3.1 SLM工藝原理及特點(diǎn)《增材制造技術(shù)》教學(xué)課件

3D打印認(rèn)知與實(shí)踐3.1SLM工藝原理及特點(diǎn)問(wèn)題導(dǎo)入

如果你要鑲牙，醫(yī)院會(huì)和你預(yù)約對(duì)你的口腔和牙齒進(jìn)行全方位掃描，大約一個(gè)星期后你的鈦合金牙冠就做好了，醫(yī)院會(huì)通知你進(jìn)行后續(xù)的治療。目前大部分的鈦合金牙冠均采用SLM方法成形（如圖1所示），而一次成形的牙齒可以多達(dá)一百顆，這些鈦合金牙齒每顆都不同，激光選區(qū)熔化技術(shù)事如何實(shí)現(xiàn)這么多鈦合金牙冠的個(gè)性化、定制化制造呢？我們是否能在辦公室就打印自己的鈦合金牙冠呢？圖3-1齒科牙冠SLM成形

SLM工藝原理SLM工藝特點(diǎn)12目錄CONTENTS01SLM工藝原理一.SLM工藝原理激光選區(qū)熔化（SLM）是目前應(yīng)用最為廣泛的金屬零件直接增材制造方法，它可以利用單一金屬或混合金屬粉末直接制造出具有冶金結(jié)合、致密性接近99%以上、具有較高尺寸精度和較好表面粗糙度，零件經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單后處理后可以直接使用的增材制造方法。

激光選區(qū)熔化(SLM)成形原理：采用高能量密度激光根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)逐層選擇性地熔化金屬粉末，然后快速凝固后形成冶金結(jié)合的金屬零件。1.SLM是什么圖3-2SLM成形原理圖一.SLM工藝原理

金屬零件的傳統(tǒng)制造方法包括鑄造、鍛造、焊接以及數(shù)控加工，以上方法加工周期長(zhǎng)，成本高，不適合復(fù)雜零件的小批量生產(chǎn)。

由于能夠直接快速成形具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件，SLM方法應(yīng)用范圍非常廣泛。應(yīng)用SLM目的包括零件的輕量化設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)、復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件、個(gè)性化制造，以及傳統(tǒng)金屬零件的快速制造，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括如醫(yī)療、模具、航空航天、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等。1.SLM是什么

GE燃油噴（圖3-3）是SLM成形最經(jīng)典的案例，該零件內(nèi)部有14條精密的流體通道，原來(lái)由20個(gè)部件通過(guò)焊接組裝成形，通過(guò)SLM方法可以一次成形。新噴嘴重量比上一代輕25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。GE憑借40多臺(tái)3D打印機(jī)在2017年總共交付了8000個(gè)燃油噴嘴。目前，GE增材已經(jīng)打印了超過(guò)10萬(wàn)個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴。圖3-3GE燃油噴嘴/s/EcovUhJY4y9ZMFXmr94M2A一.SLM工藝原理

