选择性激光熔化 (SLM)

什么是 3D 打印中的选择性激光熔化？

选择性激光熔化 (SLM) 是一种特殊的 3D 打印技术，它使用高功率密度激光将金属粉末完全熔化和熔合，从而产生接近全密度（相对密度高达 99.9%）的近净形状零件。

加工工艺

SLM技术是选择性激光熔化的简称，是金属粉末的快速成型技术。 SLM可以直接成型接近全致密的金属零件，无需粘合剂。 因此，该技术也被称为直接金属激光烧结，简称DMLS。 SLM制作的原型的精度和机械性能优于SLS，因此在3D打印中越来越受欢迎。

SLM 流程如何运作？

SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接形成金属零件，因此需要大功率激光。 在大功率激光束开始扫描之前，水平粉辊需要先将金属粉末散布在加工室的基板上。 然后激光束根据当前层的轮廓信息有选择地熔化基板上的粉末，得到当前层加工的零件轮廓。 之后，提升系统将下降一层厚度的距离。 撒粉辊将金属粉末重新撒布在加工层上，设备进入下一层工序。 每一层都像这样处理，直到整个部分完成。 为了防止金属在高温下与其他气体发生反应，整个加工过程需要在真空或气体保护的处理室中进行。

SLM的优势是什么？

SLM技术的激光束可以快速熔化金属粉末并获得连续的熔化路径。 可瞬间获得几乎致密的、高精度、完全冶金结构、几乎任意形状的金属零件。 SLM标准的金属密度达99%以上，具有很好的力学性能，可与传统工艺相媲美。 此外，SLM加工的零件如有需要可进行焊接。 可用材料的类型也将不断增加。 下面列出了 SLM 的更多优点。

1.直接金属激光烧结。 金属零件可以直接通过SLM制造，无需中间工序。 形状复杂的功能部件也可直接制作。

2.高品质激光束。 SLM激光光束质量好，包含微聚焦光斑，可以直接生产精度高、表面粗糙度好的功能部件。

3.完全融化。 所有金属粉末将完全熔化。 直接制造的金属功能部件具有冶金结构、高密度和良好的力学性能，无需后处理。

4.多种可用材料。 粉末原料可以是单料也可以是多组份料，不需要特别配制。

5.Low-batch友好。 适合功能零件的加工，特别适用于单件或小批量生产。

SLM技术的局限是什么？

目前，SLM技术存在诸多限制。

SLM的局限性可以分为粉末扩散缺陷和印刷加工缺陷。 例如，散粉缺陷中存在一些不规则的粉末层。 关于印刷加工的缺陷，有飞溅、起球、气孔、表面质量差、裂纹、几何变形等。

1.打球

球化或成球是金属基粉末床制造过程中独特的冶金缺陷。 当液态金属在表面张力的作用下凝固成球形时，就会发生球化。 激光束的高能量密度和低能量密度都会导致这种现象。 如果能量太低，金属粉末将不会完全熔化并导致球化。 如果能量过高，液态金属会溅到未熔化的金属粉末上，形成球化。 球化会影响下一层的铺粉质量、构件的表面质量，还会导致熔合不良、夹渣等缺陷。 此外，球化会降低部件的抗拉强度和抗疲劳性。 减少和避免球化的有效方法是优化打印过程并找到最佳参数组合。

2.毛孔

气孔是SLM构件最主要的缺陷类型，是对SLM构件力学性能影响最大的缺陷之一。也是业界和学术界关注的焦点之一。在SLM过程中，材料的快速熔化和凝固以及熔池的剧烈波动都会导致气孔的产生。气孔的大小、数量、形态和位置对部件的力学性能有重要影响。较高的孔隙率会缩短成型零件的疲劳寿命。靠近表面的气孔对成型件疲劳性能的影响比其他位置大。根据气孔的形成机理，可分为与原料有关的气孔和激光作用引起的气孔。

气孔的产生过程非常复杂，与工艺参数密切相关。合理的印刷工艺和针对材料使用频率的不间断工艺优化，仍然是避免气孔出现的重要条件。

3.几何变形

在SLM过程中，由于部件的几何特征、热量积累、应力集中等原因，会形成不同程度的几何缺陷。 较轻的程度可能会导致变形，导致尺寸误差，严重的导致结构不完整，甚至加工过程失败。

SLM组件的几何精度会影响组件的装配和性能。 研究发现，不同的扫描方式会对温度场产生重要影响，进而影响部件的残余应力分布和几何变形； 激光光斑、功率和扫描速度会影响尺寸精度和表面质量，提高元件的几何精度将极大地促进SLM技术的工业应用。

结论

SLM工艺的主要缺陷是成球、翘曲变形和气孔。 而且SLM零件的机械性能不如CNC加工的金属零件。 同时，处理速度很慢，价格也很贵。 精度和表面质量也受到限制。

应用领域

目前，SLM技术主要应用于工业领域，在复杂模具、个性化医疗零件、航空航天、汽车等领域具有显着的技术优势。

1. 航空航天

传统航空航天部件的加工时间很长，在铣削过程中需要去除高达 95%（体积分数）的昂贵材料。 使用SLM方法成型航空金属零件，可以大大节省成本，提高生产效率。 Ti-6Al-4V（Ti64）具有密度低、强度高、加工性好、机械性能优良、耐蚀性好等特点。 它是航空航天零件中应用最广泛的材料之一。

2、生物医学领域

SLM技术在医疗行业的应用越来越广泛。 逐渐地，SLM被用于制造骨科植入物、定制修复体和修复体、个性化定制正畸托槽和牙齿修复体。 例如，316L不锈钢脊柱手术导板可以通过SLM技术成型。 SLM成型可以制作个性化的膝关节假体。

心血管支架的传统制造工艺以微管生产和激光微切割为基础。 现在，SLM技术可用于形成钴铬合金心血管支架。 如Ti-6Al-4V人工髋臼壳采用SLM技术成型，通过对SLM工艺中的工艺参数进行分析优化，提高了假体髋臼壳的成型效果。

3、模具行业

SLM技术在模具行业的应用主要包括成型冲压模具、锻造模具、铸造模具、挤压模具、拉丝模具和粉末冶金模具。 例如，Armillotta 等人已经使用 SLM 技术形成了带有随形冷却通道的压铸模具。 实验结果表明，随形冷却的存在减少了喷雾冷却的次数，提高了冷却速度。 同时冷却效果更均匀，提高了铸件表面质量，缩短了循环时间，避免了缩孔现象。