选区激光熔化成型技术能直接快速制造任意复杂形状的金属零件，代表了当前快速成型技术的最新发展方向，能为小批量零件、高熔点金属制件以及定制化产品的快速制造要求提供很有效的可行方案。
一、选区激光熔化技术原理介绍
选区激光熔化技术采用了快速成型的基本原理，即先在计算机上设计出零件的三维实体模型，然后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制造设备，设备将按照这些轮廓数据，控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。
图1是选区激光熔化技术的原理示意图，激光束开始扫描前，水平刮板先把金属粉末平刮到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性的熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降平台下降一个图层厚度的距离，水平刮板再在已加工好的当前层上铺上金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其它气体发生反应。
二、选区激光熔化快速制造技术优势
选区激光熔化技术具有很多优异的特点：
（1）直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节：由于SLM成型的金属零件具有很高的尺寸精度（达±0.1mm）和表面粗糙度(Ra约30～50m)，一般无需或仅需简单的喷砂或抛光处理即可投入使用；
（2）所制造出来的金属零件是具有完全冶金结合的实体,其相对密度接近或达到100%，且具有快速凝固的组织，这使成型的金属零件力学性能可达到锻件的水平，一般无需热处理即可投入使用；
（3）成型材料来源广泛，可直接采用商业化的金属粉末，还可采用高熔点金属材料。成型材料包括不锈钢，钛合金，工具钢等多种材料；
（4）成型过程不受零件复杂程度限制，特别适合于单件小批量、个性化定制、或采用传统工艺无法制造的金属零件。
（5）如换用特殊的铺粉装置，还可直接成型具有复合材料的金属零件。
上述优点使选区激光熔化快速制造技术具有广泛的应用前景。当前，在国外，该技术已应用到个性化医用产品、具有复杂形状的零件、航天航空零件、难加工材料制件。随着该技术的进一步发展，该技术的应用空间必然还会进一步拓展。
三、华南理工大学的选区激光熔化快速制造技术进展
（一）、华南理工大学DiMetal280选区激光熔化快速制造系统介绍
自2003年起，华南理工大学在国内首先展开了选区激光熔化快速制造技术研究。在设备开发方面，早在2004年，华南理工大学与北京隆源自动化成型设备有限公司及武汉楚天工业激光设备有限公司合作，在国内的选区激光烧结设备的基础上开发出了国内第一台选区激光熔化快速制造设备DiMetal240[9]。在该设备研究的基础上，2007年，华南理工大学与广州瑞通激光科技有限公司合作，进一步开发了第二套选区激光熔化快速制造设备样机DiMetal280（见图2）。
该系统的特点包括：
1.为满足直接成型高精度全致密金属零件需要，系统能量源采用了具有高光束质量（M2≤1.1）、短波长（波长1075nm）、高稳定性、低维修成本的200W光纤激光器。
2. 配备高速高精度的振镜扫描系统及德国进口f~θ透镜。扫描振镜的扫描分辨率可达12 μrad，重复精度可达40μrad，最高定位速度>7m/s。激光束在成型过程中的扫描动作由工控机内的激光成型过程控制软件向扫描振镜发出协调控制指令实现，扫描激光束通过f-Ө透镜可在工作平面上任一点获得功率分布均匀的直径为30m～50m细微的聚焦光斑。
3. 系统采用了高精度六轴伺服电机控制实现粉末的精确铺设。成型缸以及盛粉缸的升降运动全部采用伺服驱动精密丝杆实现，成型缸及铺粉缸的升降精度可达±10µm。还专门针对金属零件快速制造工艺的特点，设计了独特的铺粉刮板，该铺粉刮板能自动维护成型过程稳定进行。
4.针对金属粉末在熔化过程中的氧化，采用了整体和局部惰性气体保护，并安装了烟气过滤装置，保护气体包括氩气以及氮气，成型过程中成型室内的含氧量控制在％0.05以下，这保证了成型件的材料本性。
