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第 8.4 课成形第 8 章 · 增材制造

激光粉末床熔融（金属，SLM/DMLS）

激光逐层熔化薄薄的金属粉末（粉末床熔融）

激光粉末床熔融（LPBF）用激光一次一薄层地熔化细金属粉末，制造完全致密的金属零件。设备厂商称之为 SLM（选区激光熔化）或 DMLS（直接金属激光烧结）。它的意义在于，能做出任何刀具或模具都做不出的金属形状，比如内部带冷却通道的火箭发动机零件。

激光粉末床熔融（金属，SLM/DMLS）：实拍照片
照片：Matti Blume, CC BY-SA 4.0, 来源： Wikimedia Commons
激光逐层把金属粉末熔成实心零件充满氩气的密封腔室剖面；各层画得比实际厚得多1模型被切片已添加支撑层数据密封腔室2氩气流光纤激光器扫描镜4激光熔化切片金属粉末实心零件支撑3刮粉刀片成型板供粉活塞上升5成型板下降一层成形后6切下板材消除应力后金属粉末和零件氩气机床零件激光和熔池
金属粉末床熔融腔室剖面：氩气流、激光、刮刀、支撑和成形板圈内数字对应下面的步骤；第 3 到 5 步会重复几千次。

工作原理

  1. 切片并添加支撑。 软件把模型切成非常薄的层，并添加支撑（细金属杆）。它们把悬伸部位固定在成形板上，并把热量导走，防止零件翘曲。

  2. 充入氩气。 腔室密封，并充入氩气或氮气，这两种惰性气体可防止热金属氧化。稳定的气流把烟尘和飞溅物（微小的炽热液滴）带出激光路径。

  3. 铺一层粉。 供粉活塞上升，铺粉刮刀把金属粉末铺在成形板上，厚度通常为 0.02–0.06 mm。

  4. 熔化这一层。 光纤激光器（通常 200–1,000 W）描出切片轮廓。它把粉末熔成一个微小的熔池，几乎瞬间凝固，并与下面一层焊在一起。

  5. 下降并重复。 成形板下降一层，循环重复，一次构建往往要重复几千次，持续一天到数天。

  6. 完成零件。 零件仍在成形板上时，先做去应力热处理（缓慢加热，使锁在内部的应力松弛）。然后把它们切下，去除支撑，许多零件还要进行 HIP（热等静压，第 9.3 课）和机加工。

关键数据

材料
钛合金（Ti-6Al-4V）、不锈钢和工具钢、镍基高温合金（Inconel）、铝（AlSi10Mg）、钴铬合金、铜合金
典型零件
火箭发动机喷注器、涡轮和燃油系统零件、医疗植入物、牙冠、带冷却通道的模具、热交换器
零件尺寸
通常每边 25–40 cm；最大的设备超过 1 m
精度
打印态约 ±0.1 mm；关键表面之后再加工
表面质量
哑光、略粗糙，像细砂纸；朝下的表面更粗糙；常需喷砂、抛光或机加工
适合的批量
每年 1 到几千件；最适合每个零件都复杂且贵重的情况
模具与设备成本
无需工装；设备几十万到几百万美元
速度
慢：一次构建往往需要一到几天

优点与局限

优点

  • 机加工或铸造做不出的形状：内部通道、点阵、有机造型
  • 完全致密的金属，热处理后可与铸造或锻造金属相比
  • 多个零件合并为一个，节省装配和重量
  • 拓扑优化（去除多余材料的软件）带来的轻量化设计

局限

  • 设备、粉末和后处理都非常昂贵
  • 需要支撑，必须切除或机加工去掉
  • 锁在内部的热应力会使零件翘曲，甚至从成形板上裂开
  • 慢，表面粗糙，往往需要机加工

应用领域

  • 航天火箭发动机喷注器、燃烧室、涡轮泵零件
  • 航空航天喷气发动机燃油喷嘴、支架、热交换器
  • 医疗表面多孔的髋臼杯和脊柱植入物、定制植入物
  • 牙科钴铬合金牙冠、牙桥和义齿支架
  • 工装模具带随形冷却（沿零件形状走的通道）的注塑模具
  • 赛车运动轻量化支架、立柱、排气和液压零件

如何识别

  • 哑光、略带颗粒感的灰色金属表面，常有淡淡的层纹。
  • 朝下的表面上有小疤痕或粗糙斑块，是去除支撑的位置。
  • 零件从成形板上切下后留下的平整底面，往往经过机加工。
  • 钻头或模具都做不出的有机造型、点阵或内部通道。

对比

选择性激光烧结8.3同样的粉末床思路，但用尼龙；无需支撑，但只能做塑料件。黏结剂喷射8.5不熔化金属粉末，而是把它粘合起来，再在炉中烧结；单件更便宜，但零件会收缩。定向能量沉积8.7把粉末或丝材送入激光熔池；可制造或修复更大的零件，但细节较粗。

观看

RAPID DIRECT · 为初学者讲解完整的 SLM 工作流程

Billy Wu · 零件制造过程的特写镜头

3D Distributed · 设备运转：激光、火花和铺粉刮刀

NASA's Marshall Space Flight Center · NASA 打印的火箭发动机零件

查看实拍照片

记住

  • LPBF 在惰性气体中用激光熔化金属粉末，逐层制造完全致密的零件。
  • 它能做出其他工艺做不出的复杂轻量金属零件，但速度慢、成本高。
  • 支撑、热处理、从成形板上切下，往往还有机加工，都是每个作业的一部分。

增材制造中的更多内容

全部 100 种工艺
8.1短视频FDM（熔融沉积成型）让熔融的塑料丝通过移动的喷嘴挤出（材料挤出）打开课程8.2立体光刻（SLA/DLP）用激光或投影仪逐层硬化液态树脂（光固化成形）打开课程8.3选择性激光烧结（SLS）激光熔合粉床中的尼龙粉末；松散的粉末支撑零件（粉末床熔融）打开课程8.5黏结剂喷射喷墨头给粉末喷胶，再对零件进行固化或烧结（黏结剂喷射）打开课程8.6材料喷射（PolyJet）喷射树脂液滴并用紫外光固化（材料喷射）打开课程8.7定向能量沉积（DED/LMD）激光在零件上熔出熔池；吹入的粉末增添金属（定向能量沉积）打开课程8.8电弧丝材增材制造（WAAM）焊接机器人把电弧熔化的焊丝堆叠成焊道（定向能量沉积）打开课程8.9超声波增材制造（UAM）超声振动在不熔化的情况下焊接金属箔，然后由铣刀修整（板材层压）打开课程8.10体积打印（CAL）来自各个方向的光一次性固化旋转的树脂瓶（体积打印）打开课程

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