航天增材专家：超大尺寸、超多光束SLM 3D打印设备的应用场景、前景及问题分析

在近期结束的TCT 3D打印展会期间，国内各大增材制造设备厂商纷纷推出了超大尺寸、超多光束的激光选区熔化装备，最大幅面超过1500×1500mm，最大高度达到2000mm，配备10光、16光甚至26、36光束，更大尺寸、更多光束似乎成为了激光选区熔化3D打印设备发展的主流方向。

这类设备的应用场景有哪些？应用前景如何，问题有哪些？3D打印技术参考邀请了北京动力机械研究所增材制造中心马瑞主任对此进行分析。文章将以幅面1500×1500×1500mm、25光束的设备，打印高度1500mm的高温合金产品为例进行测算。

作者介绍：马瑞，北京动力机械研究所增材中心主任，担任中国航天科工集团某项目常务副总师、某科技重大专项项目技术负责人、中国机械工程协会增材制造技术分会委员，获国防科技进步二等奖两项。文章内容已经保密审批，授权发布。

设备端

1. 多光拼接区域超过40处，是4光设备的10倍

光束数量的增加意味着拼接区数量的增加，以矩形布局进行测算，4光拼接区域4处，9光12处，16光24处，25光则达到了40处，是4光的10倍。而拼接质量与振镜长时间工作的温飘、机械结构稳定性等诸多因素相关，拼接区域越多，保证拼接质量的难度越大，产品出现质量问题的风险越高。

2. 风场跨度达到1500mm，远超当前较为成熟的600mm

当前主流的大幅面打印设备中，EOS M400-4等采用中间入风、两侧出风的风场模式外，多数设备均采用一侧入风、一侧出风的“穿堂风”风场模式。在“穿堂风”风场模式下，风场跨度较小时，还能较好的保证全幅面的风场质量；当风场跨度较大、超过800mm后，出风口部位的风速很低，无法有效带走打印过程产生的黑渣。如果进一步增加风机风速，有可能造成入风口风速过大影响粉床铺粉质量的问题。当风场跨度达到1500mm时，这个问题就更加明显。

Slm Solutions打印机风场

“穿堂风”风场示意图，入口和出口风速不一致

打印过程中零件表面留下的黑渣

3. Z轴需保证从3.5吨负载到20吨以上负载长时间稳定工作

对于幅面超过1500×1500mm的设备，200mm厚的不锈钢基板重量就达到3.5吨左右，加上满仓填仓粉末，负载超过20吨。同时Z轴的机械设计还需要考虑传动机构与加热板、加热板与基板之间的稳定连接、Z轴机械结构与成型舱之间的动密封、1500×1500mm大幅面每次步进0.03-0.06mm的精度和可靠性等一系列因素，保证Z轴机械结构的长时工作稳定性和可靠性难度巨大。

Z轴下降过多造成未熔合

Z轴下降高度不足造成错位

应用端

1. 填仓粉末需求19.5吨，总价格1500万元左右

如需打印1500mm高度高温合金产品，按照松装密度4450千克/ m 3 、铺粉系数1.3、单价650-900元/千克进行测算，需要填仓粉末19.5吨，总价格1500万元左右，启动生产所需成本巨大。

2. 单仓打印周期数十天

幅面1500×1500mm、光束数量25个的设备单光覆盖区域300×300mm，与幅面为600×600mm、4光设备是相同的，而铺粉过程跨度远大于600×600mm幅面设备，单次铺粉时间更长。打印截面积较大、高度1000mm以上的产品，时间很容易超过50天。通常认为，打印时间控制在20天、最好15天以内，设备稳定性和可靠性好，产品的合格率较高；50天以上的打印时间对设备考验严苛，质量风险巨大；同时经济风险同样巨大，一次打印失败意味着损失了50天的有效工作时长，几乎相当于全年白干。

3. 单仓产品的打印机时费用200万元以上，产品价格300万元以上

按照小时费用率2000元/小时、打印50天测算，单仓产品仅打印机时费用就超过200万元，加上粉末、后处理等其他费用，产品的价格将超过300万元。即便是在对成本敏感度相对较低的军工行业，单件产品价格超过300万的产品极少，尤其是批量生产的产品中几乎没有。

4. 需要大尺寸的线切割设备和热处理设备作为配套条件

当前市面上能够完成截面1500×1500mm产品加工的线切割设备和热处理设备很少；此外，还要考虑厂房的地面承重、吊顶高度、吊车载重等一系列配套因素，配套条件苛刻。

总结

综合以上数据来看，当前如果采用超大尺寸、超多光束激光选区熔化设备打印单件大尺寸产品，存在打印周期长、设备稳定性和可靠性差、打印风险高、生产投入大、配套条件苛刻等诸多问题，应用场景少，应用前景不明朗。仅有少数产品极其复杂、对生产周期要求严苛、采用其他加工手段难以保证、对生产成本不敏感的研制初期产品适合采用该类设备。

超大尺寸、超多激光设备具备小尺寸零件批量打印潜力

同时换一个角度，采用超大尺寸、超多光束激光选区熔化设备不是为了打印单件大尺寸产品，而是为了打印多件小截面积、小高度产品，就可以规避拼接区域多、小区域问题导致单仓打印全部失败等高风险问题，一台设备可作为10多台300×300幅面单光设备或者4~5台600×600幅面4光设备，发挥出高集成度的性价比优势。

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