在金属激光3D打印成形技术中, 由于激光逐层加工金属粉末材料固有的球化效应及台阶效应,即使采用目前精度最高的SLM 技术。

1 SLM工作原理

选择性激光熔融（Selective Laser Melting, SLM）技术由德国Froounholfer研究院于1995年首次提出，工作原理与SLS相似。SLM是将激光的能量转化为热能使金属粉末成型，其主要区别在于SLS在制造过程中，金属粉末并未完全熔化，而SLM在制造过程中，金属粉末加热到完全熔化后成型。

SLM工作原理图（图片来源：additively.com）

SLM工作流程为，打印机控制激光在铺设好的粉末上方选择性地对粉末进行照射，金属粉末加热到完全熔化后成型。然后活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已成型的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行激光熔化，与前一层截面粘结，此过程逐层循环直至整个物体成型。SLM的整个加工过程在惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下氧化。

SLM技术打印过程

激光按当前薄层的轮廓线选区熔化粉末

新一层粉末铺撒在当前层后，逐层熔化

获得最终成品

SLM 与SLS的区别：

SLS是激光烧结，所用的金属材料是经过处理的与低熔点金属或者高分子材料的混合粉末，在加工的过程中低熔点的材料熔化但高熔点的金属粉末是不熔化的。先是用灯管加热或者金属板热辐射的方式，将粉材加热到超过了结晶温度，大概170摄氏度左右。利用被熔化的材料实现黏结成型，所以实体存在孔隙，力学性能差，部分零件要使用的话还要经过高温重熔。

SLM是选择性激光熔化，顾名思义也就是在加工的过程中用激光使粉体完全熔化，不需要黏结剂，成型的精度和力学性能都比SLS要好。然而因为SLM没有热场，它需要将金属从20摄氏度的常温加热到上千度的熔点，这个过程需要消耗巨大的能量。

2 优势&技术限制

SLM主要优点：

SLM成型的金属零件致密度高，可达90%以上；

抗拉强度等机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平。显微维氏硬度可高于锻件；

由于是打印过程中完全融化，因此尺寸精度较高；

与传统减材制造相比，可节约大量材料。

SLM技术限制：

成型速度较低，为了提高加工精度，需要用更薄的加工层厚。加工小体积零件所用时间也较长，因此难以应用于大规模制造；

设备稳定性、可重复性还需要提高；

表面粗糙度有待提高；

整套设备昂贵，熔化金属粉末需要比SLS更大功率的激光，能耗较高；

SLM技术工艺较复杂，需要加支撑结构，考虑的因素多。因此多用于工业级的增材制造。

SLM过程中，金属瞬间熔化与凝固（冷却速率约10000K/s），温度梯度很大，产生极大的残余应力，如果基板刚性不足则会导致基板变形。因此基板必须有足够的刚性抵抗残余应力的影响。去应力退火能消除大部分的残余应力。

工件残余应力过大，基板刚性不足导致的基板变形

3 SLM应用

SLM材料

可用于SLM技术的粉末材料主要分为三类，分别是混合粉末、与合金粉末、单质金属粉末。

1.  混合粉末。混合粉末由一定比例的不同粉末混合而成。现有的研究表明，利用SLM成型的构件机械性能受致密度、成型均匀度的影响，而目前混合粉的致密度还有待提高；

2.  预合金粉末。根据成分不同，可以将预合金粉末分为镍基、钴基、钛基、铁基、钨基、铜基等，研究表明，预合金粉末材料制造的构件致密度可以超过95%；

3.  单质金属粉末。一般单质金属粉末主要为金属钛，其成型性较好，致密度可达到98%。

用于3D打印的金属粉末

目前SLM技术主要应用在工业领域，在复杂模具、个性化医学零件、航空航天和汽车等领域具有突出的技术优势。

航空航天

美国航天公司SpaceX开发载人飞船SuperDraco的过程中，利用了SLM技术制造了载人飞船的引擎。SuperDraco引擎的冷却道、喷射头、节流阀等结构的复杂程度非常之高，3D打印很好地解决了复杂结构的制造问题。SLM制造出的零件的强度、韧性、断裂强度等性能完全可以满足各种严苛的要求，使得SuperDraco能够在高温高压环境下工作。

SpaceX公司利用SLM技术制造的载人飞船引擎（图片来源：SpaceX）

利用SLM技术打印的钛合金叶片（图片来源：SLM Solutions）

利用SLM技术打印的航天零件

汽车

在3D打印技术众多的应用领域中，汽车行业是3D打印技术最早的应用者之一。利用SLM技术制造的汽车金属零件，在降低成本、缩短周期、提高工作效率、生产复杂零件等方面具有优势，能够使车身设计、结构、轻量化等性能更优异。

利用SLM技术打印的V8引擎实体模型（图片来源：南极熊）

利用SLM技术打印的汽车零部件（图片来源：electrooptics.com）

利用SLM技术制造的汽车零件（图片来源：华曙高科）

利用SLM技术打印的用于F1赛车的气缸盖（图片来源：南极星）

生物医疗

利用SLM技术，可以应用于制造下颌骨、脊柱融合矫正、义齿等。2011年，荷兰医生给一名83岁的老妪安装了一块3D打印的金属下颌骨，为全球首例，标志着3D打印移植物开始进入临床应用。

下颌骨

脊柱融合矫正

定制化义齿

微孔骨钉

SLM技术生物医疗应用案例（图片来源：华曙高科）

利用SLM技术打印的医疗产品（图片来源：3ders.com）