2024年5月23日发(作者：戏耀)
金属激光熔化快速成型技术的现状及发展
引言
速成型(Rapid Prototype，RP)技术是通过材料添加法直接制造实体模型的
技术总称，已经被广泛地用于缩短产品生产周期。虽然此技术包括很多种不同的
工艺，但最基本的思想是根据电脑中的CAD数据用逐层添加方式直接成型具有特
定几何形状的零件。它突破了传统加工方法去除成犁的概念，采用添加材料的方
法成型零件，不存在材料去除的浪费问题；可显著缩短零件制造周期，增强产品
竞争优势；成型过程小受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合
于单件小批量产品和样件的制造⋯。当前发展起来的20多种技术中，多数不能直
接用丁金属零件的制造，往往是用非金属材料制造出零件的模具，然后再浇铸成
金属零件。但工业上对金属零件的直接快速成型技术更感兴趣，近年来此技术也
成了RP技术的主流发展方向。金属零件选区激光熔化(Selective L2Lser Melting，
SLM)直接成型是一种新型的RP技术，它能一步加工出具有冶金结合、致密度接近
100％、具有一定尺寸精度和表面粗糙度的金属零件。它可以大大加快产品的开
发速度，具有广阔的发展前景，也是国外研究的热点领域之一。
1选区激光熔化技术的基本原理
SLM技术基于快速成犁原理，从零件的CAD几何模型如发，通过软件分层离散
和数控成型系统，用激光束把金属或合金粉末逐层熔化，堆积成一个冶金结合、
组织致密的实体。在计算机上设计出零件的三维实体模型，通过专用软件对该三
维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据导入快速成型设备，
设备将按照这些轮廓数据，控制激光束选择地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆
叠成三维金属零件。
2金属零件快速成型的主要方法
目前，可以直接成型金属零件的快速成型方法主要有三种：第一种是选区
激光烧结(SLS)制造金属，即用低熔点金属或有机粘接材料包覆在金属粉末表而，
激光选照射时，激光作用下低熔点金属或粘接材料熔化，而金属粉末不熔化，形
成的三实体为类似粉末冶金烧结的坯件，实体存在一定比例孔隙，不能达到100％
密度，力学性能也较差，常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理才
能使用。这种方法多采用50 w c02激光器，光斑尺寸在O．1～O．4 mm，由于功
率密度不高，工业上较少用于金属粉末的烧结，多用于工程塑料或有机材料粉末
的烧结。
第二种方法足激光熔覆快速成型。美国称之为LENS(Laser Engineered Net
shaping)，德国称之为LG(LaserGeneratin2)，在我国称为激光熔覆或近形制造。
该方法采用同轴环形粉末喷嘴，并使用大功率Nd：YAG固体激光器或CO：激光器，
输送的粉末汇聚点与激光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆
实体，致密度接近100％，其组织具有快速凝固特征，性能较常规方法略有提高。
然而，此技术使用的是大功率激光器，包括千瓦级的激光器，虽然可以得到冶金
结合的致密金属实体，但由于激光作用区的光斑较大， 般在1 mm左右，所以所
得金属零件的尺寸精度和表面粗糙度都较差，只能制作粗毛坯，需精加工后才能
使用。
第三种方法是选区激光熔化(SLM)直接成型。这种方法是在选区激光烧结SLS
基础上发展起来的，主要区别在1：所用激光器和聚焦斑点尺寸的不同，金属粉
末完全熔化，产生冶金结合。与SLS相比，它需要高功率密度激光器，可聚焦剑
几十微米人小的光斑，由于材料吸收问题，波长为10．6 um的C02激光器很难满
足要求。Nd：YAG由于光束模式差也很难达到要求。它可使用光束模式较好的半
导体象浦YAG激光器或光纤激光器，功率在100～200 w，功率密度达5×106 w／
cm2以上14J。
3选区激光熔化设备开发
欧洲著名的R印id Tooling方案提供商MCPI引，推出了直接成型金属的设备
MCP Realizer，将它用于SLM可以成型压铸工具、注射模以及由一定成分金属和
陶瓷的医学植入体。其设备采用100 w的固体光纤激光器，振镜扫描，利用该
设备可以通过层与层之相互粘结(最小铺粉层厚约50 um)实现专用金属粉末的近
完全密度快速成型，能加工出表面精度较高、厚度小于100 um的簿壁件，其成型
室尺寸为250 mm×250 mmx240 mm，成型速度为5 mm3／Il，加工完成后的零件表
面粗糙度约为10～30 um。近几年德国的EOS公司推出的EOSINT M270型设备，主
要用于快速成型产品以及塑料模具加工、刀具的制造。与图2选区激光熔化设备
M250相比，M270的最大变化是将M250的C02激光器换为固体Yb光纤激光器，尽管
