文/Denny Zhang

激光增材制造（LAM）技術(shù)，作為一種前沿的制造技術(shù)，集成了數(shù)字化技術(shù)、制造技術(shù)、激光技術(shù)及新材料技術(shù)，能夠直接將CAD數(shù)字模型快速而精密地制造成三維實(shí)體零件。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)具有高柔性、無需模具、周期短、不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制等優(yōu)點(diǎn)，在航天航空、汽車、電子、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

增材制造的原材料包括金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子以及生物材料四種，隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，金屬材料占的比重越來越高，激光金屬增材制造在國內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入快車道。

激光金屬增材制造技術(shù)主要包括選擇性激光熔化（SLM）、直接能量沉積（DED）、激光近凈成形（LENS）等多種技術(shù)，其中選擇性激光熔化和直接能量沉積的應(yīng)用比較廣泛。

選擇性激光熔化

選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，是一種基于鋪粉原理的粉末床熔融3D打印技術(shù)，該技術(shù)以預(yù)置于粉末平臺上的金屬粉末為原料，以零件的三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過振鏡控制激光路徑，在三維模型離散出的一系列二維平面上，逐層熔化粉末，并最終制造出三維金屬零件。SLM技術(shù)能夠制造出完全致密的金屬零件，其機(jī)械性能等于或優(yōu)于傳統(tǒng)制造方法。

SLM加工的基本流程主要包括：

1、生成待制造金屬零件的三維CAD模型，包括輔助支撐結(jié)構(gòu)的模型；

2、模型按某一取向進(jìn)行離散化（切片），得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，并按一定規(guī)則生成輪廓內(nèi)的填充掃描路徑，保存成STL文件；

3、計(jì)算機(jī)逐層讀入掃描路徑信息文件，控制激光束方向按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行掃描，熔融粉末床上相應(yīng)位置的粉末，逐層生成零件，并通過控制激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)來保證加工零件的成形質(zhì)量和性能。

在SLM光路系統(tǒng)中，掃描振鏡是非常重要的部件。掃描振鏡也稱為激光振鏡，通過控制激光束的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光在金屬粉末床上的精確掃描。振鏡接收來自控制系統(tǒng)的數(shù)字信號、模擬量或數(shù)字量，驅(qū)動振鏡旋轉(zhuǎn)，從而控制激光束在工作區(qū)域內(nèi)的任意位置。

振鏡的高速往復(fù)伺服電動機(jī)帶動X與Y兩片微小反射鏡片協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)，反射激光束在整個平面上掃描，實(shí)現(xiàn)光斑在整個平面上的快速移動和精確定位。

掃描振鏡的性能直接影響SLM成型零件的幾何精度、表面精度和內(nèi)部缺陷。振鏡系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角與平面坐標(biāo)之間存在非線性映射關(guān)系，加之光學(xué)組件的制造誤差、光路系統(tǒng)的裝調(diào)誤差，會給系統(tǒng)帶來靜態(tài)誤差。

大族集團(tuán)子公司大族聚維的鋪粉式激光增材制造設(shè)備HANS-M260，其掃描振鏡具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

● 全數(shù)字光柵振鏡，精度高、漂移小；

● 自研光柵編碼器，位置分辨率達(dá)23bit；

● ST2-100 20bit保證命令分辨率；

● 重復(fù)定位精度高，成型表面粗糙度低；

● 自購激光干涉儀/光斑分析儀，全面檢測鏡片面型，保證光斑圓度高>95%；

● 三軸振鏡高功率最高承受1kW激光功率，熱透鏡效應(yīng)小。

圖1：大族聚維的鋪粉式激光增材制造設(shè)備HANS-M260。

HANS-M260適用于復(fù)雜隨形水路模具、手板、3C電子、液壓零件、汽車零配件、航空航天等行業(yè)，可選配智能監(jiān)控、嫁接打印功能模塊、雙振鏡等。

