本文參考文獻引用格式：楊永強，魏宏鳴. 激光增材製造設備現狀及發展[J]. 電焊機，2021, 51(1): 17-22.

作者：楊永強1，魏宏鳴2（1.華南理工大學；2.廣州雷佳增材科技有限公司）

摘要：激光增材製造技術主要包括粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED），粉末床熔融指的是激光選區熔化（SLM），定向能量沉積指的是激光近淨成形（LENS）。伴隨著這些技術“誕生”了相應的激光增材製造設備。以華南理工大學相應設備研發為(wei) 例，介紹了相關(guan) 技術設備現狀，並展望了激光增材製造設備未來的發展。

關(guan) 鍵詞：增材製造；設備；現狀；發展

0 前言

作為(wei) 近年來材料加工領域產(chan) 業(ye) 總值增長率最快的技術之一，增材製造技術集成了計算機科學、機械工程、控製工程和材料工程等多學科專(zhuan) 業(ye) 領域，尤其是激光增材製造更是關(guan) 聯光學領域。國內(nei) 外相繼開展了粉末床熔融和定向能量沉積相關(guan) 設備以及工藝的研究，通過激光增材製造技術克服了傳(chuan) 統加工複雜零件中的難題[1]，打印成型尺寸精度較高，突破了傳(chuan) 統製造的壁壘，一體(ti) 化製造保證了整件的優(you) 異性能。

1　激光增材製造技術原理

激光增材製造技術（3D打印）原理是利用激光在材料成型區域進行掃描熔化，或者利用激光在沉積區域產(chan) 生熔池，熔化送入熔池的粉末材料，通過層層堆疊最終成型三維零件的過程。以粉末床熔融（PBF）技術為(wei) 例，整個(ge) 增材製造過程包括：最初的軟件建模與(yu) 三維設計，再通過分層切片與(yu) 數據處理，將處理後的文件導入自主研發的金屬3D打印設備後，最後以循環工序在設備中利用激光束在二維振鏡偏擺運動下進行逐層掃描成型。

2　激光增材製造設備結構功能介紹

采用粉末床熔融技術的設備按模塊主要劃分為(wei) 成型模塊、送粉鋪粉模塊、光路模塊、水冷模塊、運動與(yu) 傳(chuan) 感監測模塊、軟件控製係統模塊、循環過濾模塊和在線監測與(yu) 診斷等八部分；華南理工大學增材製造團隊早在2004年就研發出了基於(yu) 粉末床熔融技術的Dimetal-280激光選區熔化（SLM）設備，在結構方麵，采用單缸上送粉方式，使用200 W高功率密度光纖激光器配合光學振鏡掃描係統最終能夠達到成型範圍為(wei) 280 mm×280 mm×300 mm，國內(nei) 外主要SLM設備技術廠商及參數見表1；此後華南理工大學增材製造團隊與(yu) 廣州雷佳增材科技有限公司陸續開發出多款Dimetal係列SLM設備，見表2。在設備功能方麵，包括自主研發路徑規劃軟件、多軸控製係統、CCD在線監測熔池、單雙缸上、下送粉方式、自主研發帶反吹功能雙級循環過濾係統、基板預熱和氣氛監測與(yu) 保護等更加智能化的功能模塊，使得設備在進行成型加工時更加智能、安全與(yu) 穩定。

基於(yu) 定向能量沉積技術的設備按模塊主要劃分為(wei) 三維運動軸模塊、冷卻係統、一體(ti) 化熔覆裝置光學模組、送粉熔覆噴嘴、送粉係統、循環過濾係統等六部分；華南理工大學在定向能量沉積設備研發中，對於(yu) 核心部件激光熔覆噴嘴、送粉係統、過濾係統和控製係統均采取自主研發並獨具特色。其中激光熔覆噴嘴是采用同軸送粉的原理自主設計，包括三孔、六孔、環形等噴嘴，利用粉末床熔融技術，在自主研發的SLM設備中打印成型。經實踐驗證，粉末匯聚性能優(you) 異，成型質量良好。

