什麼是選擇性雷射熔化（SLM）？

選擇性雷射熔融 (SLM) 是一種積層製造技術，它以金屬粉末為原料，利用高功率雷射逐層選擇性地熔化和融合粉末顆粒，從而生產出高密度、功能齊全的三維金屬零件。

選擇性雷射熔融技術是現今最先進的金屬3D列印技術之一。它於20世紀90年代初開發並獲得專利，是在早期技術的基礎上發展起來的。 選擇性激光燒結 本文將介紹選擇性雷射熔化（SLM）3D列印技術，包括其原理、適用材料及其應用。

選擇性雷射熔融概述

選擇性雷射熔化（SLM）是一種用於金屬零件的3D列印方法。它使用單一金屬粉末或混合金屬粉末直接製造零件，這些零件具有冶金結合、接近100%的密度、高尺寸精度和良好的表面粗糙度。經過簡單的後處理，零件即可直接使用。

選擇性雷射熔化（SLM）技術利用高能量密度雷射，根據輪廓資料逐層選擇性熔化金屬粉末。快速凝固後，即可形成冶金結合的金屬零件。

傳統的金屬零件製造方法包括鑄造、鍛造、焊接和CNC加工。這些方法加工週期長、成本高，不適用於小批量生產複雜零件。而SLM 3D列印可以直接、快速地製造結構複雜的金屬零件。

選擇性雷射熔化工藝

選擇性雷射熔融製程可歸納為以下步驟：

1. 對三維 CAD 模型進行切片和離散化，並規劃掃描路徑，以獲得可以控制雷射光束的路徑資訊。
2. 計算機逐層載入路徑資訊。掃描振鏡控制雷射光束選擇性地熔化金屬粉末。未被雷射照射區域的粉末保持鬆散狀態。
3. 處理完一層後，粉末筒上升，成型筒下降一層厚度，水平刮刀將粉末攤到成型平台上。
4. 雷射熔化新鋪好的粉末，使其與前一層凝固的金屬熔合。這個過程不斷重複，直到成型完成，最後形成與三維實體模型完全相同的金屬零件。

選擇性雷射熔融技術的優勢

選擇性雷射熔化法有以下優點：

（1）成形材料範圍廣：理論上，任何金屬粉末都可以被高能量雷射光束熔化。只要金屬材料製備成合格的金屬粉末，選擇性雷射熔化（SLM）技術就可以直接成形功能性金屬零件。除了常見的不鏽鋼、鋁合金、鈦合金和高溫合金外，已有鎢合金和鉭合金的SLM成形通報。

（2）對零件複雜程度不敏感：傳統製造複雜金屬零件需要多道工序。相較之下，選擇性雷射熔化技術只需一步即可將金屬粉末直接熔化成型，不受零件複雜程度的影響。這簡化了複雜金屬零件的製造工藝，縮短了製造時間，並提高了生產效率。

（3）材料利用率高：傳統金屬零件加工主要是去除毛坯上的多餘材料。而採用選擇性雷射熔化（SLM）技術，材料消耗量基本上等於實際零件所需材料量。未使用的粉末可重複利用，材料利用率可達90%以上。

（4）優異的零件整體品質：選擇性雷射熔化（SLM）技術採用高能量密度的小光斑，金屬粉末粒徑極小，成形零件尺寸精度高，表面粗糙度好。 SLM列印零件的內部結構是在快速熔化和凝固條件下形成的，其微觀結構通常具有晶粒細小、組織細化、強化相分散等優點，相對密度可接近100%，賦予零件優異的綜合機械性能。在大多數情況下，其機械性能優於鑄件，甚至可以達到鍛件的水平。

與其他3D列印方法相比，選擇性雷射熔化技術有以下缺點：

1. 昂貴的3D列印設備：高功率雷射器價格昂貴，運動部件需要極高的控制精度，且設備對氣密性要求極高。這些因素使得SLM設備通常價格不菲。一台配備500W光纖雷射、成型尺寸為100mm的SLM設備售價約1萬元人民幣，而配備多台雷射的大幅面SLM設備則需數千萬元。
2. 疲勞性能及其他機械性能較差：儘管選擇性雷射熔化（SLM）可以直接成形滿足力學性能要求的複雜金屬零件，且其常規力學性能可達到甚至超過鍛造水平，但SLM技術仍處於研究初期，無法消除內部空隙、各向異性以及鑄態組織等問題。因此，SLM成形材料的長期機械性能（如疲勞、耐久性和蠕變性能）仍不穩定。

