一、SLM技術的原理和特點

激光選區熔化(SLM)技術是利用高能量的激光束，按照預定的掃描路徑，掃描預先鋪覆好的金屬粉末將其完全熔化，再經冷卻凝固后成形的一種技術。其技術原理如下圖所示。

圖1 激光選區熔化技術原理圖

SLM技術具有以下幾個特點：

①成形原料一般為一種金屬粉末，主要包括不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鈷一鉻合金、高強鋁合金以及貴重金屬等。

②采用細微聚焦光斑的激光束成形金屬零件，成形的零件精度較高，表面稍經打磨、噴砂等簡單后處理即可達到使用精度要求。

③成形零件的力學性能良好，一般拉伸性能可超鑄件，達到鍛件水平。

④進給速度較慢，導致成形效率較低，零件尺寸會受到鋪粉工作箱的限制，不適合制造大型的整體零件。

二、SLM技術的發展現狀

SLM技術實際上是在選區激光燒結(SLS)技術基礎上發展起來的一種激光增材制造技術。但是在SLS成形過程中存在粉末連接強度較低的問題，為了解決這一問題，1995年德國弗勞恩霍夫激光技術研究所提出了基于金屬粉末熔凝的選區激光熔化技術構思，并且在1999年在德國研發出了第一臺基于不銹鋼粉末的SLM成形設備，隨后許多國家的研究人員都對SLM技術展開了大量的研究。

目前，對SLM技術的研究主要集中在德國、美國、日本等國家，主要是針對SLM設備的制造和成形工藝兩方面展開。國外有許多專業生產SLM設備的公司，如美國的PHENIX、3D SYSTEM公司；德國的EOS、CONCEPT、SLM SOULITION公司；日本的MATSUUR、SODICK公司等，均生產有性能優越的SLM設備，目前德國EOS公司生產的EOSM400型SLM設備最大加工體積可達400mm×400mm×400mm。

在中國對SLM設備的研究主要集中在高校，華中科技大學、西北工業大學和華南理工大學等高校在SLM設備生產研發方面做了大量的研究工作，并且成功應用，其中華中科技大學史玉升團隊以大尺寸激光選區燒結設備研究與應用獲得2011年國家技術發明二等獎。但是國內成熟的商業化設備依舊存在空白，目前國內使用的SLM設備主要還是以國外的產品為主，這將是今后中國SLM技術發展的一個重點方向。

三、SLM技術的運用

SLM技術自成功開發后，其輕量化的零件構造特點就被各大航空、汽車公司所青睞。下圖是著名的航空工業供應商LiebherrAirbus和德國開姆尼茨工業大學合作開發，借助EOS公司生產完成的印液壓閥，目前已通過Airbus A380的飛行測試。

圖2 傳統方法制造的閥體（左）和經過優化的金屬3D打印閥體（右）

全新的增材制造閥體由鈦合金制成，性能與傳統閥門相同，但重量減少了35％，使用的零部件更少。可以將10個功能性元件集成到新的閥體中，而不必使用具有大量橫向孔的管道系統。與傳統的銑削工藝相比，工業3D打印復雜性更低而材料利用率極高，最大限度避免了鈦合金的浪費。如今，制造一臺閥體需要大約一天的時間，EOS公司的生產制造時間還可能縮短75%以上。輕量化3D打印閥體和未來的3D打印零部件也將有助于降低燃油消耗、減少二氧化碳和氮氧化物的排放。

同時，還有美國GE公司于2012年收購的Morris Technologies公司，該公司利用Morris的SLM設備與工藝技術制造出了噴氣式飛機專用的發動機組件，如下圖所示，GE公司明確地將激光增材制造技術認定為推動未來航空發動機發展的關鍵技術。

圖3 SLM技術所制的發動機葉輪

圖4 GE公司使用SLM技術所制的燃料噴嘴

同時SLM技術在醫學領域也有重要的應用，西班牙的Salamanca大學利用澳大利亞科學協會研制的Arcam型SLM設備成功制造出了鈦合金胸骨與肋骨，如圖所示，并成功植入了罹患胸廓癌的患者體內。

圖5 SLM技術所制的鈦合金胸骨與肋骨

西北工業大學、華中科技大學和華南理工大學是我國從事SLM技術研究較早較深人的科研單位，他們分別應用SLM技術制造出了大量的具有復雜結構的金屬零件，如下圖所示。

圖6 復雜結構零件

圖7 蜂窩多孔金屬零件

圖8 不銹鋼多孔復雜零件

目前，激光增材制造技術所應用的材料已涵蓋鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等，在航空航天領域中高性能復雜構件和生物制造領域中多孔復雜結構制造具有顯著優勢。