3　激光增材製造設備現狀

對於(yu) 相應設備的研發，華南理工大學采用的激光增材製造設備原理以粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）技術為(wei) 主。根據粉末床熔融技術研發的激光選區熔化（SLM）設備，以主流的粉末床作為(wei) 成型平台，通過計算機三維切片技術，根據給定的路徑規劃算法，控製激光束在成型平麵上層層掃描熔化、堆疊，直至成型。目前，華南理工大學已研發出適用於(yu) 不同尺寸、不同領域、多種材料、不同掃描方式的激光選區熔化設備，包括Dimetal-50、Dimetal-100、Dimetal-100E、Dimetal-100H、Dimetal-280、Dimetal-300、Dimetal-500設備等一係列激光選區熔化設備。

3.1　單一材料粉末床熔融

對於(yu) 市場上粉末床熔融設備的研發與(yu) 應用來說，加工成型小型尺寸、單種材料的設備更為(wei) 普遍與(yu) 常態化。Dimetal係列金屬3D打印機中，作為(wei) 擁有“開山之作 ”之稱的Dimetal-50金屬激光選區熔化設備的加工尺寸達50 mm×50 mm×50 mm，主要針對齒科、珠寶、材料工藝實驗研發等領域，激光加工光斑可達20μm，可精準雕琢部件結構的每一個(ge) 細節，通過利用集中式激光能量大幅度加強成型部件的致密度與(yu) 強度。該設備特色之處在於(yu) 精密、精巧，圓形成型及粉料缸體(ti) 使腔體(ti) 內(nei) 部加工後更換周轉加快，十分便捷。為(wei) 保證成型精度，在傳(chuan) 統的一路氣體(ti) 循環的基礎上新增加第二路氣體(ti) 導入[2]，在光學鏡片下導入新鮮的氬氣或其他惰性氣體(ti) 形成保護氣體(ti) 層，完全隔絕一切粉末熔融過程中的燃燒物粘附在光學鏡片上，保證了絕對激光輸出精準度並大幅延長了光學部件壽命。

Dimetal-100E、Dimetal-100H激光選區熔化設備為(wei) 華南理工大學技術團隊於(yu) 2018~2019年間針對模具零件、齒科、教育行業(ye) 和貴金屬、珠寶行業(ye) 等不同領域開發出的對應設備機型。Dimetal-100E外形精巧、成型尺寸精度高，配備高速掃描振鏡，可成型不鏽鋼、鈷鉻合金、鈦合金和模具鋼等金屬粉末；Dimetal-100H設備用於(yu) 工業(ye) 製造中小批量等精密零件研發與(yu) 生產(chan) 、口腔、醫療和珠寶領域，是華南理工大學與(yu) 廣州雷佳增材科技有限公司共同針對貴重金屬粉末的金屬3D打印設計和研發的，當然亦可用於(yu) 其他材料金屬3D打印增材製造，並且支持20μm光斑成型精度，相比於(yu) 國內(nei) 市麵上的激光選區熔化設備優(you) 勢較大[3]。在單一材料、小尺寸設備技術研發方麵，均采用自主設計的統一控製係統與(yu) 路徑規劃軟件，包括設備控製電路、模擬量智能檢測傳(chuan) 感電路設計、信號輸入輸出處理等功能開發，保證設備的智能化；供粉、成型均采用高精度精密電缸驅動，配備高性能伺服驅動器，以有效地保證零部件成型的Z軸精度，精準控製極限層厚從(cong) 而確保每層打印熔融均勻，通過這些舉(ju) 措，設備達到了十分穩定的加工狀態[4]。設備仍然延續了不可或缺的循環過濾係統、獨特的光學係統和粉末回收、高效換粉係統等，來保證長時間加工或正常使用時的穩定性與(yu) 便捷性[5]。

隨著航空航天、醫療、工業(ye) 製造等領域對零件或成型件尺寸、精度、複雜度的要求越來越高，粉末床熔融設備麵臨(lin) 的大尺寸成型要求也愈發顯現[6]。為(wei) 此，華南理工大學開始了針對大尺寸成型設備的機理與(yu) 結構、控製方式的研發，並針對不同結構研發了Dimetal-280單缸上送粉、Dimetal-280雙缸下送粉等Dimetal係列大尺寸激光選區熔化設備；針對不同的控製機理，研發了Dimetal-500雙激光雙振鏡大尺寸激光選區熔化設備[7]，雙激光分區掃描極大地提高了成型效率和成型範圍，使得更大零件的成型需求得以實現，雙激光設備及成型樣件如圖1所示。