5.所用软件包括激光成型过程控制软件、SLM扫描路径生成与优化软件、Magics12.0数据处理软件等，其中激光成型过程控制软件及SLM扫描路径生成与优化软件都是自主研发，可以针对金属零件成型的工艺特点获得最优的激光参数、铺粉参数以及扫描路径。
6.成型材料广泛，粉末即可以是市场上通用的金属粉末，也可以是根据特殊需要特别研制的金属粉末。当前常用的金属粉末包括：Ti6Al4V,TiNi形状记忆合金、316/304不锈钢，工具钢等。
7.设备可直接成型高致密且具有较高成型精度的金属零件，仅需简单喷砂或抛光后处理即可投入使用。最大成型尺寸可达280mm×280mm×300mm，成型零件相对密度≥97%，尺寸精度±0.1mm/100mm。
当前DiMetal280设备样机性能指标基本接近国外商品化样机水准，表1是该设备的技术指标与国外同类设备的对比数据。
表1 DiMetal280设备与国外同类设备的性能数据对比
对比条目 华南理工大学Dimetal 280 德国MCP Ralizer_med 德国EOSINT M270
成形厚度 20-100μm 50μm 20-100μm
最大成形尺寸 250mm×250mm
×300mm 250mm×250mm×240mm 250mm×250mm×215mm
激光 Yb光纤激光
200W Yb光纤激光 100W,200W Yb光纤激光，200W，400w
光学系统 F-theta聚焦镜
高速扫描振镜 F-theta聚焦镜
高速扫描振镜 F-theta聚焦镜
高速扫描振镜
扫描速度 典型为300mm/s 典型为250mm/s 典型为750mm/s
聚焦光斑直径（可调） 30～200μm 30～150μm 100～500μm
致密度测量 ≥97% 近乎100% 近乎100%
材料 不锈钢、钛合金粉末 商品化的钛合金，Co-Cr合金，工具钢，不锈钢等 自行研制的铁基合金，钛合金，铜合金等
尺寸精度 50微米甚至更小 50微米甚至更小 50微米甚至更小
表面粗糙度 40-70微米 30-50微米 30微米-50微米
（二）华南理工大学在选区激光熔化技术方面的应用研究
华南理工大学的选区激光熔化快速制造技术正日趋成熟，先后成功成型了各种复杂形状的金属零件，这些零件具有接近100%的相对密度，接近锻件水平的力学性能，并且仅需简单的喷砂后处理后即可投入使用。
图3～图6是采用DiMetal280设备成型的一些金属零件的照片。这些零件都有冶金结合的快速凝固组织（图7），主要力学性能数据接近同种材料制成的锻造件。图5所示为一个SLM成型316L不锈钢零件的显微组织。对SLM成型316L不锈钢试件进行拉伸性能测试表明，拉伸强度在636Mpa，延伸率15%-20%，试件硬度值在HV 250-275范围。
当前成型的手术导板已成功应用于医学临床，图8是成型的手术导板在广州某医院临床上的应用照片。临床应用表明，所成型的金属质手术导板具有可以采用简单的高温消毒，生物兼容性更好，使手术定位更准确，并且强度更高，不易在手术过程留下废屑，给手术过程带来风险等优点。
当前，随着人民生活水平的进一步提高，对牙齿美容也越来越关注。传统的唇侧牙齿正畸技术在患者正畸过程中极影响患者的美观，越来越不能满足人民的需要，因此，目前牙科领域舌侧正畸技术正逐步被推广开来。但目前的舌侧矫治技术通常使用的托槽是标准化生产的通用产品，对于个体的牙齿来说，适合程度比较小，医生安装过程复杂，也使患者十分不适应。个性化的舌侧矫正器继承了直丝弓舌侧矫治技术的一切优点，实现了“托槽依患者不同而不同”，可以针对个体患者设计个性化的托槽和弓丝，弥补了标准化舌侧矫治器的不足。
当前，华南理工大学正在开发个性化舌侧托槽的选区激光熔化直接制造技术，目前该工艺已接近成熟，市场前景十分诱人！图9是DiMetal280选区激光熔化快速制造设备直接成型的个性化托槽及在临床前进行的水浴实验效果图。水浴实验表明，个性化舌侧托槽矫治效果十分良好。
（三）下一步工作
目前，华南理工大学正在着手选区激光熔化快速制造技术进行产业化方面的研究工作。图3是商品化设备的外观效果图。
四、结束语
选区激光熔化技术满足快速将产品推向市场的现代化生产需要，是一种很有发展前景的快速制造技术，代表快速成型技术未来的发展方向。目前该技术在国外得到了长足的发展，在我国还处于刚刚起步的阶段。相信市场对产品快速需求，包括单件、小批量工业产品以及医疗行业患者对个性化产品的要求，选区激光熔化技术将逐渐取代一部分传统的加工方法。
