对多零件选区激光熔化的成型效率进行了优化。首先，分析了多零件选区激光熔化成型过程的时间消耗，并以减少时间消耗为目标建立了3维零件在3维成型空间中的2.5维排料优化规则。然后，研究了2.5维自动排料，提出利用3维零件模型在2维平面区域的投影将2.5维排料转化为2维排料的简化方法和一种利用切片数据进行投影生成的算法。最后，为验证所述方法的有效性，以手术模板模型为例，在虚拟选区激光熔化系统VDemetal280上进行了优化实验。与优化前相比，优化后的成型次数从4次降为3次，在扫描速度为600 mm/s、切片层厚为0.035 mm、扫描间距为0.08 mm的工艺参数下，总铺粉次数从3 892次降为2 231次，预计加工时间从约91 276 s降为69 918 s，时间消耗有明显减少。

为了提高选区激光熔化(SLM)成型悬垂结构的质量，从调节成型方向和能量输入入手研究悬垂结构的计算机辅助工艺参数优化。以减小零件模型整体难成型悬垂面的面积为目标，以零件模型非成型方向的两个旋转角度为优化变量，建立成型方向的优化模型，并基于遗传算法实现优化模型参数的求解。通过遍历零件模型中的所有三角面片，建立倾斜角静态查找表，并在成型时查表实现能量输入的实时调节。实验结果表明，经成型方向优化，零件模型难成型悬垂面的面积从555.12 mm2减小为16.211 mm2，所需支撑数量明显减少；成型后所得零件无明显悬垂物和翘曲变形，成型质量明显改善。

为了自由设计并快速制造出机构，引入了免装配机构的概念，即采用数字化设计和装配并采用选区激光熔化(SLM)一次性直接成型、无需实际装配工序的机构。分析了机构直接成型的难点和不同摆放方式对间隙内部支撑的影响；并分析了倾斜摆放方式对间隙成型质量的影响。采用不同的扫描速度加工出不同倾斜角度的样块，测试其极限成型角；设计最小间隙为0.2 mm的曲柄滑块机构并采用水平摆放方式和倾斜摆放方式分别直接成型，验证了机械机构的SLM直接成型方法的可行性。结果表明，在150 W激光功率、600 mm/s扫描速度、0.035 mm铺粉厚度、0.12 mm扫描间距的工艺参数下，所直接成型的曲柄滑块机构可以实现预设计的动作。机械机构的直接快速成型方法使机构的形状和结构更加多样化，且无需装配工序，实现了机构的快速制造。

悬垂结构是选区激光熔化成型存在的固有几何限制, 其容易导致成型件形状与尺寸精度变差。为了掌握悬垂面成型出现缺陷的原因, 在自主研发的选区激光熔化成型设备上, 采用316L不锈钢粉末, 进行了高速与低速条件下成型不同倾斜角度和不同扫描线长度的悬垂结构实验。结果表明, 倾斜角越小和扫描速度越小, 翘曲变形越严重, 理论分析了最小成型角度与可靠成型角度分别与高速扫描、低速扫描的实验结果吻合。高速扫描可成型具有最小成型角度的悬垂面, 而低速扫描下只能成型可靠成型角度的悬垂面。悬垂面沿着长线扫描方向更容易发生翘曲变形。通过对悬垂面进行局部成型参量控制, 可以明显改善成型质量。本研究从工艺与设计的角度为选区激光熔化技术成型悬垂面提供了依据, 并给出了初步解决方法。

为了实现薄壁零件的快速制造，在快速成型设备Dimetal-280上进行了选区激光熔化(SLM)成型工艺实验研究，分析了SLM中不同激光功率、扫描速度、铺粉装置、离焦量和层厚对成型效果的影响，在实验中获得了优化的工艺参数，并成型了变截面的薄壁零件，零件致密度达96.95%。在扫描电镜下观察了零件的表面及侧面，结果表明其层与层之间熔合良好；分析表明成型设备成型零件壁厚的绝对误差极限值在20 μm左右；薄壁零件顶部壁宽为101.3 μm，底部壁宽为142.0 μm，与设计值相差分别为21.3 μm和22.0 μm，与极限值相吻合；拉伸测试表明，抗拉强度范围为465~625 MPa，屈服强度范围为390~515 MPa，延伸率范围为23%~48%。

