SLM（选择性激光熔融）是一种先进的金属零件快速成型制造技术。本指南深入介绍了 SLM 系统、工艺、材料、应用、优势以及采用该技术时的注意事项。
选择性激光熔化简介
选择性激光熔融（SLM）是一种粉末床熔融快速成型制造工艺，它使用高功率激光逐层选择性地熔化和融合金属粉末颗粒，直接根据三维 CAD 数据制造出完全致密的金属零件。
主要特点 SLM 技术:
- 利用激光选择性地熔化金属粉末
- 只在需要的地方添加材料
- 可实现铸造或机加工无法实现的复杂几何形状
- 打造致密、无空隙的金属部件
- 常见材料包括铝、钛、钢、镍合金
- 可加工中小型零件
- 复杂、小批量零件的理想选择
- 无需模具等硬质工具
- 与减法相比，可减少浪费
- 利用工程结构提高性能
SLM 为创新产品设计和精益生产提供了改变游戏规则的能力。然而，掌握这一工艺需要专业知识。
选择性激光熔融技术的工作原理
可持续土地管理过程包括
- 将金属粉末薄层涂抹到构建板上
- 扫描聚焦激光束，选择性熔化粉末
- 降低构建板，重复分层和熔化
- 从粉末床移除成品部件
- 根据需要对部件进行后期处理
精确控制能量输入、扫描模式、温度和大气条件对于实现无缺陷、高密度零件至关重要。
SLM 系统包括激光器、光学器件、粉末输送、构建室、惰性气体处理和控制装置。性能在很大程度上取决于系统设计和构建参数。
SLM 技术 供应商
领先的 SLM 系统制造商包括
| 公司名称 | 机型 | 建筑尺寸范围 | 材料 | 价格范围 |
|---|---|---|---|---|
| SLM 解决方案 | 下一代, NXG XII | 250 x 250 x 300 毫米 <br> 800 x 400 x 500 毫米 | 钛、铝、镍、钢 | $400,000 – $1,500,000 |
| EOS | M 300、M 400 | 250 x 250 x 325 毫米 <br> 340 x 340 x 600 毫米 | 钛、铝、镍、铜、钢、钴铬合金 | $500,000 – $1,500,000 |
| Trumpf | TruPrint 3000 | 250 x 250 x 300 毫米 <br> 500 x 280 x 365 毫米 | 钛、铝、镍、铜、钢 | $400,000 – $1,000,000 |
| 概念激光器 | X 线 2000R | 800 x 400 x 500 毫米 | 钛、铝、镍、钢、钴铬合金 | $1,000,000+ |
| 雷尼绍 | AM400, AM500 | 250 x 250 x 350 毫米 <br> 395 x 195 x 375 毫米 | 钛、铝、钢、钴铬合金、铜 | $500,000 – $800,000 |
系统选择取决于制造尺寸需求、材料、质量、成本和服务。建议与经验丰富的 SLM 解决方案提供商合作，以正确评估各种选项。
SLM 工艺特点
SLM 涉及各种工艺参数之间复杂的相互作用。以下是其主要特点：
激光 - 功率、波长、模式、扫描速度、舱口距离、策略
粉末 - 材料、颗粒大小、形状、进料速度、密度、流动性、重复利用率
温度 - 预热、熔化、冷却、热应力
氛围 - 惰性气体类型、氧气含量、流速
构建板 - 材料、温度、涂层
扫描策略 - 填充图案、旋转、边框轮廓
支持 - 最大限度地减少需求、界面和移除
后期处理 - 热处理、HIP、机加工、精加工
了解这些参数之间的关系对于实现无缺陷部件和最佳机械性能至关重要。
可持续土地管理设计指南
正确的零件设计对 SLM 的成功至关重要：
- 设计时考虑到快速成型与传统方法的对比
- 优化几何结构，减轻重量、减少材料并提高性能
- 使用自支撑角钢，尽量减少对支撑物的需求
- 在设计中允许支持界面区域
- 确定部件的方向，以减少应力和避免缺陷
- 考虑功能的热收缩
- 设计用于清除未熔化粉末的内部通道
- 考虑悬臂或薄截面可能出现的翘曲
- 设计表面光洁度时考虑到竣工时的粗糙度
- 考虑层线对疲劳性能的影响
- 为原始部件设计夹具接口
- 尽量减少未烧结粉末的滞留量
仿真软件有助于评估复杂 SLM 部件的应力和变形。
SLM 材料选项
SLM 可加工一系列合金，材料性能取决于所用参数。
| 类别 | 普通合金 |
|---|---|
| 钛 | Ti-6Al-4V, Ti 6242, TiAl, Ti-5553 |
| 铝质 | AlSi10Mg、AlSi12、Scalmalloy |
| 不锈钢 | 316L、17-4PH、304L、4140 |
| 工具钢 | H13、马氏体时效钢、铜工具钢 |
| 镍合金 | 铬镍铁合金 625、718、海恩 282 |
| 钴铬合金 | 钴铬钼合金、MP1、钴铬钨合金 |
| 贵金属 | 金、银 |
选择兼容的合金和调试合格的参数对实现所需的材料性能至关重要。
关键 SLM 应用
可持续土地管理实现了各行各业的转型能力：
| 行业 | 典型应用 |
|---|---|
| 航空航天 | 涡轮叶片、叶轮、卫星和无人机部件 |
| 医疗 | 骨科植入物、手术工具、病人专用器械 |
| 汽车 | 组件轻量化、定制工具 |