直接能量沉積

直接能量沉積（DED）是激光金屬增材制造技術(shù)的一個重要分支。在DED工藝中，金屬粉末或金屬絲形式的材料被輸送到一個激光束照射的基板上，形成一個小熔池并逐層連續(xù)沉積材料。

DED技術(shù)相較于其他增材制造技術(shù)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，包括特定位置的沉積和修復(fù)、合金設(shè)計(jì)、復(fù)雜形狀的三維打印能力。

采用DED技術(shù)的激光代表企業(yè)是普雷茨特，早在2004年，普雷茨特就研發(fā)出了第一代激光粉末熔覆頭DED YC 50，2010年又研發(fā)出第二代DED YC 52，并陸續(xù)研發(fā)出激光送絲同軸熔覆加工頭CoaxPrinter及其配套系統(tǒng)，進(jìn)一步完善了普雷茨特在DED技術(shù)方面的應(yīng)用。

圖2：普雷茨特的激光送絲同軸熔覆加工頭CoaxPrinter。

普雷茨特的增材制造工藝由如下部分構(gòu)成：同軸激光送絲熔覆加工頭CoaxPrinter、實(shí)時熔深測量系統(tǒng)IDM，以及激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)LWM。

（1）同軸激光送絲熔覆加工頭CoaxPrinter 

CoaxPrinter加工頭可實(shí)現(xiàn)無方向性的金屬送絲激光沉積�；�于獨(dú)特的環(huán)形光和同軸進(jìn)料，焊絲均勻熔化，并與部件表面的熔池良好連接，確保工件的一致性。

與使用粉末的激光沉積焊接相比，由于100%的填充材料被引入和利用，因此可以實(shí)現(xiàn)非常高的材料利用率。圓形焦點(diǎn)中的均勻能量分布實(shí)現(xiàn)了較大的工藝窗口，即使在工作距離波動的情況下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工藝。這對于構(gòu)建自由形式的2.5D結(jié)構(gòu)特別有益。

CoaxPrinter的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，例如高質(zhì)量部件的修復(fù)、耐磨損的涂層以及薄壁2.5D結(jié)構(gòu)或大容量上層結(jié)構(gòu)的生成。

（2）實(shí)時熔深測量系統(tǒng)IDM

在使用高功率激光器進(jìn)行焊接的情況下，IDM也能直接在干涉區(qū)進(jìn)行距離測量。焊接過程中的金屬蒸汽和激光漫反射對測量的精確度不會產(chǎn)生任何影響。因此，激光焊接中的關(guān)鍵的焊縫質(zhì)量參數(shù)，例如熔深，可以在所有常見材料的深熔焊中測量。傳動件和車身覆蓋件是典型的應(yīng)用案例。IDM的核心原件緊湊型傳感器和測量平臺，可以與主生產(chǎn)線實(shí)時通訊。

（3）激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)LWM 

普雷茨特的激光焊接實(shí)時在線監(jiān)控系統(tǒng)LWM 4.0，適用于許多24/7運(yùn)行的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在批量生產(chǎn)中，它可以檢測并記錄大量有關(guān)激光焊縫的質(zhì)量和生產(chǎn)率信息。因此，可以監(jiān)視和檢測由工件公差、污染或不同物料批次引起的質(zhì)量波動。

除了采用送絲工藝的CoaxPrinter加工頭，采用送粉工藝的增材加工頭YC 52也在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

對于增材制造的應(yīng)用前景，普雷茨特精密技術(shù)（上海）有限公司中國區(qū)總經(jīng)理張?jiān)迄i在接受《激光世界》記者的采訪時表示，“人們一般認(rèn)為，增材制造一般應(yīng)用于小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，比如牙科設(shè)備等醫(yī)療產(chǎn)品，或者個性定制化的產(chǎn)品；但是普雷茨特也接到了一些大批量生產(chǎn)的訂單，比如手機(jī)行業(yè)和新能源汽車行業(yè)。”

這也說明，隨著增材制造生產(chǎn)效率的提高和成本的進(jìn)一步控制，增材制造未來在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，還有很大的拓展空間。

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