Rob Snoeijs，LayerWise公司

 LayerWise是位于比利時(shí)的一家致力于選擇性激光熔結(jié)（SLM）技術(shù)的公司。SLM是一種非常強(qiáng)大的技術(shù)，其運(yùn)用激光一層一層地熔結(jié)金屬粉末的制造方式，可以制造出任何幾何形狀的金屬零件。利用這種數(shù)字生產(chǎn)方法，只需要單一的生產(chǎn)步驟，就能夠使復(fù)雜的循環(huán)零件（circulation part）獲得最適宜的形狀。而且，利用SLM技術(shù)生產(chǎn)出的零件，不僅具備更好的性能，而且還比通過復(fù)雜組裝實(shí)現(xiàn)的零件更加牢固可靠。

SLM技術(shù)也是小型金屬制品制造的理想選擇，其可以實(shí)現(xiàn)成千上萬的小型金屬制品的同時(shí)生產(chǎn)。憑借SLM技術(shù)，LayerWise公司的產(chǎn)品除了廣泛涉足工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域外，也為整形外科、頜面修復(fù)和牙科治療提供了革命性植入產(chǎn)品。LayerWise公司始終致力于用更少的材料制造出任何形狀的高檔合金零件，并且無廢料產(chǎn)生，進(jìn)而可將零件的單位重量降低達(dá)80％之多。

傳統(tǒng)金屬加工工藝的限制

傳統(tǒng)的金屬切削、銑削、電火花加工（EDM）以及其他高質(zhì)量、高效率的金屬加工工藝，都是通過去除金屬材料的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工，雖然每種加工工藝都有很多種工具和配件可供使用，但是每種加工工藝去除的材料都是有限的。

圖1：a）通過逐層建立金屬零件，可以實(shí)現(xiàn)凹槽、脊、腔以及具有內(nèi)部特征的極其復(fù)雜的零件形狀。 b）根據(jù)輸入的設(shè)計(jì)規(guī)則，選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)能夠克服重重障礙，最大程度地實(shí)現(xiàn)零件優(yōu)化。

充分了解金屬加工過程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，會(huì)提前考慮到他們設(shè)計(jì)的零件在加工中會(huì)受到哪些限制。而且從某種程度上講，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)新部件時(shí)，還要花費(fèi)一定的精力考慮用什么方法生產(chǎn)這些零件；然而事實(shí)上，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師最希望將所有精力都集中在零件功能的設(shè)計(jì)上。因此，傳統(tǒng)金屬加工過程在幾何形狀方面受到的限制，不得不迫使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師縮減零件的功能，或者是選擇更加復(fù)雜的組裝過程。

            
       逐層制造零件

“在LayerWise公司，我們完全逆轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)的金屬加工過程。”LayerWise公司工業(yè)部門總監(jiān)Jonas Van Vaerenbergh說，“我們的核心業(yè)務(wù)是選擇性激光熔結(jié)技術(shù)，該技術(shù)通過一層一層添加材料的方法制造零件，這與傳統(tǒng)的用不同的加工步驟將金屬材料去除的制造方法完全不同。此外，我們還針對不銹鋼、淬火鋼、鈦、鋁、鉻鎳鐵合金等廣泛的金屬和合金材料，專門對加工過程進(jìn)行了優(yōu)化。”

SLM加工系統(tǒng)用高精度的激光熔結(jié)金屬粉末微粒，選擇性地建立一個(gè)20~40μm的水平金屬層。激光束快速準(zhǔn)確地照射金屬粉末微粒，并充分熔結(jié)，以至于在不需要任何膠合物或液體粘合劑的情況下，就能使新材料附著到之前的層面上。

SLM加工系統(tǒng)采用高能量密度的光纖激光器，激光器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，從而確保制造出的金屬零件具備致密、均勻的材料結(jié)構(gòu)。整個(gè)SLM加工系統(tǒng)只需要用CAD軟件直接驅(qū)動(dòng)，而不再需要任何編程、鉗工或其他工具作業(yè)。SLM加工系統(tǒng)能同時(shí)連續(xù)加工多達(dá)2500件不同形狀的金屬零件。因此，SLM技工系統(tǒng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)制造出形狀復(fù)雜的零件，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。

形狀自由無限制

除了能夠?yàn)樾⌒徒饘僦破诽峁└咝А⒕哂谐杀拘б娴募庸し绞酵�，SLM加工技術(shù)對于產(chǎn)品的幾何形狀也沒有太多的限制。Van Vaerenbergh解釋說，一層一層地制造零件的方法，保證了在制造過程中激光能夠均勻地到達(dá)零件的任何位置。用這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)很多復(fù)雜的形狀，如凹形、脊形、腔以及特定的內(nèi)部特征。

“通常，我們制造出的產(chǎn)品是很難用任何其他方法制造出來的。我們創(chuàng)建了一種完全不同的制造方法，消除了實(shí)現(xiàn)零件最優(yōu)化的所有障礙。” Van Vaerenbergh補(bǔ)充道。
 
