浙江大学基于SLM的金属3D打印轻量化技术及其应用研究

3D 打印（Three-dimensional Printing）也称增材制造，属于快速成形领域，它无需刀具和模具，依据三维 CAD 模型数据采用材料逐层累加的方式实现实体零件的制造，可以快速的制造复杂结构零件，实现真正意义上的自由制造，解决传统工艺难加工或无法加工的局限。

近 20 年来，3D 打印技术得到了迅速发展，可加工材料种类越来越多，可成形的结构越来越复杂，加工精度也越来越高。目前，3D 打印技术不断的融入到人们的生产、生活中，在消费电子产品、航空航天、武器装备、汽车、建筑、食品、家具、医疗、艺术设计等多个领域都得到了应用。

金属 3D打印技术作为整个 3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术之一，是 3D 打印技术发展的重要标志，也是 3D 打印未来重要的发展方向。金属 3D打印技术采用激光束、电子束、等离子束等高密度能量束作为输入热源，熔化金属粉末进行金属零部件的加工制造，目前可用于金属 3D 打印技术的方法主要有; 选区激光熔化（Selective LaserMelting，SLM）、电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。

金属 3D打印技术在航空航天、武器装备、医疗等高端制造领域具有巨大应用前景和优势，可用于直接成形复杂和高性能金属零部件，解决传统制造工艺难以加工甚至无法加工的制造难题。轻量化是航空航天、武器装备、交通运输等领域一直追求的目标。

有数据表明，飞机重量每减轻1%，飞机性能可提高 3%~5%，重量减轻有利于提高燃油效率和载重量，因此重量已成为衡量飞机先进性的重要指标之—;在航空领域减重更是进入了"克克计较"的时代，航天飞机的重量每减轻 1 kg，其发射成本可减少1.5万美元; 在军工领域，洲际导弹重量减轻 1 kg，则可使整个运载火箭减重达 50 kg;在交通运输领域，汽车质量每减轻 10%，燃油消耗可降低 6%~8%，相应的排放量下降 5%~6%，同时重量轻了还可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度，使车辆起步时加速性能更好，刹车时的制动距离更短。目前实现轻量化的途径主要有两种，一种是采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金、高分子材料、复合材料等;另一种是采用轻量化的结构设计，如中空夹层结构、薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构等。

金属 3D 打印技术作为一门先进的成形技术几乎可以代替大部分传统成形方法来制造形状复杂的金属零件，正是由于 3D打印技术拥有适合制造复杂形状零件这一特点，使充分实现结构设计层面上轻量化成为可能。以飞机轻量化设计和制造为例，金属 3D 打印技术不仅可以成形结构复杂的整体零部件来减少装配连接结构，而且还可以成形更加符合飞行特性的零部件结构，飞机零部件的设计思想也将翻开崭新的一页。 

国外对金属 3D打印技术的理论与工艺研究相对较早，在工业级设备研制和应用层面的基础研究等领域都已取得了长足的进展。2003 年底德国 MCP 公司推出了世界上第一台 SLM 金属 3D打印设备，紧随其后又有多家知名公司相继推出了商业化产品，如 SLM 设备制造商德国 EOS 公司、Concept Laser 公司，EBSM设备制造商瑞典的 Arcam 公司。目前 SLM 金属 3D 打印设备多采用功率为 200 W~400 W的单束激光，成形缸范围（长×宽×高）一般可达到 250 mm×250 mm×300 mm。为了实现进一步提高 SLM 的制造尺寸和效率，德国 SLM-Solutions 公司在 2012 年推出了 400 W/1000 W 激光器配两套扫描振镜组成的双光束选区激光熔化成形设备，该设备成形缸范围达到了 500 mm×550 mm×325 mm。