SLM 3D列印常用材料

金屬粉末的品質直接決定了SLM列印零件的最終品質。金屬粉末的製備是其中最關鍵的技術之一。選擇性雷射熔化通常使用直徑10~53 µm的球形金屬粉末。作為參考，人類頭髮的直徑通常為40~70 µm。目前最常使用的金屬粉末包括鐵基合金、銅合金、鋁合金和鈦合金。

鋼合金

鐵基材料就是人們常說的鋼材。它們在日常生活中廣泛應用。傳統上，它們的成型方法包括壓鑄、鍛造、焊接等。 數控加工它們的主要特點是機械性能好、加工性能好、材料成本低。用於SLM 3D列印的鐵基粉末是透過化學方法從傳統的鐵基材料中提取的，例如304L不銹鋼、316L不銹鋼、H13工具鋼、18Ni300工具鋼等。鐵基粉末材料價格相對低廉，且其機械性質接近原始材料。

鈦合金

鈦合金具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、低密度和良好的生物相容性等優點，廣泛應用於航空航太和醫療產業。傳統上，鈦合金的成型製程為鍛造。在用於人體硬組織修復的金屬中，鈦的彈性模量與人體硬組織（80~110 GPa）接近，可減少金屬植入物與骨組織之間的機械性能差異。目前，採用選擇性雷射熔化（SLM）3D列印技術製備的鈦合金包括TA2、TA15、TC2、TC4、TB6等。其中，TC4（Ti6Al4V）是應用最廣泛的鈦合金。在醫療領域，它主要用於人體植入物和假牙；在航空航天領域，它主要用於解決零件輕量化問題。

鎳合金

鎳基合金是一類高溫合金，含有大量的鎳、鈮、鉬、鈦等元素。它們通常在540℃以上溫度下使用，並可在650℃以上溫度下長期使用。鎳基高溫合金廣泛應用於航太、引擎和核反應器等領域。鎳基高溫合金化學成分複雜，冶煉過程中容易發生嚴重的偏析，加工性能較差。目前，採用選擇性雷射熔融（SLM）3D列印技術列印的鎳基合金包括Inconel 625、Inconel 718、GH4169等。

鋁合金

鋁合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性強、加工性能好等特點，廣泛應用於航空航太、汽車等產業，是應用最廣泛的有色金屬之一。鋁合金的選擇性雷射熔化（SLM）3D列印難度較大，主要原因是鋁粉流動性差、反射率和導熱性高，且易形成氧化膜，導致成形品質大幅下降。 Al-Si-Mg系鋁合金更適合SLM 3D列印，目前工業界應用最廣泛的是AlSi10Mg。

SLM 3D列印材料及性能表

SLM 3D列印材料的要求

理論上，任何金屬材料都可以製成粉末並透過選擇性雷射熔化（SLM）3D列印成型，但SLM 3D列印對粉末材料的成分、形貌、粒徑等性能有著嚴格的要求。 SLM金屬粉末的主要檢測參數包括粒徑分佈、形狀/形貌、比表面積、表觀密度、振實密度、流動性、氧/氮/氫/碳/硫含量等。其中，化學成分、粒徑分佈、表觀密度、流動性和振實密度是五個關鍵指標。

化學成分

研究表明，合金材料比純金屬更容易透過選擇性雷射熔化（SLM）3D列印成型，這主要是因為某些合金元素可以改善熔池的潤濕性或抗氧化性，並防止裂縫等缺陷的產生。為了滿足SLM的要求，通常需要重新設計原料的化學成分。這也是目前可用於SLM 3D列印的資料相對較少的原因之一。此外，有些合金元素會在SLM 3D列印過程中被燒蝕掉，導致列印前後化學成分改變。因此，必須對粉末的化學成分進行重新測試，以確保最終的機械性能。

粒度分佈

粒徑分佈是指粉末顆粒粒徑的整體分佈情形。粒徑過小的顆粒在列印過程中容易飛濺，而粒徑過大的顆粒則會導致最終零件密度偏低。粒徑分佈通常採用標準篩分法進行分類。實驗研究表明，SLM金屬粉末的最佳粒徑範圍為15~53 µm。

表觀密度

表觀密度是指粉末在特定條件下自由填充標準容器時測得的堆積密度，即粉末鬆散堆積狀態下的單位體積質量。它綜合反映了粉末的多種特性，包括密度、顆粒形狀、表面狀況、粒徑和粒徑分佈。表觀密度對生產過程的穩定性以及產品品質控制有重要影響。通常，顆粒形狀越規則、表面越光滑、顆粒密度越高，表觀密度就越高。較高的表觀密度有助於積層製造流程的設定和最佳化，並確保最終產品的密度符合要求。

