什么是SLM 3D打印？
选择性激光熔化（Selective Laser Melting，简称SLM）是一种金属零件的增材制造方法，它可以利用单一金属或混合金属粉末直接制造出具有冶金结合、致密性接近100%、有较高尺寸精度和较好表面粗糙度的零件，零件经过简单后处理后可以直接使用。
激光选区熔化（SLM）采用高能量密度激光，根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，快速凝固后形成冶金结合的金属零件。
金属零件的传统制造方法包括铸造、锻造、焊接以及数控加工，以上方法加工周期长，成本高，不适合复杂零件的小批量生产。SLM能够直接快速成形具有复杂结构的金属零件。
SLM成形工艺原理
SLM成形工艺过程可以概括为以下步骤：
- 将三维CAD模型切片离散并规划扫描路径，得到可以控制激光束的路径信息。
- 计算机逐层调入路径信息，通过扫描振镜控制激光束选择性地熔化金属粉末，未被激光照射区域的粉末仍显松散状。
- 加工完一层后，粉缸上升，成形缸降低切片厚度的高度，水平刮板将粉末刮到成形平台上。
- 激光对新铺粉末进行熔化，与上一层已凝固金属融为一体。重复以上过程，直到成形过程完毕，得到与三维实体模型相同的金属零件。
SLM的优缺点
SLM成形方法具有以下优势：
(1) 成形材料广泛 从理论上讲，任何金属粉末都可以使用高能激光束熔化，只要将金属材料制备成合格的金属粉末，就可以通过SLM技术直接成形具有一定功能的金属零部件。除了常见的不锈钢、铝合金、钛合金以及高温合金，钨合金、钽合金的SLM工艺成形均有报道。
(2) 对零件复杂程度不敏感 传统复杂金属零件的制造需要多种工艺配合才能完成，而SLM技术是由金属粉末原材料直接一次成形最终制件，与制件的复杂程度无关，简化了复杂金属件的制造工序，缩短了复杂金属制件的制造时间，提高了制造效率。
(3) 制件材料利用率高 传统机加工金属零件的制造主要是通过去除毛坯上多余的材料而获得所需的金属制件。而用SLM技术制造零件耗费的材料基本上和零件实际相等，在加工过程中未用完的粉末材料可以重复利用，其材料利用率高达90%以上。
(4) 零件综合质量优良 SLM技术采用小光斑高能量密度成形，且金属粉末粒径很小，成形零件有较高尺寸精度及良好的表面粗糙度。SLM成形零件的内部组织是在快速熔化/凝固的条件下形成的，显微组织往往具有晶粒尺寸小、组织细化、增强相弥散分布等优点，相对密度能达到近乎100%，从而使制件表现出特殊优良的综合力学性能，通常情况下其大部分力学性能指标都超过铸件，达到锻件性能。
与其他3D打印成形方法相比，SLM成形方法具有以下缺点：
(1) 成形设备昂贵 大功率激光器价格昂贵、运动部件控制精度高、设备气密性要求严格等导致SLM设备价格总体较高。配备500W光纤激光器、成形尺寸在直径100mm的SLM设备价格在100万元左右，而拥有多个激光器的大幅面SLM设备价格在上千万元。
(2) 疲劳等力学性能差 尽管SLM技术能够直接成形出复杂且满足力学性能要求的金属零件，且常规力学性能达到或超过锻件水平，但是目前SLM技术研究尚处于起步阶段，无法彻底消除零件内部空洞性缺陷、各向异性以及铸态组织问题，最终导致SLM成形材料在长时间力学性能如疲劳性能、持久性能以及蠕变性能都不稳定。
SLM 3D打印常用材料
金属粉末的质量直接决定了SLM成形零件的最终质量，金属粉末的制备是最关键的技术之一。SLM成形一般采用10~53µm直径的球形金属粉末，作为参考，头发丝的直径一般为40~70µm。目前常用的金属粉末包括铁合金、铜合金、铝合金和钛合金。