2024年5月23日发(作者：戏耀)
金属激光熔化快速成型技术的现状及发展
引言
速成型(Rapid Prototype，RP)技术是通过材料添加法直接制造实体模型的
技术总称，已经被广泛地用于缩短产品生产周期。虽然此技术包括很多种不同的
工艺，但最基本的思想是根据电脑中的CAD数据用逐层添加方式直接成型具有特
定几何形状的零件。它突破了传统加工方法去除成犁的概念，采用添加材料的方
法成型零件，不存在材料去除的浪费问题；可显著缩短零件制造周期，增强产品
竞争优势；成型过程小受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合
于单件小批量产品和样件的制造⋯。当前发展起来的20多种技术中，多数不能直
接用丁金属零件的制造，往往是用非金属材料制造出零件的模具，然后再浇铸成
金属零件。但工业上对金属零件的直接快速成型技术更感兴趣，近年来此技术也
成了RP技术的主流发展方向。金属零件选区激光熔化(Selective L2Lser Melting，
SLM)直接成型是一种新型的RP技术，它能一步加工出具有冶金结合、致密度接近
100％、具有一定尺寸精度和表面粗糙度的金属零件。它可以大大加快产品的开
发速度，具有广阔的发展前景，也是国外研究的热点领域之一。
1选区激光熔化技术的基本原理
SLM技术基于快速成犁原理，从零件的CAD几何模型如发，通过软件分层离散
和数控成型系统，用激光束把金属或合金粉末逐层熔化，堆积成一个冶金结合、
组织致密的实体。在计算机上设计出零件的三维实体模型，通过专用软件对该三
维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据导入快速成型设备，
设备将按照这些轮廓数据，控制激光束选择地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆
叠成三维金属零件。
2金属零件快速成型的主要方法
目前，可以直接成型金属零件的快速成型方法主要有三种：第一种是选区
激光烧结(SLS)制造金属，即用低熔点金属或有机粘接材料包覆在金属粉末表而，
激光选照射时，激光作用下低熔点金属或粘接材料熔化，而金属粉末不熔化，形
成的三实体为类似粉末冶金烧结的坯件，实体存在一定比例孔隙，不能达到100％
密度，力学性能也较差，常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理才
能使用。这种方法多采用50 w c02激光器，光斑尺寸在O．1～O．4 mm，由于功
率密度不高，工业上较少用于金属粉末的烧结，多用于工程塑料或有机材料粉末
的烧结。
第二种方法足激光熔覆快速成型。美国称之为LENS(Laser Engineered Net
shaping)，德国称之为LG(LaserGeneratin2)，在我国称为激光熔覆或近形制造。
该方法采用同轴环形粉末喷嘴，并使用大功率Nd：YAG固体激光器或CO：激光器，
输送的粉末汇聚点与激光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆
实体，致密度接近100％，其组织具有快速凝固特征，性能较常规方法略有提高。
然而，此技术使用的是大功率激光器，包括千瓦级的激光器，虽然可以得到冶金
结合的致密金属实体，但由于激光作用区的光斑较大， 般在1 mm左右，所以所
得金属零件的尺寸精度和表面粗糙度都较差，只能制作粗毛坯，需精加工后才能
使用。
第三种方法是选区激光熔化(SLM)直接成型。这种方法是在选区激光烧结SLS
基础上发展起来的，主要区别在1：所用激光器和聚焦斑点尺寸的不同，金属粉
末完全熔化，产生冶金结合。与SLS相比，它需要高功率密度激光器，可聚焦剑
几十微米人小的光斑，由于材料吸收问题，波长为10．6 um的C02激光器很难满
足要求。Nd：YAG由于光束模式差也很难达到要求。它可使用光束模式较好的半
导体象浦YAG激光器或光纤激光器，功率在100～200 w，功率密度达5×106 w／
cm2以上14J。
3选区激光熔化设备开发
欧洲著名的R印id Tooling方案提供商MCPI引，推出了直接成型金属的设备
MCP Realizer，将它用于SLM可以成型压铸工具、注射模以及由一定成分金属和
陶瓷的医学植入体。其设备采用100 w的固体光纤激光器，振镜扫描，利用该
设备可以通过层与层之相互粘结(最小铺粉层厚约50 um)实现专用金属粉末的近
完全密度快速成型，能加工出表面精度较高、厚度小于100 um的簿壁件，其成型
室尺寸为250 mm×250 mmx240 mm，成型速度为5 mm3／Il，加工完成后的零件表
面粗糙度约为10～30 um。近几年德国的EOS公司推出的EOSINT M270型设备，主
要用于快速成型产品以及塑料模具加工、刀具的制造。与图2选区激光熔化设备
M250相比，M270的最大变化是将M250的C02激光器换为固体Yb光纤激光器，尽管