激光 3D 打印(又称激光增材制造)是一种以激光为能量源,通过层层堆积材料实现三维实体构件精准制造的先进技术。它突破了传统减法制造(如切削、磨削)的材料浪费和复杂结构限制,能直接将数字模型转化为具有复杂几何形状的实体,在航空航天、医疗、汽车、模具等领域具有革命性应用价值。
激光 3D 打印遵循 “分层制造、逐层叠加” 的基本逻辑,具体过程可分为三个关键步骤:
数字模型切片:先通过 CAD 软件构建三维数字模型,再用切片软件将模型沿高度方向逐层 “切割” 为数百至数千层极薄的二维截面(每层厚度通常为 5-100 微米),每层对应一个待打印的 “截面图案”。
激光选区熔化 / 烧结:打印设备根据切片信息,用高能量激光束(常用光纤激光器、CO₂激光器等)在材料层(粉末或丝材)表面精准扫描,使扫描区域的材料瞬间吸收激光能量,达到熔化或烧结温度(金属材料熔点通常在 1000℃以上),与下层已凝固的材料牢固结合,形成当前层的截面形状。
层层叠加成型:一层打印完成后,打印平台下降一个层厚的距离,新的材料层(粉末或丝材)被铺设在已成型层上方,重复激光扫描过程,直至所有层叠加完成,最终形成完整的三维实体。
根据材料形态和激光作用方式,主流技术可分为以下几类:
技术名称 | 材料形态 | 激光作用原理 | 典型应用材料 | 特点与优势 |
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SLM(选区激光熔化) | 金属粉末 | 激光完全熔化粉末,冷却后形成致密固态 | 钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金 | 零件致密度近 100%,力学性能优异 |
SLS(选区激光烧结) | 塑料 / 金属粉末 | 激光使粉末表面烧结(部分熔化黏结) | 尼龙、聚苯乙烯、金属基复合粉末 | 无需支撑结构,适合复杂形状原型制造 |
CLAD(激光熔覆) | 金属粉末 / 丝材 | 激光熔化材料并沉积在基底表面,形成涂层或实体 | 耐磨合金、防腐材料 | 可修复受损零件或增强表面性能 |
SLA(立体光固化) | 光敏树脂 | 激光照射使液态树脂发生光聚合反应固化 | 光敏聚合物 | 表面光滑,精度高(可达 ±0.1mm) |
复杂结构自由制造:无需模具,可直接打印传统工艺难以实现的复杂结构(如镂空网格、内部流道、拓扑优化结构),例如航空发动机的一体化涡轮叶片、骨科植入物的多孔仿生结构。
材料利用率高:仅在需要材料的区域堆积,金属材料利用率可达 90% 以上(传统切削加工通常低于 50%),尤其适合贵重金属(如钛合金、高温合金)的节约。
快速原型与小批量生产:从数字模型到实体零件的转化周期短(数小时至数天),无需冗长的模具开发流程,适合产品研发验证和小批量定制生产。
性能可控:通过调整激光功率、扫描速度、层厚等参数,可精确控制零件的致密度、晶粒结构和力学性能(如强度、韧性),满足不同工况需求。
材料兼容性广:可加工金属(钛、铝、钢、镍基合金)、塑料(尼龙、树脂)、陶瓷、复合材料等,甚至实现多材料复合打印(如金属 - 陶瓷梯度材料)。
航空航天:制造轻量化、高强度的结构件(如卫星支架、火箭发动机喷管),以及集成化复杂零件(如燃油喷嘴),降低飞行器重量并提升性能。
医疗健康:定制化生产骨科植入物(如人工关节、颅骨修复体),通过多孔结构匹配人体骨组织生长需求;打印齿科模型、手术导板等,提高医疗精度。
汽车工业:研发阶段快速制作零部件原型(如变速箱齿轮、进气歧管),或生产高性能赛车零件(如钛合金悬挂组件)。
模具制造:直接打印随形冷却水道的注塑模具,缩短产品冷却时间,提高生产效率。
文创与个性化定制:制作复杂艺术雕塑、珠宝首饰等,实现高度个性化的设计表达。
激光 3D 打印正朝着更高精度(微纳尺度)、更快速度(高速打印)、更大尺寸(大型构件)和更广泛材料适配的方向发展,逐步从 “原型制造” 向 “批量生产” 渗透,成为推动制造业升级的核心技术之一。