为了实现网格结构零件的制造，在快速成型设备Dimetal-280上经过选区激光熔化(SLM)工艺实验，分析了SLM中能量吸收对零件尺寸的影响、激光深穿透及铺粉装置对成型效果的影响。结果表明，采用实验中优化的工艺参数成型的316L不锈钢网格结构零件孔径大小均匀、孔隙贯通性良好。孔径尺寸在X方向为965μm，Y方向为975μm，与设计值相差分别为35μm及25μm。研究采用的SLM设备成型网格零件是可行的，在网格零件制造中具有很大的潜力。

为了研究选区激光熔化所加工的316L不锈钢成型件的致密度与工艺参量之间的关系，在自主研发的选区激光熔化成型设备DiMetal-280上，采用316L不锈钢粉末，用层间互错扫描方式以及不同扫描间距、扫描速率和扫描功率成型若干样块；在显微镜下观察样块形貌加以分析，并采用排水法测试样块致密度。结果表明，在合适工艺范围内，采用层间互错扫描方式有利于提高致密度；随着扫描间距的增大，熔道间搭接方式发生变化，致密度会减小；当扫描速率过小或过大时，致密度会减小；在加工初期时的实际铺粉厚度的变化也会导致致密度减小。该研究为进一步提高316L不锈钢选区激光熔化成型件的致密度奠定了基础。

采用自行研制的光纤激光选区熔化快速成型设备, 研究了选区激光熔化316L不锈钢粉末工艺参数、能量输入与样件致密度、表面形貌之间的关系以及微观组织特征。结果表明：扫描速度对成型效果影响最为显著; 样件致密度随着激光能量密度提高有逐渐增大的趋势; 能量密度作为选区激光熔化工艺的技术指标具有可操作性; 表面形貌由激光功率与扫描速度比值所决定。深入探讨了能量输入、熔化凝固行为、激光功率与扫描速度比值与样件致密度、表面形貌的关系。结果表明：选区激光熔化凝固组织层内、层间熔合处为弧形, 且为冶金结合, 金相组织主要由柱状晶与等轴晶组成, 层内靠近熔合线周围是柱状晶, 而层间靠近熔合线附近主要是细小等轴晶, 晶粒直径为1 μm左右。

为了探索应用数字化反求设计结合选区激光熔化快速成型技术制作个性化牙冠牙桥的可行性,通过Laserdenta扫描系统测量牙列模型并3维重建其数字化外形,采用计算机辅助设计了牙冠牙桥。利用自主研发的选区激光熔化快速成型设备Dimetal-280进行了316L不锈钢粉末的正交实验工艺研究,获得优化参量,并用该参量加工设计了牙冠牙桥。结果表明,该方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化牙冠牙桥,且成型速度快、尺寸精度高、表面质量好、误差在±0.15mm以内,未经打磨表面粗糙度达到20μm;与传统加工方式相比,反求工程结合选区激光熔化快速成型的方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化金属牙冠牙桥,为其应用于口腔修复体的计算机辅助设计与制造提供了科学依据。

为解决传统人工股骨植入体个体匹配性差,结构强度与生物活性难统一等问题,提出了个性化股骨植入体的优化设计及制造方法。采用解剖学建模技术设计出外形匹配,内含三维网状构架的假体模型。利用316L不锈钢粉末结合选区激光熔化快速成型技术在含氧量小于0.15%的气氛下,完成实体制造。研究结果表明,该方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化人工股骨植入体。提出的优化结构的设计方法能使不锈钢植入体的质量减少65.5%,符合设计需求。表面质量较好,尺寸误差在±1mm以内,未经打磨表面粗糙度达到Ra30μm,硬度达到HRC32。