钢合金
铁基材料就是人们通常所说的钢铁材料，在日常生活中应用较多，传统采用铸造、锻造、焊接以及数控加工成形，其最大的特点是综合力学性能良好，加工性能好，材料价格低廉。SLM用铁基粉末主要由传统铁基材料通过化学成形而得到，包括304L不锈钢、316L不锈钢、H13模具钢、18Ni300模具钢等。铁基粉末材料价格较低，力学性能与原始材料相近。
钛合金
钛合金具有耐高温、高耐腐蚀性、高强度、低密度、生物相容性等优点，广泛应用于航空航天及医疗行业，传统采用锻造成形。在用于人体硬组织修复的金属材料中，Ti的弹性模量与人体硬组织接近，为80~110GPa，这可减轻金属种植体与骨组织之间的机械不适应性。目前使用SLM方法成形的钛合金材料主要包括TA2、TA15、TC2、TC4、TB6等，其中TC4（Ti6Al4V）是目前应用较为广泛的钛合金材料，在医疗方面主要为人体植入物和牙齿，在航空航天领域主要解决零件减重问题。
镍合金
镍基合金是高温合金的一种，含有大量的Ni、Nb、Mo、Ti等化学元素，通常使用温度在540℃以上，在650℃以上可以长时间使用，广泛应用于航空航天、发动机、核反应器。镍基高温合金化学成分复杂，在冶炼过程中偏析严重，机加工性能差，目前使用SLM方法成形的镍基合金材料主要包括Inconel625、Inconel718、GH4169等。
铝合金
铝合金材料具有材料密度低、比强度高、耐腐蚀性强、加工性能好等特点，在航空航天、汽车等行业大量应用，是工艺中应用较为广泛的有色金属材料。SLM成形铝合金比较困难，主要原因包括粉流动性差，铝具有较高的反射率和导热率，需要大功率激光成形，铝合金容易形成氧化膜，氧化膜大大降低铝合金零件成形质量。Al-Si-Mg系铝合金比较适合SLM成形，目前工业使用最多的是AlSi10Mg。
SLM使用材料基本要求
虽然理论上可将任何金属材料制成粉末然后通过SLM方式成形，但实际发现SLM成形对粉末材料的成分、形态、粒度等性能有严格要求。SLM用金属粉末原材料主要可检测粉末粒度分布、形状或形态、比表面积、松装或表观密度、振实密度、流动性、氢氧氮碳和硫含量等，其中化学成分、粒度分布、松装密度、流动性、振实密度为5个关键指标。
化学成分
研究发现合金材料比纯金属材料更容易SLM成形，主要是因为合金材料中的某些合金元素增加了熔池的润湿性或者抗氧化性，防止了零件在成形过程发生开裂等缺陷，需要对原材料的化学成分进行重新设计才能满足SLM成形需求，这是目前可用于SLM成形的材料种类较少的原因。另外，部分合金元素在SLM成形过程中会被烧损，导致成形前和成形后材料化学成分不同，为了得到满足最终零件的力学性能，SLM用粉末需要重新检测化学成分。
粒度分布
粒度分布是指SLM用粉末材料的单个粉末直径的总体分布情况，小粒径粉末材料在成形过程中容易发生飞溅，而粒径太大导致最终零件不致密，粒度分布一般通过标准筛分进行粒度分级。实验研究表明，SLM用金属粉末材料的粒度为15~53µm成形效果最佳。
松装密度
松装密度是粉末在规定条件下自由充满标准容器后所测得的堆积密度，即粉末松散填装时单位体积的质量，是粉末的一种工艺性能。松装密度是粉末多种性能的综合体现，可以反映粉末的密度、颗粒形状、颗粒表面状态、颗粒的粒度及粒度分布等，对产品生产工艺的稳定性以及产品质量的控制都有重要的影响。通常情况下，粉末颗粒形状越规则、颗粒表面越光滑、颗粒越致密，粉末的松装密度会越大。较高的粉末松装密度有利于增材制造工艺的设置和优化，并确保增材制造最终产品致密度达到目标产品要求。