以LayerWise為Diametal公司制造的燃燒器為例。Diametal公司是比利時(shí)一家合同制造商，主要致力于使用電腦數(shù)控銑床和車床加工金屬零件。同食品和制藥行業(yè)的機(jī)器制造商一樣，Diametal公司也在不斷面臨著生產(chǎn)復(fù)雜的循環(huán)零件的挑戰(zhàn)，這些零件包括混頻器、入口部件和出口部件、分配器、耦合零件以及熱交換器件等。

Diametal公司的燃燒器中包含9個(gè)凹陷部分（undercutting）和6個(gè)內(nèi)部腔。LayerWise公司應(yīng)用SLM技術(shù)，將該部件作為一個(gè)整體單元，通過單一生產(chǎn)步驟制造出來。這個(gè)過程被稱為功能集成，因?yàn)檫@個(gè)利用SLM技術(shù)生產(chǎn)出來的燃燒器部件，取代了用傳統(tǒng)金屬加工工藝生產(chǎn)的多個(gè)零件。傳統(tǒng)的制造方式通常是采用不同的金屬加工工藝生產(chǎn)出多個(gè)零件，然后再將這些零件組裝成想要的部件，這個(gè)過程不但耗費(fèi)時(shí)間，而且不容易保證各個(gè)零件之間的密封連接，這自然就降低了部件的可靠性。

圖2：a）LayerWise公司應(yīng)用SLM技術(shù)，通過單一生產(chǎn)步驟制造出了包含9個(gè)凹陷部分和6個(gè)內(nèi)部腔的燃燒器，完全取代了傳統(tǒng)的復(fù)雜裝配。b）在生產(chǎn)注塑模具過程中加入最佳冷卻通道，可以顯著提高注塑成型的質(zhì)量和速度。

Van Vaerenbergh解釋說，功能集成使SLM技術(shù)適合解決小型化、滲漏以及裝配問題。“盡管這個(gè)燃燒器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但是我們并沒有因此而向Diametal公司加收額外的加工費(fèi)用，因?yàn)槲覀兊纳�產(chǎn)成本依賴于部件的重量，而不是其復(fù)雜程度。這一點(diǎn)也充分表明了SLM技術(shù)能以合理的成本制造性能卓越的產(chǎn)品。”

優(yōu)化循環(huán)管道

SLM技術(shù)提供高效、靈活設(shè)計(jì)的一個(gè)絕好的例子是生產(chǎn)連接冷卻管道的部件。首先，添加制造方法使部件的重量減少了75％的重量減少；其次，設(shè)計(jì)師能夠用自由曲面定義管道的幾何形狀，從而能大幅降低流動(dòng)阻力。LayerWise公司生產(chǎn)的零件，精確地按照CAD的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了想要的功能，最終使循環(huán)性能獲得了80％的改善。

 Van Vaerenbergh表示，利用SLM技術(shù)制造注塑模型內(nèi)鑲件，也會(huì)產(chǎn)生非常完美的成果。“由于SLM加工對形狀沒有限制，因此冷卻通道遵循模具的形狀放置。與常規(guī)的方法相比，這是一項(xiàng)重大的改進(jìn)。優(yōu)化的管道形狀和位置，確保了對冷卻過程的更好控制，進(jìn)而能實(shí)現(xiàn)沒有變形的、更高質(zhì)量的零件，并且?guī)缀鯖]有熱點(diǎn)。而且，SLM技術(shù)還能將這些零件的生產(chǎn)周期縮短15％，這將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。”

致力于技術(shù)領(lǐng)先

LayerWise公司是比利時(shí)第一家專注于金屬零件添加制造的生產(chǎn)中心。該公司是由Jonas Van Vaerenbergh和Peter Mercelis聯(lián)合創(chuàng)建的，兩人在比利時(shí)魯汶大學(xué)緊密合作，開發(fā)選擇性激光熔結(jié)技術(shù)。LayerWise公司與比利時(shí)魯汶大學(xué)有著深入的合作，并且將其30％的資源投入研發(fā)領(lǐng)域，旨在推進(jìn)SLM技術(shù)的發(fā)展。
      

圖3：a）通常，LayerWise公司制造出的產(chǎn)品是很難用任何其他方法制造出來的。LayerWise公司并不會(huì)因?yàn)榱慵�的形狀�?fù)雜而加收額外的費(fèi)用，因?yàn)槠渖�產(chǎn)成本是由零件的重量決定的。b）通過專利的DentWise技術(shù)，完全消除了傳統(tǒng)的模壓或鉆孔加工方式對幾何形狀和表面的限制。

