成份锻件；

 

(2)主要技术参数: ：

    

激光工作方式	连续
功率配置	0-5000W
功率稳定性	≤5%
激光波长	10.6μm
零件加工尺寸（可选 )	600mm×600mm×500mm
零件加工精度	±0.5mm
加工文件格式	STL格式文件
稳定性	24小时连续工作无故障
加工环境	水氧含量小于40PPM

 

4. 金属零件快速成形设备的典型应用

 

激光快速成型制造适合铁基、镍基、钛基等各种金属材料粉末的各种复杂形状零件的加工成形，还适用于新材料的性能测评、原型设计零件的功能评估，可针对用户特定需求来设计和制造解决方案。

 

(1)医学植入体的制造

 

该技术可制作几何形状任意复杂的实体，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。特别适用于骨科特殊部位金属植入物的制造：如义齿的制造，四肢恶性肿瘤切除后假体的制造，人工关节的制造等。可以实现了植入物与自体骨的形状匹配，使每一植入体的制造都是针对具体的患者而进行的，从而大大提高了植入体的匹配性能;能以很小的制造成本，很短的制造周期制作出任意复杂形状的人工植入物原型，为术前的植入模拟提供了便利条件，从而可提高手术的效率和准确性。

	义齿支架及牙齿的制造

(2)高精复杂零件的制造和修复

 

薄壁零件或薄壁结构的零件大多采用诸如铸造、锻造、焊接等工艺制造，但传统工艺耗用时间长，费用高，且壁厚也受到影响，复杂结构零件难于直接成型，激光快速成型制造技术直接制造薄壁零件，周期短，成本低，显示了巨大的优势。

	SLM制造的内空样件

 

	SLM制造的薄壁件

 

DLF制造的薄壁样件	DLF制造的大型不锈钢零件 (610mm×210mm×230mm)

 

(3)快速制造模具

 

快速制模是更快、更经济地开发新产品的一种强有力手段，是早日向市场推出适销对路的、按客户意图定制的多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术。可以采用客户所希望的材料来制造零件，大幅度减少零件的交货时间，降低新产品开发风险，有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。