流動性

流動性是指一定量的粉末流經特定孔徑的標準漏斗所需的時間，通常以秒/50克（s/50g）為單位。數值越小，流動性越好。它是粉末的一項工藝性能指標。粉末流動性受多種因素影響，例如粒徑、形狀、粗糙度和比表面積。球形顆粒通常流動性最佳，而不規則形狀、小尺寸和粗糙表面會導致流動性差。此外，顆粒間的黏附性也會影響粉末流動性。顆粒表面的水分和氣體吸附會降低流動性。

振實密度

振實密度是指粉末在容器中經機械振動達到理想堆積狀態後所獲得的堆積密度。與表觀密度相比，振實密度更全面地反映了粉末的多種物理和製程特性，例如粒徑分佈、顆粒形狀、表面粗糙度和比表面積。通常，振實密度越高，粉末的流動性越好。

在採購和選擇金屬粉末之前，需要與製造商溝通，以取得粉末材料的基本參數，以確定其是否符合零件設計要求。例如，下圖顯示了製造商提供的18Ni300工具鋼粉末參數。所購買粉末的相關參數必須再次核實，重複使用的金屬粉末也需要定期檢測，以確保原料符合SLM成形要求。

SLM 3D列印的應用

選擇性雷射熔化（SLM）技術已在眾多行業中實現了從原型開發到批量生產的轉變，創造了許多傳統製造過程無法實現的應用。從航空航太到醫療保健，從汽車製造到能源設備，SLM技術正在重塑產品的設計和製造方式。以下列舉了SLM技術在各行業中一些典型的應用案例。

航太

航空引擎的燃油噴嘴是SLM 3D列印技術的經典應用。傳統製造流程需要加工多個零件，然後進行組裝和焊接。而SLM 3D列印技術可以一次成型具有複雜內部流道的整合式噴嘴，不僅減輕了重量，還提高了可靠性和使用壽命。 GE航空採用SLM技術製造LEAP引擎的燃油噴嘴後，零件數量從20個減少到1個，重量減輕了25%，使用壽命提高了5倍。

飛機結構件輕量化是SLM 3D列印技術在航空領域的另一個重要應用。透過拓樸優化和晶格結構設計，SLM 3D列印技術能夠製造出重量顯著降低的航空結構件，同時仍能滿足機械性能要求。例如，採用SLM 3D列印技術製造的空中巴士A350XWB飛機上的鈦合金支架，在完全滿足機械性能要求的前提下，實現了超過30%的減重。這種輕量化優勢直接轉化為燃油效率的提升和碳排放的降低，這對航空公司的營運經濟性和環境永續性具有重要意義。

航空航太領域對選擇性雷射熔化（SLM）3D列印技術的主要要求是認證和標準化。由於航空安全至關重要，SLM列印零件必須通過嚴格的品質認證和性能測試。目前，國際標準化組織（ISO）和美國材料與試驗協會（ASTM）已發布多項金屬增材製造技術標準，為業界提供了規範。

醫療行業用硅橡膠件

多孔結構的製造是選擇性雷射熔化（SLM）3D列印技術在醫療應用中的重要特性。透過設計特定的孔隙結構和表面形貌，可以調節植入物的彈性模量（以避免應力遮蔽），並促進骨組織長入。研究表明，SLM列印的Ti6Al4V多孔結構可以達到70-80%的孔隙率，其彈性模量可調節至接近天然骨的水平（約10-30 GPa），同時保持足夠的強度。華南理工大學的研究團隊成功利用SLM 3D列印技術實現了個人化植入物的設計和直接製造，為複雜的骨科修復提供了新的解決方案。

牙科應用是SLM 3D列印技術在醫療領域的重要分支。鈷鉻合金和鈦合金牙冠、牙橋和義齒支架均可採用SLM 3D列印技術製造，該技術具有高精度和顯著提高的生產效率。與傳統鑄造工藝相比，SLM列印的牙科修復體精度更高，避免了鑄造收縮和變形問題，並具有更優異的材料性能。數位化牙科工作流程（口腔掃描—CAD設計—SLM製造）正在重塑牙科修復行業，大幅縮短治療週期，並提高修復品質。

利用選擇性雷射熔融（SLM）3D列印技術製造外科器械和醫療設備也日益普及。 SLM 3D列印能夠製造傳統方法難以實現的複雜器械，例如帶有內部通道的手術導板和個人化解剖模型。這些應用充分利用了設計自由度和快速成型的優勢，為精準醫療提供了強大的工具。根據國信證券的研究報告顯示，預計2024年，全球醫療領域3D列印市場將佔所有3D列印應用的13.7%，展現出巨大的成長潛力。

