激光增材制造技术及研究现状

在上个世纪，增材制造( Ad di ti ve M a nu fa ct ur in g，A M) 的概念得到了显著的发展。

依据美国试验材料学会(A me ric a nS o ci et y f or Te sti n g a nd Ma te ri als，A ST M) 的定义: 增材制造技术不同于传统的减法加工过程，是基于材料的增量制造，利用3D数据模型，将材料一层一层连接起来制造物体的过程。

由于增材制造技术具有设计和制造一体化、加工精度高、制造周期短，产品物理化学性能优异等特点，美国《时代周刊》将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。

金属材料增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿和难度的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

对于金属材料增材制造技术，按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。

其中激光增材制造(L ase rA d di ti ve M an uf act u ri ng，LA M) 技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术，也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法。

国内外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技术，本文在总结增材制造的发展历史基础上，重点介绍了激光增材制造的原理、激光选区熔化成形技术和直接沉积技术的发展现状，为激光增材制造在国内各个领域的应用提供支持。

一、增材制造的发展历史1983 年，美国科学家查尔斯·胡尔(Ch ar le s Hu ll) 发明光固化成形技术( st ere o l it ho gr ah y App e ar an ce，SL A) 并制造出全球首个增材制造部件。

1986 年，查尔斯·胡尔获得了全球第一项增材制造专利，同年成立3D S ys t em s公司。

1987 年，3DS y st em s 发布第一台商业化增材制造设备-快速成型机立体光刻机SL A-1，全球进入增材制造时代。

1986年，美国的M i ch ae l F e yg in，首次提出了分层实体制造( L a mi na te d Ob je ctM a nu fa ct ur in g，LO M) 技术。

1988年，美国S tr at asy s 公司首次提出熔融沉积成型技术( F us ed D epo s it io n M od el in g，F DM) 。

1989 年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的De ck ar d 提出激光选区烧结( Se le ct i ve L as er S in te r i ng，SL S) 。

1995年，德国Fr au-ho fe r 应用研究促进协会IL T 激光技术研究所的D r.W il-he lm M ein e rs 等在金属粉末选择性烧结基础上提出激光选区熔化成形技术( S el ec ti ve L as e r M el ti ng，S LM) 。

1998 年，美国Sa nd ia 国立实验室将选择性激光烧结工艺SL S 和激光溶覆工艺( La ser Cl ad di ng) 相结合提出激光工程化净成型(L a s e rE n g i n e e r e d N e t S h a p i n g，L E N S)。

1990年至现在，增材制造技术实现了金属材料的成型，进入了直接增材制造阶段，相距出现了电子束选区熔化(E BSM)、电子束自由成形制造技术( El ec tr on B eam Fr ee- fo rm Fa br i ca ti on，EB F)、等离子增材制造技术(I on Fu s io n Fo r ma ti on，IF F) 电弧增材制造( Wi r e A r c A dd it iv e Ma nuf a ct ur e，WA AM)等一系列制造工艺。

2013年，美国麻省理工大学研发了四维打印技术( Fo ur D i- m ens i on alP r in ti ng，4DP) ，利用记忆合金，在3D打印的基础上增加了第四维度-时间。

综上所述，增材制造技术可以分为“快速原型制造技术”和“金属构件直接制造技术”两大类。

“快速原型制造技术”( r ap id p r ot ot yp e ma nu fac t ur in g，R P＆R PM)主要方法有“3D 打印(3DP) ”、“立体印刷( S LA) ”、“叠层实体造型( LO M) ”、“熔融沉积造型( F D M) ”、“选择性激光烧结( SL S) ”等五大类.点击下载18款必备软件。

主要制造尺寸较小，由树脂、石蜡、纸张等材料组成的原型样件及由陶瓷、金属粉末组成的“非致密”原型样件或模型制造。

金属构件直接制造技术则采用激光束、电子束、等离子束或电弧等对粉末或丝材进行逐层熔化/凝固堆积，直接制造出致密的金属零件。

国内关桥院士提出“广义增材制造”的概念，具体如图1所示。

广义增材制造的热源，除激光束和电子束外，还有化学能、电能( 电弧等)、电化学能、光能、机械能等。

图中的中心圆是通常所谓的“增材制造”( 3D 打印)，以激光、电子束等为热源与CA D/CA M 结合，分层熔敷成形的增材制造，包含了非金属、金属构件和生物模型的增材制造等;图中的外椭圆展现的是“广义增材制造”的技术分类，不局限于分层熔敷成形，还包括冷喷涂成形、热喷涂成形、物理气相成形、化学气相成形、电化学成形、堆焊成形、块体组焊成形等。

