本文參考文獻(xiàn)引用格式：楊永強(qiáng)，魏宏鳴. 激光增材制造設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 電焊機(jī)，2021, 51(1): 17-22.

作者：楊永強(qiáng)1，魏宏鳴2（1.華南理工大學(xué)；2.廣州雷佳增材科技有限公司）

摘要：激光增材制造技術(shù)主要包括粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED），粉末床熔融指的是激光選區(qū)熔化（SLM），定向能量沉積指的是激光近凈成形（LENS）。伴隨著這些技術(shù)“誕生”了相應(yīng)的激光增材制造設(shè)備。以華南理工大學(xué)相應(yīng)設(shè)備研發(fā)為例，介紹了相關(guān)技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀，并展望了激光增材制造設(shè)備未來的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：增材制造；設(shè)備；現(xiàn)狀；發(fā)展

0 前言

作為近年來材料加工領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)總值增長率最快的技術(shù)之一，增材制造技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程、控制工程和材料工程等多學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域，尤其是激光增材制造更是關(guān)聯(lián)光學(xué)領(lǐng)域。國內(nèi)外相繼開展了粉末床熔融和定向能量沉積相關(guān)設(shè)備以及工藝的研究，通過激光增材制造技術(shù)克服了傳統(tǒng)加工復(fù)雜零件中的難題[1]，打印成型尺寸精度較高，突破了傳統(tǒng)制造的壁壘，一體化制造保證了整件的優(yōu)異性能。

1　激光增材制造技術(shù)原理

激光增材制造技術(shù)（3D打?。┰硎抢眉す庠诓牧铣尚蛥^(qū)域進(jìn)行掃描熔化，或者利用激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池，熔化送入熔池的粉末材料，通過層層堆疊最終成型三維零件的過程。以粉末床熔融（PBF）技術(shù)為例，整個(gè)增材制造過程包括：最初的軟件建模與三維設(shè)計(jì)，再通過分層切片與數(shù)據(jù)處理，將處理后的文件導(dǎo)入自主研發(fā)的金屬3D打印設(shè)備后，最后以循環(huán)工序在設(shè)備中利用激光束在二維振鏡偏擺運(yùn)動(dòng)下進(jìn)行逐層掃描成型。

2　激光增材制造設(shè)備結(jié)構(gòu)功能介紹

采用粉末床熔融技術(shù)的設(shè)備按模塊主要?jiǎng)澐譃槌尚湍K、送粉鋪粉模塊、光路模塊、水冷模塊、運(yùn)動(dòng)與傳感監(jiān)測模塊、軟件控制系統(tǒng)模塊、循環(huán)過濾模塊和在線監(jiān)測與診斷等八部分；華南理工大學(xué)增材制造團(tuán)隊(duì)早在2004年就研發(fā)出了基于粉末床熔融技術(shù)的Dimetal-280激光選區(qū)熔化（SLM）設(shè)備，在結(jié)構(gòu)方面，采用單缸上送粉方式，使用200 W高功率密度光纖激光器配合光學(xué)振鏡掃描系統(tǒng)最終能夠達(dá)到成型范圍為280?mm×280?mm×300?mm，國內(nèi)外主要SLM設(shè)備技術(shù)廠商及參數(shù)見表1；此后華南理工大學(xué)增材制造團(tuán)隊(duì)與廣州雷佳增材科技有限公司陸續(xù)開發(fā)出多款Dimetal系列SLM設(shè)備，見表2。在設(shè)備功能方面，包括自主研發(fā)路徑規(guī)劃軟件、多軸控制系統(tǒng)、CCD在線監(jiān)測熔池、單雙缸上、下送粉方式、自主研發(fā)帶反吹功能雙級循環(huán)過濾系統(tǒng)、基板預(yù)熱和氣氛監(jiān)測與保護(hù)等更加智能化的功能模塊，使得設(shè)備在進(jìn)行成型加工時(shí)更加智能、安全與穩(wěn)定。