SLM工藝過(guò)程如圖所示：

1）首先將三維CAD模型切片離散并規(guī)劃掃描路徑，得到可以控制激光束的路徑規(guī)劃；

2）計(jì)算機(jī)逐層調(diào)入路徑信息，通過(guò)掃描振鏡控制激光束選擇性的熔化金屬粉末，未被激光照射區(qū)域的粉末仍顯松散狀；

3）加工完一層后，粉缸上升，成形缸降低切片厚度的高度，水平刮刀將粉末刮到成形平臺(tái)上；

4）激光對(duì)新鋪粉末進(jìn)行熔化，與上一層已凝固金屬熔為一體。重復(fù)以上工程，直到成形過(guò)程完畢，得到與三維實(shí)體模型相同的金屬零件。2.SLM成形工藝原理圖3-4SLM工藝過(guò)程02SLM工藝特點(diǎn)二.SLM工藝特點(diǎn)1.激光選區(qū)熔化（SLM）的優(yōu)勢(shì)01020304得到的制作致密度可達(dá)99%以上可用多種金屬材料能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的形狀或內(nèi)部特征零件合并，允許同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)零件二.SLM工藝特點(diǎn)2.激光選區(qū)熔化（SLM）的弊端01020304目前僅限于相對(duì)有限的零件制造需要大量的后處理需要專業(yè)的設(shè)計(jì)，和制造技能及知識(shí)價(jià)格昂貴，尤其是那些沒(méi)有針對(duì)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化或設(shè)計(jì)的零件/s/z48-W0-ZWl-GapLE44qeDg二.SLM工藝特點(diǎn)3.SLM工藝目前應(yīng)用范圍4）具有隨形冷卻水道注塑模具3）小批量金屬零件生產(chǎn)2）支撐零件，如夾具、固定裝置等1）具有復(fù)雜形狀的非標(biāo)準(zhǔn)金屬零件二.SLM工藝特點(diǎn)樣件名稱：框架

打印工藝：激光選區(qū)熔融

樣件材質(zhì)：鋁合金

樣件尺寸：470x400x499mm3

打印時(shí)間：176小時(shí)

應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天

打印設(shè)備：易加三維M650（四激光打?。蛹Q：尾噴

打印工藝：激光選區(qū)熔融

樣件材質(zhì)：鈦合金（TC4）

樣件尺寸：Φ394x341mm3

打印時(shí)間：150小時(shí)

應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天

打印設(shè)備：易加三維M450樣件名稱：熱交換器

打印工藝：激光選區(qū)熔融

樣件材質(zhì)：鋁合金

樣件尺寸：95×90×58mm3(單個(gè)）

打印時(shí)間：56小時(shí)

應(yīng)用領(lǐng)域：汽車制造

打印設(shè)備：易加三維M260二.SLM工藝特點(diǎn)樣件名稱：模具

打印工藝：激光選區(qū)熔融

樣件材質(zhì)：模具鋼

樣件尺寸：φ45×118mm3（單個(gè)）

打印時(shí)間：59小時(shí)

應(yīng)用領(lǐng)域：模具

打印設(shè)備：易加三維M260樣件名稱：齒科牙冠

打印工藝：激光選區(qū)熔融

樣件材質(zhì)：鈷鉻鉬合金

樣件尺寸：Φ150x35mm3

打印時(shí)間：4.5小時(shí)

應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)療

打印設(shè)備：易加三維M150樣件名稱：植入物

打印工藝：激光選區(qū)熔融

樣件材質(zhì)：鈦合金

樣件尺寸：Φ10x65mm3

打印時(shí)間：0.8小時(shí)

應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)療

打印設(shè)備：易加三維M150二.SLM工藝特點(diǎn)6.SLM過(guò)程中的缺陷類型、產(chǎn)生原因及其造成的不良影響

SLM過(guò)程中的缺陷可分為鋪粉過(guò)程缺陷和打印過(guò)程缺陷。鋪粉過(guò)程缺陷有粉層不規(guī)則，打印過(guò)程缺陷有飛濺、球化、氣孔、表面質(zhì)量差、裂紋、幾何變形等。下面對(duì)不同缺陷及其形成過(guò)程進(jìn)行介紹，并總結(jié)不同缺陷對(duì)打印構(gòu)件的應(yīng)用造成的影響。/s/6hnUUU5rA8kqFR9EMh8Hmg二.SLM工藝特點(diǎn)6.SLM過(guò)程中的缺陷類型、產(chǎn)生原因及其造成的不良影響

飛濺是SLM過(guò)程中最常見(jiàn)的一種缺陷，會(huì)直接影響激光與材料相互作用，導(dǎo)致其它缺陷的產(chǎn)生。研究表明，飛濺主要是由側(cè)向保護(hù)氣流、熔池的波動(dòng)和反沖壓力引起的。飛濺落在粉末上會(huì)形成較大的金屬顆粒，進(jìn)而產(chǎn)生欠熔合和氣孔缺陷，對(duì)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度和疲勞性能不利；此外，飛濺落在凝固層表面會(huì)影響下一層鋪粉，導(dǎo)致下一粉層不平整、不均勻，甚至損壞刮刀。（1）飛濺激光熔池與激光束相互作用的物理過(guò)程二.SLM工藝特點(diǎn)6.SLM過(guò)程中的缺陷類型、產(chǎn)生原因及其造成的不良影響