| 能源 | 复杂的油气阀门、热交换器 |
| 工业 | 共形冷却刀片、夹具、固定装置、导轨 |
| 国防 | 无人机、武器装备、车辆和装甲部件 |
与传统制造相比，其优势包括
- 大规模定制能力
- 缩短开发时间
- 自由设计，提高性能
- 部件合并和轻量化
- 消除过度使用材料的现象
- 供应链整合
在关键应用中使用 SLM 零件时，需要对机械性能进行仔细验证。
的利弊 SLM 技术
优势
- 利用快速成型技术实现设计自由
- 在不增加成本的情况下实现复杂性
- 无需硬质工具
- 将子组件合并为单一部件
- 拓扑优化结构的轻量化
- 定制和小批量生产
- 比铸造/机加工缩短开发时间
- 精细微结构带来高强度/重量比
- 与减法工艺相比，最大限度地减少材料浪费
- 及时生产和分散生产
- 减少部件交付周期和库存
局限性：
- 与其他金属 AM 工艺相比，制造量更小
- 尺寸精度和表面光洁度低于机械加工
- 与铸造相比，合格合金的选择有限
- 通过大量试错来优化构建参数
- 分层产生的各向异性材料特性
- 残余应力和开裂的可能性
- 复杂几何形状的除粉挑战
- 经常需要后期处理
- 设备成本高于聚合物三维打印
- 需要特殊设施和惰性气体处理
如果应用得当，可持续土地管理可实现其他手段无法实现的突破性性能。
采用可持续土地管理技术
实施可持续土地管理面临的挑战包括
- 根据需求确定合适的应用程序
- 确认所选设计的可持续土地管理可行性
- 制定严格的工艺鉴定协议
- 投资合适的 SLM 设备
- 确保金属粉末床工艺的专业性
- 建立材料质量程序和标准
- 掌握构建参数的开发和优化
- 实施稳健的后处理方法
- 鉴定成品部件的机械性能
有条不紊的引入计划侧重于低风险应用，可最大限度地减少陷阱。与经验丰富的 SLM 服务局或系统原始设备制造商合作，可以获得专业知识。
SLM 生产成本分析
可持续土地管理生产的经济性涉及
- 机器设备成本高
- 构建设置、后期处理和质量控制所需的人工
- 金属粉末原料的材料成本
- 零件精加工--机加工、钻孔、去毛刺等。
- 间接费用--设施、惰性气体、水电、维护
- 最初的试错开发时间
- 成本随着设计优化和生产经验的积累而降低
- 在 1-500 个单位的小批量应用中具有经济性
- 为复杂几何形状提供最高成本优势
建议从信誉良好的供应商处选择合格的合金，以避免出现缺陷。与服务供应商合作可以提供更快、更低风险的采用途径。
SLM 与其他工艺的比较
| 过程 | 与 SLM 的比较 |
|---|---|
| 数控加工 | SLM 可加工减法工艺无法加工的复杂形状。无需硬模具。 |
| 金属注射成型 | SLM 可消除高昂的模具成本。材料性能优于 MIM。可实现小批量生产。 |
| 压铸 | SLM 的模具成本更低。没有尺寸限制。可实现非常复杂的几何形状。 |
| 板材层压 | 与层压复合材料相比，SLM 可制造出完全致密且各向同性的材料。 |
| 粘结剂喷射 | 与需要烧结的多孔粘合剂喷射部件相比，SLM 可提供完全致密的绿色部件。 |
| DMLS | 与 DMLS 聚合物系统相比，SLM 的精度更高，材料性能更好。 |
| EBM | 与 SLM 相比，电子束熔化的制造率更高，但分辨率较低。 |
根据具体的应用、批量大小、材料、成本目标和性能要求，每种工艺都有其优势。
SLM 快速成型技术的未来展望
可持续土地管理将在未来几年实现大幅增长，其驱动因素包括
- 不断扩大材料范围，提供更多合金
- 建造量更大，可实现工业规模生产
- 改善表面粗糙度和公差
- 提高系统可靠性和生产率
- 集成加工的新型混合系统
- 成本下降，改善业务论证的规模
- 进一步优化算法和模拟
- 自动化后处理集成
- 监管行业合格部件的增长
- 继续推进复杂设计
可持续土地管理将成为主流，其应用范围将不断扩大，其能力将带来明显的竞争优势。
常见问题
使用 SLM 可以加工哪些材料？
最常见的是钛和铝合金。此外还加工工具钢、不锈钢、镍合金和钴铬合金。
SLM 有多精确？
典型的精度约为±0.1-0.2%，最小特征分辨率约为 100 微米。
可持续土地管理设备的成本是多少？
SLM 系统的范围从 $300,000 到 $1,000,000+ 不等，具体取决于尺寸、功能和选件。
需要进行哪些类型的后期处理？
可能需要热处理、HIP、表面精加工和机加工等后处理工序。
哪些行业使用 SLM？
航空航天、医疗、汽车、工业和国防工业是 SLM 的早期采用者。
SLM 对哪些材料效果不佳？
铜或金等高反射金属仍然具有挑战性。一些材料的特性仍在不断显现。
有哪些典型的表面处理？
SLM 制造后的表面粗糙度为 5-15 微米 Ra。精加工可以改善这一状况。
SLM 能制造多大的零件？
典型的体积可达 500mm x 500mm x 500mm。更大的机器可加工更大的零件。
SLM 是否适合生产制造？
是的，SLM 越来越多地用于最终用途的生产部件，例如航空航天和医疗行业。
SLM 与 EBM 相比如何？
SLM 可以实现更精细的细节，而 EBM 的制造速度更快。两者都能制造出完全致密的金属零件。