基于定向能量沉積技術(shù)的設(shè)備按模塊主要?jiǎng)澐譃槿S運(yùn)動(dòng)軸模塊、冷卻系統(tǒng)、一體化熔覆裝置光學(xué)模組、送粉熔覆噴嘴、送粉系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)等六部分；華南理工大學(xué)在定向能量沉積設(shè)備研發(fā)中，對于核心部件激光熔覆噴嘴、送粉系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)和控制系統(tǒng)均采取自主研發(fā)并獨(dú)具特色。其中激光熔覆噴嘴是采用同軸送粉的原理自主設(shè)計(jì)，包括三孔、六孔、環(huán)形等噴嘴，利用粉末床熔融技術(shù)，在自主研發(fā)的SLM設(shè)備中打印成型。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，粉末匯聚性能優(yōu)異，成型質(zhì)量良好。

3　激光增材制造設(shè)備現(xiàn)狀

對于相應(yīng)設(shè)備的研發(fā)，華南理工大學(xué)采用的激光增材制造設(shè)備原理以粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）技術(shù)為主。根據(jù)粉末床熔融技術(shù)研發(fā)的激光選區(qū)熔化（SLM）設(shè)備，以主流的粉末床作為成型平臺，通過計(jì)算機(jī)三維切片技術(shù)，根據(jù)給定的路徑規(guī)劃算法，控制激光束在成型平面上層層掃描熔化、堆疊，直至成型。目前，華南理工大學(xué)已研發(fā)出適用于不同尺寸、不同領(lǐng)域、多種材料、不同掃描方式的激光選區(qū)熔化設(shè)備，包括Dimetal-50、Dimetal-100、Dimetal-100E、Dimetal-100H、Dimetal-280、Dimetal-300、Dimetal-500設(shè)備等一系列激光選區(qū)熔化設(shè)備。

3.1　單一材料粉末床熔融

對于市場上粉末床熔融設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用來說，加工成型小型尺寸、單種材料的設(shè)備更為普遍與常態(tài)化。Dimetal系列金屬3D打印機(jī)中，作為擁有“開山之作?”之稱的Dimetal-50金屬激光選區(qū)熔化設(shè)備的加工尺寸達(dá)50?mm×50?mm×50?mm，主要針對齒科、珠寶、材料工藝實(shí)驗(yàn)研發(fā)等領(lǐng)域，激光加工光斑可達(dá)20μm，可精準(zhǔn)雕琢部件結(jié)構(gòu)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，通過利用集中式激光能量大幅度加強(qiáng)成型部件的致密度與強(qiáng)度。該設(shè)備特色之處在于精密、精巧，圓形成型及粉料缸體使腔體內(nèi)部加工后更換周轉(zhuǎn)加快，十分便捷。為保證成型精度，在傳統(tǒng)的一路氣體循環(huán)的基礎(chǔ)上新增加第二路氣體導(dǎo)入[2]，在光學(xué)鏡片下導(dǎo)入新鮮的氬氣或其他惰性氣體形成保護(hù)氣體層，完全隔絕一切粉末熔融過程中的燃燒物粘附在光學(xué)鏡片上，保證了絕對激光輸出精準(zhǔn)度并大幅延長了光學(xué)部件壽命。