Dimetal-280係列激光選區熔化設備在配備單個(ge) 激光器的條件下，亦具有更大的成型區域、更高的成型效率，可滿足航空航天、汽車、模具行業(ye) 對金屬尺寸的成型要求，成型尺寸250 mm×250 mm×280 mm，在7 m/s振鏡掃描速度下，成型效率較高；設備采用獨特的上送粉結構，如圖2所示，利用精度較高的步進電機，通過滾輪上均勻分布的溝槽來借助步進電機的固定角度旋轉使得粉末均勻落下，同時也使得整體(ti) 成型室僅(jin) 有成型區域，內(nei) 部較為(wei) 緊湊，獨特的雙槽承接粉料鋪粉小車結構在軟件控製下，可方便地進行雙向鋪粉打印成型，在大尺寸成型打印條件下成型效率較高，避免了一層打印兩(liang) 次鋪粉的“不必要 ”動作。

3.2　異種材料粉末床熔融

在材料性能與(yu) 功能要求更高的市場要求下，華南理工大學開發出了針對特殊場合需要異種介質的多種材料激光選區熔化設備，包括Dimetal-100雙材料、Dimetal-300四材料設備。多材料零件由於(yu) 兼顧控形、控材和控性等優(you) 越特性，在成型過程中，技術手段等要求更高，如何定義(yi) 零件在不同部位用什麽(me) 材料、不同零件之間該如何連接、材料定義(yi) 如何與(yu) 需求實現的功能結合起來，成為(wei) 多材料打印的難題。目前，國外多種材料增材製造裝備廠商主要有NASA、Object和SLM-Solution公司等，2014年9月11日，Stratasys的子公司Object在上海推出了Objet 500 Connex1和Objet 500 Connex2多材料3D打印機。2017年6月，NASA建立“多材質空間製造實驗室 ”，用於(yu) 空間站的飛行驗證，旨在推動優(you) 化多材料製造能力領域的發展[9]。

隨著市場多材料3D打印需求的逐漸擴大，國內(nei) 越來越多的企業(ye) 逐漸關(guan) 注多材料3D打印的應用發展[10]。部分在多材料領域領先的3D打印高新技術企業(ye) ，均有自主研發的多材料激光選區熔化金屬增材製造設備，2018年，華南理工大學與(yu) 廣州雷佳增材科技有限公司共同成功研發了Dimetal係列工業(ye) 級激光選區熔化設備Dimetal-300，如圖3所示，設備采用粉末床熔融技術，可以實現異種材料在Z軸方向梯度成型，可實現單層中，多種材料梯度預置，並且在同一層上可以實現不同區域內(nei) 的異種材料的成型。該裝備搭載高功率激光器、動態聚焦掃描振鏡、多重濾芯保護氣過濾係統以及柔性鋪粉係統，采用多材料漏鬥送粉和集成化控製軟件，尺寸精度可達0.05 mm，相對致密度98.5%以上，並且可以根據產(chan) 量和用途的不同，在不鏽鋼、模具鋼、鈷鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金等中任意選用兩(liang) 種及兩(liang) 種以上的金屬材料組合[13]，結構設計自由度高，選用材料豐(feng) 富。

3.3　定向能量沉積

華南理工大學與(yu) 廣州雷佳增材科技有限公司近兩(liang) 年陸續研發出以定向能量沉積為(wei) 技術原理的LASERADD係列設備。包括集定向能量沉積（DED）與(yu) 銑削減材模塊於(yu) 一體(ti) 的等離子（激光）增減材設備LASERADD-PR-500，該設備采用定向能量沉積技術，利用不同公斤級機器人規定指令動作，“攜”激光熔覆裝置對金屬零件進行直接製造和修複，填補了大型結構件高效率、高精度增材製造和現象修複的空白[14]，成型尺寸可達500 mm×500 mm×400 mm，成型成本低效率更高，八軸聯動銑削複合滿足更高尺寸精度要求，使得零件成型更具靈活性與(yu) 可靠性。除了將激光搭載在機器人上之外，團隊於(yu) 2019年開始，研發出搭載在數控機床上的LASERADD係列定向能量沉積設備LASERADD-DED-500，設備基於(yu) 西門子SINUMERIK控製係統進行了增材製造控製係統二次開發，實現了精準可控的增材製造方案，成型尺寸可達500 mm×400 mm×200 mm，如圖4所示，該設備搭載華南理工大學自主研發的獨具特色的金屬3D打印同軸熔覆噴嘴及一體(ti) 化熔覆裝置，如圖5所示，可實現長期、高效、高利用率激光定向能量沉積加工成型，如圖6所示。