“通過匯集技術(shù)專長、生產(chǎn)能力與客戶支持，LayerWise公司在歐洲金屬加工市場占據(jù)著獨(dú)特的地位。”Van Vaerenbergh說，“我們的工程師對SLM技術(shù)的控制已經(jīng)達(dá)到了非常嫻熟的地步，從而實(shí)現(xiàn)最具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品制造�，F(xiàn)在，我們能夠生產(chǎn)出15μm的幾何精度、創(chuàng)建厚度為0.2mm的薄壁，還能實(shí)現(xiàn)一些用傳統(tǒng)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來非常困難的零件。另外，在熔結(jié)區(qū)流程控制工具的使用對于保證零件的高質(zhì)量也是非常重要的。”

通過對生產(chǎn)過程的完全控制，LayerWise公司實(shí)現(xiàn)了均勻的微觀結(jié)構(gòu)，對于越來越多的金屬和合金加工，其都能實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.98％的相對密度。研究表明，用SLM技術(shù)制造出的金屬零部件，其械性能幾乎與傳統(tǒng)的金屬相同。為了證明這一點(diǎn)，LayerWise公司對制造出的零件系統(tǒng)地進(jìn)行了金屬密度、硬度、伸長率和疲勞度測試。而且零件制造之前，大塊金屬粉末的化學(xué)成分也已經(jīng)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了檢驗(yàn)。

 無監(jiān)視加工

SLM加工系統(tǒng)能將CAD文件直接轉(zhuǎn)換成三維幾何形狀，而無需其他任何工具作業(yè)，可以在無人監(jiān)視的情況下全天候運(yùn)行，因此SLM加工是一種非常具有成本效益的金屬加工方法。

 當(dāng)零件從SLM加工系統(tǒng)中取出來后，還可以對其進(jìn)行各種精整加工。如果需要的話，也可以使用傳統(tǒng)的金屬加工工藝，如鉆孔、切割和EDM，也可以對某些零件的表面進(jìn)行硬化。最后，用戶還可以根據(jù)需求對零件表面進(jìn)行高度拋光。

牙科微觀結(jié)構(gòu)

LayerWise公司的產(chǎn)品也廣泛涉足醫(yī)療行業(yè)，例如為醫(yī)療行業(yè)生產(chǎn)可植入性微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)用醫(yī)療成像或三維掃描獲得的特定病人的幾何數(shù)據(jù)，用軟件設(shè)計(jì)出個(gè)性化的微觀結(jié)構(gòu)，并立即用鈦印刷出來。最后，牙科醫(yī)生將微觀結(jié)構(gòu)植入完成最后的修復(fù)工作。

“數(shù)字化SLM技術(shù)完全消除了傳統(tǒng)的模壓或鉆孔加工方式對幾何形狀和表面的限制。”牙科醫(yī)生Peter Mercelis說，“此外，植入連接也是用最高的精度實(shí)現(xiàn)的。”

該微觀結(jié)構(gòu)是采用超強(qiáng)的鈦合金（Ti6Al4V，V級）制造的，其機(jī)械性能遠(yuǎn)優(yōu)于常用的II級鈦合金。

整形與頜面植入物

除了牙科應(yīng)用領(lǐng)域外，LayerWise也為其他醫(yī)療應(yīng)用提供專業(yè)產(chǎn)品。在頜面重建過程中，外科醫(yī)生插入一個(gè)由LayerWise公司制造的顴骨。植入物的復(fù)雜形狀是根據(jù)醫(yī)療數(shù)字成像信息獲得的，并最終通過SLM技術(shù)生產(chǎn)出來。借助SLM技術(shù)，患者的面部對稱性可以恢復(fù)得幾近完美。
       

 圖4：a）個(gè)性化的整形植入物通常是用鈦生產(chǎn)的，并具有精細(xì)的幾何表面，非常有助于表面形狀的修復(fù)。b）在一個(gè)整形植入物中集成了一個(gè)鈦金屬表面層結(jié)構(gòu)，其有助于表面形狀的恢復(fù)，且易于植入手術(shù)操作。

對于外科整形植入物，逐層建造金屬的過程，能夠設(shè)計(jì)出可以替代骨頭的多孔結(jié)構(gòu)、并將其植入假肢中，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)良好的長期性固定。除了在醫(yī)療成像基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的個(gè)性化植入物外，SLM技術(shù)可用于醫(yī)療儀器的制造。LayerWise公司還針對醫(yī)療儀器的制造，特別提供了大量生物相容性金屬合金。

發(fā)展前景

LayerWise公司成立兩年來，已經(jīng)取得了大幅的增長。最近，該公司已經(jīng)與一些分銷商合作拓展歐洲市場，這也是其全球化發(fā)展戰(zhàn)略的一部分。“我們在向不同的行業(yè)介紹了SLM技術(shù)以及該技術(shù)所能帶來的優(yōu)勢后，很多公司都真正意識到了他們能夠從SLM技術(shù)中受益。”Van Vaerenbergh說，“添加金屬加工過程完成改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)規(guī)則。我們與客戶一起完成項(xiàng)目，使我們的客戶能夠有大量機(jī)會(huì)創(chuàng)建具有更高附加值和更具成本效益的產(chǎn)品。相信SLM技術(shù)將迎來廣泛的發(fā)展前景。”