流动性
流动性是指以一定量粉末流过规定孔径的标准漏斗所需要的时间来表示（霍尔流速计），通常采用的单位为s/50g，其数值越小说明该粉末的流动性越好，它是粉末的一种工艺性能。粉末流动性与很多因素有关，如粉末颗粒尺寸、形状和粗糙度、比表面等。通常球形颗粒的粉末流动性最好，而颗粒形状不规则、尺寸小、表面粗糙的粉末，其流动性差。另外，粉末流动性受颗粒间黏附作用的影响，颗粒表面水分、气体等的吸附会降低粉末的流动性。
振实密度
振实密度是粉末在容器中经过机械振动达到较理想排列状态的粉末集体密度，其相对于松装密度主要是粉末多种物理性和工艺性能的综合体现，如粉末粒度分布、颗粒形状及其表面粗糙度、比表面积等的综合体现。一般来说，振实密度越大，粉末的流动性越好。
在购买和选用金属粉末前，需要和厂家沟通，得到购买粉末材料的基本参数，以判断是否满足零件设计要求。如图3.2.14所示为厂家提供的18Ni300模具钢粉末。要对购买的粉末材料的相关参数进行复验，而且反复使用的金属粉末也需定期检测，以确保粉末原材料符合SLM成形要求。
SLM 3D打印的工业应用
选择性激光熔化技术已经在多个行业实现了从原型开发到批量生产跨越，创造了许多传统制造工艺无法实现的应用。从航空航天到医疗健康，从汽车制造到能源装备，SLM技术正在重塑产品设计和制造的方式。下面将列举一些SLM技术在各行业的典型应用案例。
航空航天
航空发动机中的燃油喷嘴是SLM技术的经典应用案例，传统制造需要将多个零件加工后组装焊接，SLM可以一次性整体成型带有复杂内部流道的集成式喷嘴，不仅减轻了重量，还提高了可靠性和使用寿命。GE航空公司的LEAP发动机燃油喷嘴采用SLM制造后，零件数量从20个减少到1个，重量减轻25%，而寿命提高了5倍。
飞机结构件的轻量化是SLM技术在航空领域的另一重要应用。通过拓扑优化和点阵结构设计，SLM可以制造出重量显著减轻但力学性能满足要求的航空结构件。例如，空客A350XWB飞机上的钛合金支架采用SLM技术制造后，重量减轻了30%以上，同时力学性能完全满足要求。这种轻量化贡献直接转化为燃油效率的提升和碳排放的减少，对航空公司的运营经济性和环境可持续性都具有重要意义。
航空航天领域对SLM技术的要求主要是认证和标准化问题。由于航空安全的重要性，SLM成型零件需要通过严格的质量认证和性能测试。目前，国际标准化组织(ISO)和美国材料与试验协会(ASTM)已经发布了多项针对金属增材制造的技术标准，为行业提供了规范。
医疗与健康
多孔结构的制造是SLM技术在医疗应用中的一大特色。通过设计特定的孔隙结构和表面形貌，可以调控植入物的弹性模量（避免应力屏蔽效应）并促进骨组织长入。研究表明，SLM制造的Ti6Al4V多孔结构孔隙率可达70-80%，弹性模量可调整至接近天然骨的水平（约10-30GPa），同时保持足够的强度。华南理工大学的研究团队通过SLM技术成功实现了个性化植入体的设计与直接制造，为复杂骨科修复提供了新解决方案。
牙科应用是SLM技术在医疗领域的另一重要分支。钴铬合金和钛合金的牙冠、牙桥、义齿支架等均可通过SLM技术制造，不仅精度高，而且生产效率显著提升。与传统铸造工艺相比，SLM制造的牙科修复体精度更高，避免了铸造收缩和变形问题，同时材料性能更优。数字化牙科工作流程（口腔扫描-CAD设计-SLM制造）正在重塑牙科修复行业，大大缩短了治疗周期并提高了修复质量。