Dimetal-100E、Dimetal-100H激光選區(qū)熔化設(shè)備為華南理工大學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)于2018~2019年間針對模具零件、齒科、教育行業(yè)和貴金屬、珠寶行業(yè)等不同領(lǐng)域開發(fā)出的對應(yīng)設(shè)備機(jī)型。Dimetal-100E外形精巧、成型尺寸精度高，配備高速掃描振鏡，可成型不銹鋼、鈷鉻合金、鈦合金和模具鋼等金屬粉末；Dimetal-100H設(shè)備用于工業(yè)制造中小批量等精密零件研發(fā)與生產(chǎn)、口腔、醫(yī)療和珠寶領(lǐng)域，是華南理工大學(xué)與廣州雷佳增材科技有限公司共同針對貴重金屬粉末的金屬3D打印設(shè)計(jì)和研發(fā)的，當(dāng)然亦可用于其他材料金屬3D打印增材制造，并且支持20μm光斑成型精度，相比于國內(nèi)市面上的激光選區(qū)熔化設(shè)備優(yōu)勢較大[3]。在單一材料、小尺寸設(shè)備技術(shù)研發(fā)方面，均采用自主設(shè)計(jì)的統(tǒng)一控制系統(tǒng)與路徑規(guī)劃軟件，包括設(shè)備控制電路、模擬量智能檢測傳感電路設(shè)計(jì)、信號輸入輸出處理等功能開發(fā)，保證設(shè)備的智能化；供粉、成型均采用高精度精密電缸驅(qū)動(dòng)，配備高性能伺服驅(qū)動(dòng)器，以有效地保證零部件成型的Z軸精度，精準(zhǔn)控制極限層厚從而確保每層打印熔融均勻，通過這些舉措，設(shè)備達(dá)到了十分穩(wěn)定的加工狀態(tài)[4]。設(shè)備仍然延續(xù)了不可或缺的循環(huán)過濾系統(tǒng)、獨(dú)特的光學(xué)系統(tǒng)和粉末回收、高效換粉系統(tǒng)等，來保證長時(shí)間加工或正常使用時(shí)的穩(wěn)定性與便捷性[5]。

隨著航空航天、醫(yī)療、工業(yè)制造等領(lǐng)域?qū)α慵虺尚图叽纭⒕?、?fù)雜度的要求越來越高，粉末床熔融設(shè)備面臨的大尺寸成型要求也愈發(fā)顯現(xiàn)[6]。為此，華南理工大學(xué)開始了針對大尺寸成型設(shè)備的機(jī)理與結(jié)構(gòu)、控制方式的研發(fā)，并針對不同結(jié)構(gòu)研發(fā)了Dimetal-280單缸上送粉、Dimetal-280雙缸下送粉等Dimetal系列大尺寸激光選區(qū)熔化設(shè)備；針對不同的控制機(jī)理，研發(fā)了Dimetal-500雙激光雙振鏡大尺寸激光選區(qū)熔化設(shè)備[7]，雙激光分區(qū)掃描極大地提高了成型效率和成型范圍，使得更大零件的成型需求得以實(shí)現(xiàn)，雙激光設(shè)備及成型樣件如圖1所示。

Dimetal-280系列激光選區(qū)熔化設(shè)備在配備單個(gè)激光器的條件下，亦具有更大的成型區(qū)域、更高的成型效率，可滿足航空航天、汽車、模具行業(yè)對金屬尺寸的成型要求，成型尺寸250?mm×250?mm×280?mm，在7?m/s振鏡掃描速度下，成型效率較高；設(shè)備采用獨(dú)特的上送粉結(jié)構(gòu)，如圖2所示，利用精度較高的步進(jìn)電機(jī)，通過滾輪上均勻分布的溝槽來借助步進(jìn)電機(jī)的固定角度旋轉(zhuǎn)使得粉末均勻落下，同時(shí)也使得整體成型室僅有成型區(qū)域，內(nèi)部較為緊湊，獨(dú)特的雙槽承接粉料鋪粉小車結(jié)構(gòu)在軟件控制下，可方便地進(jìn)行雙向鋪粉打印成型，在大尺寸成型打印條件下成型效率較高，避免了一層打印兩次鋪粉的“不必要?”動(dòng)作。

3.2　異種材料粉末床熔融

在材料性能與功能要求更高的市場要求下，華南理工大學(xué)開發(fā)出了針對特殊場合需要異種介質(zhì)的多種材料激光選區(qū)熔化設(shè)備，包括Dimetal-100雙材料、Dimetal-300四材料設(shè)備。多材料零件由于兼顧控形、控材和控性等優(yōu)越特性，在成型過程中，技術(shù)手段等要求更高，如何定義零件在不同部位用什么材料、不同零件之間該如何連接、材料定義如何與需求實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)合起來，成為多材料打印的難題。目前，國外多種材料增材制造裝備廠商主要有NASA、Object和SLM-Solution公司等，2014年9月11日，Stratasys的子公司Object在上海推出了Objet 500 Connex1和Objet 500 Connex2多材料3D打印機(jī)。2017年6月，NASA建立“多材質(zhì)空間制造實(shí)驗(yàn)室?”，用于空間站的飛行驗(yàn)證，旨在推動(dòng)優(yōu)化多材料制造能力領(lǐng)域的發(fā)展[9]。