醫療領域的主要要求是生物相容性和滅菌性。植入材料必須符合ISO 10993等生物相容性標準，並且對錶面狀況和清潔度有嚴格的要求。此外，雖然多孔結構有利於骨整合，但也增加了清潔和滅菌的難度。

汽車與運輸

賽車和高性能汽車零件是SLM 3D列印技術在汽車領域的標竿應用。賽車運動對性能的極致追求，使得輕量化和複雜結構的需求量極大，而對成本的敏感度相對較低。採用SLM技術製造的輕量化懸吊零件、拓樸優化底盤元件以及具有整合式冷卻通道的煞車系統，已應用於F1和勒芒等頂級賽事。例如，SLM列印的鈦合金懸吊支架能夠在保持所需強度和剛性的同時減輕重量，從而提升賽車性能。

小批量生產汽車功能性零件也越來越多地採用SLM 3D列印技術。過去需要複雜模具和高昂小批量生產成本的豪華車和跑車的個人化組件，以及限量版車型的特殊組件，現在都可以透過SLM 3D列印技術經濟高效地生產。保時捷等高端汽車製造商已利用SLM 3D列印技術為經典車型生產稀缺備件，解決了傳統供應鏈難以滿足的老舊車輛的維護難題。

汽車工裝夾具的製造是SLM 3D列印技術在汽車產業的另一個重要應用。傳統上，汽車生產線上使用的夾具和量規都是透過機械加工製造的，這種方式週期長、成本高。 SLM 3D列印技術可以快速製造輕量化、功能整合的工裝夾具，大幅縮短生產線的準備時間。福特等公司已經應用了這項技術。 SLM列印夾具 在生產線上進行生產，並取得了良好的經濟效益。

能源

選擇性雷射熔融（SLM）3D列印技術在能源產業面臨的主要挑戰是極端環境下的長期可靠性。能源設備通常需要在高溫、高壓、腐蝕性環境或輻射條件下運作數十年。

燃氣渦輪機部件，例如燃燒室、噴嘴和熱交換器，需要在高溫高壓下工作。傳統製造工藝面臨許多挑戰。 SLM 3D列印技術能夠製造具有複雜內部冷卻通道的渦輪機零件，從而顯著提高冷卻效率和零件壽命。西門子等公司已將SLM製造的燃氣渦輪機燃燒室投入實際應用，在提高效率的同時降低了排放。

石油和天然氣產業也正逐步採用SLM 3D列印技術來製造特殊的耐腐蝕和高壓零件。 SLM 3D列印可以生產傳統方法難以加工的耐腐蝕合金零件，例如由Inconel 625合金製成的閥門和泵體。這些零件需要在含有硫化氫的極端腐蝕性環境中長期可靠運作。

在核能領域，人們對選擇性雷射熔化（SLM）3D列印的興趣也日益濃厚。核反應器中的一些特殊部件，例如燃料元件支架和感測器外殼，需要使用鋯合金等耐輻射材料進行精密製造。 SLM 3D列印為此提供了新的可能性。此外，利用SLM技術可以快速製造核電廠維護所需的稀缺備件，進而縮短停機時間。

消費類電子產品

消費性電子產業對精密性、輕量化和功能整合的追求，使其成為SLM 3D列印的新興應用領域。根據國信證券報告顯示，2024年，消費性電子產業將佔全球3D列印應用的14%，與醫療和汽車產業不相上下。折疊式螢幕手機鉸鍊是消費性電子領域的典型代表。例如，OPPO Find N5的「天穹」鉸鏈由BLT採用金屬3D列印技術製造，實現了更高的整合度和顯著的減重效果。蘋果公司也正在探索將3D列印技術應用於Apple Watch及未來折疊設備的組件製造。

高階腕錶製造是SLM 3D列印技術的另一個小眾但高附加價值的應用領域。腕錶對外觀和內部結構的精細度要求極高，這與SLM 3D列印的優勢完美契合。 SLM 3D列印能夠製造出傳統加工方法難以實現的複雜錶殼和錶鍊結構，同時還能實現輕量化。一些高階腕錶品牌已經推出了採用SLM 3D列印技術製造的限量版腕錶，展現了科技與藝術的完美融合。

容差和容量

在 Getzshape，我們 客製化3D列印服務 我們涵蓋四大主要技術：SLA、SLS、SLM 和 FDM。我們的 SLM 3D 列印公差和產能如下所示。