手术器械和医疗设备的SLM制造也日益普及。SLM技术可以制造出传统方法难以实现的复杂器械，如带有内部通道的手术导板、个性化解剖模型等。这些应用充分利用了SLM的设计自由度和快速成型优势，为精准医疗提供了有力工具。国信证券的研究报告指出，2024年全球医疗领域3D打印市场规模预计将占整个3D打印应用的13.7%，显示出巨大的增长潜力。
医疗领域的主要要求是生物相容性和灭菌要求。植入物材料必须符合ISO 10993等生物相容性标准，表面状态和清洁度也有严格要求。此外，多孔结构虽然有利于骨整合，但也增加了清洁和灭菌的难度。
汽车与交通运输
赛车和高性能汽车部件是SLM技术在汽车领域的标杆应用。赛车对性能的极致追求使得其对轻量化、复杂结构有很高需求，而对成本相对不敏感。SLM制造的轻量化悬挂部件、拓扑优化的底盘元件、集成冷却通道的制动系统等已经在F1、勒芒等顶级赛事中得到应用。例如，SLM制造的钛合金悬挂支架可以减轻重量同时保持所需强度和刚度，为赛车性能提升做出贡献。
汽车功能部件的小批量生产也越来越多地采用SLM技术。豪华车和跑车的个性化部件、限量版车型的特殊组件等传统上需要复杂模具和小批量生产成本高企的零件，现在可以通过SLM经济地生产。保时捷等高端汽车制造商已经利用SLM技术生产经典车型的稀缺备件，解决了传统供应链难以满足的老车维修问题。
汽车工装夹具的制造是SLM技术在汽车行业的另一重要应用。汽车生产线上使用的夹具、检具等传统上通过机加工制造，周期长、成本高。SLM技术可以快速制造出轻量化、功能集成的工装夹具，大大缩短了生产线准备时间。福特等汽车公司已经将SLM制造的夹具应用于生产线，取得了良好的经济效益。
能源
能源行业应用SLM技术的主要挑战是极端环境下的长期可靠性。能源设备通常需要在高温度、高压力、腐蚀性环境或辐射条件下工作数十年。
燃气轮机部件如燃烧室、喷嘴、热交换器等需要在高温高压下工作，传统制造面临诸多挑战。SLM技术可以制造出带有复杂内部冷却通道的涡轮部件，显著提高冷却效率和部件寿命。西门子等公司已经将SLM制造的燃气轮机燃烧器投入实际应用，在提高效率的同时减少了排放。
石油天然气行业也逐步采用SLM技术制造耐腐蚀、耐高压的特殊部件。SLM可以制造出传统方法难以加工的耐蚀合金部件，如Inconel 625制成的阀门、泵体等，这些部件需要在含硫化氢等腐蚀性介质的极端环境下长期可靠工作。
核能领域对SLM技术的兴趣也日益增长。核反应堆中的某些特殊部件如燃料元件支架、传感器外壳等需要耐辐射材料（如锆合金）的精密制造，SLM技术提供了新的可能性。此外，核电站维护中的稀缺备件也可以通过SLM技术快速制造，缩短停机时间。
消费电子
消费电子行业对精密、轻量化和功能集成化的追求使其成为SLM技术的新兴应用领域。国信证券报告指出，2024年消费电子在全球3D打印应用中占比达14%，与医疗和汽车领域相当。折叠屏手机铰链是SLM技术在消费电子领域的代表性应用，如OPPO Find N5的天穹铰链由铂力特通过金属3D打印制造，集成度提升和减重效果明显。苹果公司也在探索将3D打印技术用于Apple Watch和未来折叠机型的部件制造。
高端手表制造是SLM技术的另一小众但高附加值应用。手表对精致外观和复杂内部结构的需求与SLM技术优势高度契合。SLM可以制造出传统加工方法难以实现的复杂表壳、表链结构，同时实现轻量化。某些高端手表品牌已经推出采用SLM技术制造的限量版表款，展现了技术与艺术的融合。