4　目前存在的問題與(yu) 舉(ju) 措

經過近幾十年的快速發展，激光增材製造技術已越發成熟，國內(nei) 外金屬3D打印設備以及工藝的步伐愈發趨於(yu) 同等水平，行業(ye) 發展愈發蓬勃[17]。隨著市場多元化的發展，與(yu) 之配套的3D打印裝備也越來越多樣化、多功能化，但是目前仍然處於(yu) 裝備開發階段，尤其是金屬增材製造，尺寸大小的局限性、打印材料種類的貧乏、成型高難度的材料導致對設備的要求也更高[18]。

激光增材製造中主要存在以下不足：（1）粉末床熔融技術（PBF），文中指激光選區熔化（SLM）設備，打印成型尺寸較小，主要被金屬打印機尺寸大小所限製，雖然國內(nei) 外相繼出現大尺寸金屬激光選區熔化裝備，但是在穩定性、尺寸上仍處於(yu) 發展中，每增大一定的成型範圍，都是對裝備開發的重大考驗，其中包括光路係統、成型係統和運動控製係統等都將受到協同影響。（2）效率較低，尤其是在成型一些大型結構件時，成型速度慢，相比於(yu) 傳(chuan) 統加工方式，激光增材製造設備在實現批量化生產(chan) 時效率較低，數量受限，目前主要應用於(yu) 實驗室或者數量不是太多的工廠複雜零件、模具的生產(chan) 中[19]，雖然定向能量沉積（DED）技術，文中指激光近淨成型（LENS）效率相對粉末床熔融（PBF）較高，但是成型質量卻相差較遠。（3）激光增材製造作為(wei) 智能製造的代表，使用的核心器件比如激光器、光學振鏡係統等目前主要還來源於(yu) 一些歐美發達國家，國產(chan) 的一些核心器件在質量和穩定性上與(yu) 國外有一定差距，再加上當前一些技術封鎖，設備的開發費用和裝備的功能、水準等都將受到影響。

針對存在的問題，國內(nei) 外的金屬激光增材裝備開發商、研究機構相繼給出了解決(jue) 的大方向，主要是：（1）研發更大尺寸、更大掃描範圍的激光增材製造裝備，以打印大尺寸的成型零件，拓展應用範圍；（2）從(cong) 裝備軟件開發和裝備智能程度入手，當控製係統以及控製軟件功能升級、功能豐(feng) 富，才能更穩定地控製多激光打印，成型效率才會(hui) 提高[20]；（3）大力發展激光增材裝備基礎研究，現在國內(nei) 越來越多的光電子科技企業(ye) 投入基礎性研究，這對於(yu) 激光增材製造裝備的整體(ti) 提升與(yu) 主動性意義(yi) 重大。

5　激光增材製造裝備的發展展望

隨著激光增材製造技術在各個(ge) 領域的成功應用，特別是美國通用電氣公司在航空發動機領域大量使用以及國產(chan) 飛機C919上使用多個(ge) 金屬3D打印零件[21]，同時我國國內(nei) 企業(ye) 如廣州雷佳、西安鉑力特等公司在金屬增材製造裝備開發及應用上的不懈深耕，極大地促進、激發了國內(nei) 金屬3D打印技術的發展。

未來，激光選區熔化（SLM）、激光近淨成型（LENS）、激光選區燒結（SLS）等一係列激光增材技術能否繼續在金屬3D打印領域保持較高的地位，關(guan) 鍵在於(yu) 裝備技術水平的不斷發展，利用激光進行加工的增材製造以逐層堆積的方式正在對傳(chuan) 統的製造業(ye) 進行翻天覆地的改變[22]。激光選區熔化（SLM）裝備將朝著更大、效率更高的方向發展，在保證精度的同時提高零件尺寸大小和成型效率將是我們(men) 繼續探索的方向；激光近淨成型（LENS）技術由於(yu) 其獨特的加工方式以及優(you) 於(yu) SLM技術的成型效率，將金屬3D打印技術與(yu) 多種技術相結合，搭配激光增減材係統，最終會(hui) 將激光增材製造推上真正的高效率、高精度的道路。

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