二、激光增材制造技术原理依据美国试验材料学会AS TM 的定义，根据材料在沉积时的不同状态，激光增材制造技术分为定向能量沉积( Di re ct E ne rg y D e po si t，D ED) 和粉末熔覆( P ow de r B e d F us io n，P BF) 两类。

激光粉末熔覆技术PB F，又可以称为激光选区熔化成形技术(S el ec ti ve L as er M e lt in g，S LM)，其首先利用CA D软件设计出零件的三维模型，然后根据打印工艺对模型进行切片分层后，将各截面的二维轮廓数据导入打印设备中，并设定具体的扫描路线。

激光打印时根据设定的扫描路线逐层熔化通过送粉装置均匀铺敷在工作平面基板的金属粉末，具体的原理如图 2 所示。

激光选区熔化技术(S LM)可以直接制造出终端金属产品，实现了材料、结构和功能的一体化设计和制造;可以加工出传统制造方法无法加工的复杂金属零件，如轻质点阵夹芯结构、空间曲面多孔结构、复杂型腔流道结构等，解决了复杂金属构件难加工、周期长、成本高等技术难题;金属零件具有很高的尺寸精度以及很好的表面粗糙度，无需二次加工.点击下载18款必备软件。

但是SL M技术打印构件的力学性能仅能达到或者优于铸、锻件水平; 成形件的复杂性基本不受限制但是成形尺寸较小; 另外适用于S L M 成形的材料种类还较少，目前报道的主要有铁基合金、镍基合金、铝合金和钛合金等。

激光定向能量沉积技术(D ED)，又可以称为激光直接沉积成形技术( Di re ct La se r D ep os it io n，DL D)，是在快速原型技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一种先进制造技术。

该技术是基于离散/堆积原理，通过对零件的三维CA D 模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径，在惰性气体保护环境中，以高能量密度的激光作为热源，按照预定的加工路径，将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积，从而实现金属零件的直接制造与修复，其原理如图3所示。

20 世纪90 年代激光直接沉积技术被国际上多个研究机构相对独立地发展起来，并且被赋予了不同的名称，如激光熔敷(L as er C la dd in g) 、激光直接铸造( La-se r D ir ec t Cas t in g) 、直接金属沉积( Di r ec t M et al De po-s it io n，D MD) 、激光固化( L as er C on so li d at io n，L C)、激光金属成形( L ase r Me ta l F o rm in g，L MF) 、激光工程化净成形( La se r E ng in eer e d Ne t S h ap in g，L EN S) 、受控光制造( D ire c te d L ig ht F ab ric a ti on，D L F) 、激光成形( La se r Fo rm in g，LF)、基于激光的自由实体制造(L as er Ba bs e d F re e-fo rm F ab r ic at io n，L BF FF)、激光立体成型( L as er S o li d F or mi ng，LS F) 以及激光直接制造技术(Di re ct ed L as er F ab ri ca ti on，DLF) 等，这些技术名称虽然不同，但基本的技术原理却是完全相同的。

激光直接沉积成形技术( DL D) 的生产效率高于SL M，并且成形尺寸基本不受限制(仅取决于设备的运动幅度)，可实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造，并可用于损伤构件的高性能修复。

但是，D L D技术表面质量不如SL M，制造后需要二次加工。

目前，激光直接沉积技术所应用的材料已涵盖钛合金、镍基高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金以及梯度材料等，其中钛合金的应用最为成熟。

三、激光增材制造技术的发展现状3.1 激光选区熔化成形技术在金属粉末选择性烧结技术的基础上，为了解决SL S 过程中粉末连接强度不高的问题，提高材料致密度，德国Fr au ho f er 研究所于1995 年提出了激光选区熔化技术SL M。

2002 年该研究所在激光选区熔化技术方面取得巨大成功，可一次性地直接制造出完全致密性的零件。

目前国际上已经有多家成熟的SL M设备制造商，包括德国E O S(El ec tr o-Op tic a l S ys te m Gu mb o) 公司，德国R ea li z er公司，SL M S ol ut io ns 公司，Co nc ep t L as e r 公司，美国3D公司，R e ni sh aw PL C 公司和Ph en ix Sy ste m s 公司等。

上述厂家都开发出了不同型号的机型，包括不同的零件成形范围和针对不同领域的定制机型等，以适应市场的个性化需求.德国E OS 公司新开发的激光选区熔化设备EO SI NT M400 － 4 采用 4 个束源质量高的Yb 光纤激光器，成形范围达到300 m m × 300m m × 350 m m，功率为 1 kW，激光束最小光斑为90 μm，最大扫描速度7 m/s，其成形零件性能与锻件相当，如图 4 所示。