隨著市場多材料3D打印需求的逐漸擴(kuò)大，國內(nèi)越來越多的企業(yè)逐漸關(guān)注多材料3D打印的應(yīng)用發(fā)展[10]。部分在多材料領(lǐng)域領(lǐng)先的3D打印高新技術(shù)企業(yè)，均有自主研發(fā)的多材料激光選區(qū)熔化金屬增材制造設(shè)備，2018年，華南理工大學(xué)與廣州雷佳增材科技有限公司共同成功研發(fā)了Dimetal系列工業(yè)級激光選區(qū)熔化設(shè)備Dimetal-300，如圖3所示，設(shè)備采用粉末床熔融技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)異種材料在Z軸方向梯度成型，可實(shí)現(xiàn)單層中，多種材料梯度預(yù)置，并且在同一層上可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)的異種材料的成型。該裝備搭載高功率激光器、動(dòng)態(tài)聚焦掃描振鏡、多重濾芯保護(hù)氣過濾系統(tǒng)以及柔性鋪粉系統(tǒng)，采用多材料漏斗送粉和集成化控制軟件，尺寸精度可達(dá)0.05 mm，相對致密度98.5%以上，并且可以根據(jù)產(chǎn)量和用途的不同，在不銹鋼、模具鋼、鈷鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金等中任意選用兩種及兩種以上的金屬材料組合[13]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度高，選用材料豐富。

3.3　定向能量沉積

華南理工大學(xué)與廣州雷佳增材科技有限公司近兩年陸續(xù)研發(fā)出以定向能量沉積為技術(shù)原理的LASERADD系列設(shè)備。包括集定向能量沉積（DED）與銑削減材模塊于一體的等離子（激光）增減材設(shè)備LASERADD-PR-500，該設(shè)備采用定向能量沉積技術(shù)，利用不同公斤級機(jī)器人規(guī)定指令動(dòng)作，“攜”激光熔覆裝置對金屬零件進(jìn)行直接制造和修復(fù)，填補(bǔ)了大型結(jié)構(gòu)件高效率、高精度增材制造和現(xiàn)象修復(fù)的空白[14]，成型尺寸可達(dá)500 mm×500 mm×400 mm，成型成本低效率更高，八軸聯(lián)動(dòng)銑削復(fù)合滿足更高尺寸精度要求，使得零件成型更具靈活性與可靠性。除了將激光搭載在機(jī)器人上之外，團(tuán)隊(duì)于2019年開始，研發(fā)出搭載在數(shù)控機(jī)床上的LASERADD系列定向能量沉積設(shè)備LASERADD-DED-500，設(shè)備基于西門子SINUMERIK控制系統(tǒng)進(jìn)行了增材制造控制系統(tǒng)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)可控的增材制造方案，成型尺寸可達(dá)500 mm×400 mm×200 mm，如圖4所示，該設(shè)備搭載華南理工大學(xué)自主研發(fā)的獨(dú)具特色的金屬3D打印同軸熔覆噴嘴及一體化熔覆裝置，如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)長期、高效、高利用率激光定向能量沉積加工成型，如圖6所示。

4　目前存在的問題與舉措

經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，激光增材制造技術(shù)已越發(fā)成熟，國內(nèi)外金屬3D打印設(shè)備以及工藝的步伐愈發(fā)趨于同等水平，行業(yè)發(fā)展愈發(fā)蓬勃[17]。隨著市場多元化的發(fā)展，與之配套的3D打印裝備也越來越多樣化、多功能化，但是目前仍然處于裝備開發(fā)階段，尤其是金屬增材制造，尺寸大小的局限性、打印材料種類的貧乏、成型高難度的材料導(dǎo)致對設(shè)備的要求也更高[18]。

激光增材制造中主要存在以下不足：（1）粉末床熔融技術(shù)（PBF），文中指激光選區(qū)熔化（SLM）設(shè)備，打印成型尺寸較小，主要被金屬打印機(jī)尺寸大小所限制，雖然國內(nèi)外相繼出現(xiàn)大尺寸金屬激光選區(qū)熔化裝備，但是在穩(wěn)定性、尺寸上仍處于發(fā)展中，每增大一定的成型范圍，都是對裝備開發(fā)的重大考驗(yàn)，其中包括光路系統(tǒng)、成型系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等都將受到協(xié)同影響。（2）效率較低，尤其是在成型一些大型結(jié)構(gòu)件時(shí)，成型速度慢，相比于傳統(tǒng)加工方式，激光增材制造設(shè)備在實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)時(shí)效率較低，數(shù)量受限，目前主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或者數(shù)量不是太多的工廠復(fù)雜零件、模具的生產(chǎn)中[19]，雖然定向能量沉積（DED）技術(shù)，文中指激光近凈成型（LENS）效率相對粉末床熔融（PBF）較高，但是成型質(zhì)量卻相差較遠(yuǎn)。（3）激光增材制造作為智能制造的代表，使用的核心器件比如激光器、光學(xué)振鏡系統(tǒng)等目前主要還來源于一些歐美發(fā)達(dá)國家，國產(chǎn)的一些核心器件在質(zhì)量和穩(wěn)定性上與國外有一定差距，再加上當(dāng)前一些技術(shù)封鎖，設(shè)備的開發(fā)費(fèi)用和裝備的功能、水準(zhǔn)等都將受到影響。

針對存在的問題，國內(nèi)外的金屬激光增材裝備開發(fā)商、研究機(jī)構(gòu)相繼給出了解決的大方向，主要是：（1）研發(fā)更大尺寸、更大掃描范圍的激光增材制造裝備，以打印大尺寸的成型零件，拓展應(yīng)用范圍；（2）從裝備軟件開發(fā)和裝備智能程度入手，當(dāng)控制系統(tǒng)以及控制軟件功能升級、功能豐富，才能更穩(wěn)定地控制多激光打印，成型效率才會(huì)提高[20]；（3）大力發(fā)展激光增材裝備基礎(chǔ)研究，現(xiàn)在國內(nèi)越來越多的光電子科技企業(yè)投入基礎(chǔ)性研究，這對于激光增材制造裝備的整體提升與主動(dòng)性意義重大。

5　激光增材制造裝備的發(fā)展展望

隨著激光增材制造技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，特別是美國通用電氣公司在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域大量使用以及國產(chǎn)飛機(jī)C919上使用多個(gè)金屬3D打印零件[21]，同時(shí)我國國內(nèi)企業(yè)如廣州雷佳、西安鉑力特等公司在金屬增材制造裝備開發(fā)及應(yīng)用上的不懈深耕，極大地促進(jìn)、激發(fā)了國內(nèi)金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展。

未來，激光選區(qū)熔化（SLM）、激光近凈成型（LENS）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）等一系列激光增材技術(shù)能否繼續(xù)在金屬3D打印領(lǐng)域保持較高的地位，關(guān)鍵在于裝備技術(shù)水平的不斷發(fā)展，利用激光進(jìn)行加工的增材制造以逐層堆積的方式正在對傳統(tǒng)的制造業(yè)進(jìn)行翻天覆地的改變[22]。激光選區(qū)熔化（SLM）裝備將朝著更大、效率更高的方向發(fā)展，在保證精度的同時(shí)提高零件尺寸大小和成型效率將是我們繼續(xù)探索的方向；激光近凈成型（LENS）技術(shù)由于其獨(dú)特的加工方式以及優(yōu)于SLM技術(shù)的成型效率，將金屬3D打印技術(shù)與多種技術(shù)相結(jié)合，搭配激光增減材系統(tǒng)，最終會(huì)將激光增材制造推上真正的高效率、高精度的道路。

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