球化是金屬基粉床制造過(guò)程特有的冶金缺陷，當(dāng)液態(tài)金屬在表面張力作用下凝固成球狀便會(huì)產(chǎn)生球化。激光束能量密度過(guò)高和過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致這種現(xiàn)象，能量過(guò)低時(shí)金屬粉末未完全熔化會(huì)導(dǎo)致球化，能量過(guò)高時(shí)，液態(tài)金屬飛濺到未熔化的金屬粉末上也會(huì)形成球化。球化會(huì)影響下一層的鋪粉質(zhì)量，影響構(gòu)件的表面質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致熔合不良、夾渣等缺陷。進(jìn)一步地，球化會(huì)降低構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性能。減少和避免球化的有效手段，需要優(yōu)化打印工藝，找到最優(yōu)的參數(shù)組合。（2）球化3D打印Ti6Al4V合金中的缺陷及其作為疲勞裂紋存在的示例二.SLM工藝特點(diǎn)6.SLM過(guò)程中的缺陷類型、產(chǎn)生原因及其造成的不良影響

氣孔是SLM構(gòu)件最主要的缺陷類型，是對(duì)SLM構(gòu)件力學(xué)性能影響最大的缺陷之一，也是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。SLM過(guò)程中，材料迅速的熔化和凝固、熔池劇烈波動(dòng)等會(huì)導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。氣孔的尺寸、數(shù)量、形貌和位置均對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能有重要影響，較高的氣孔率會(huì)縮短成型件的疲勞壽命，靠近表面的氣孔對(duì)成形件的疲勞性能影響比其它位置的都大。根據(jù)氣孔的形成機(jī)制可將其分為原材料相關(guān)的氣孔和激光作用導(dǎo)致的氣孔。

氣孔的產(chǎn)生過(guò)程十分復(fù)雜，并與工藝參數(shù)關(guān)系密切。合理的打印工藝，以及針對(duì)材料使用次數(shù)不間斷的工藝優(yōu)化，仍然是避免氣孔產(chǎn)生的重要條件。（3）氣孔

（4）表面質(zhì)量

隨著SLM技術(shù)的發(fā)展，可打印材料的種類越來(lái)越豐富，且構(gòu)件的力學(xué)性能得到了很大提升，但是相對(duì)較差的表面質(zhì)量仍然是限制SLM發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用的主要阻礙之一。中間層的表面粗糙度會(huì)影響下一層的鋪粉質(zhì)量，導(dǎo)致內(nèi)部缺陷產(chǎn)生；成形面的表面粗糙度會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件的疲勞性能。二.SLM工藝特點(diǎn)6.SLM過(guò)程中的缺陷類型、產(chǎn)生原因及其造成的不良影響

SLM過(guò)程中裂紋的形成與溫度分布、殘余應(yīng)力及熔合不良有關(guān)。殘余應(yīng)力形成的裂紋又可以分為凝固裂紋和液化裂紋，這類裂紋與材料有關(guān)，凝固裂紋是由于熔池與凝固金屬之間存在較大的溫度梯度，導(dǎo)致熔池產(chǎn)生較大形變，然而液體的流動(dòng)性不足，不能補(bǔ)充熔池產(chǎn)生的形變；液化裂紋出現(xiàn)在部分熔化區(qū)，它與液化范圍、晶粒結(jié)構(gòu)、熱延伸率、金屬的收縮和約束有關(guān)。（5）裂紋

（6）幾何變形

SLM過(guò)程中由于構(gòu)件的幾何特征、熱積累、應(yīng)力集中等原因會(huì)形成不同程度幾何缺陷，程度較輕的可能引起變形，造成尺寸誤差，嚴(yán)重的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不完整，甚至使加工過(guò)程失敗。拓展部分

隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)精密復(fù)雜構(gòu)件的生產(chǎn)制造提出了越來(lái)越高的需求。為解決該類產(chǎn)品的生產(chǎn)瓶頸問(wèn)題，國(guó)內(nèi)3D打印設(shè)備制造廠商紛紛開(kāi)啟大尺寸SLM打印設(shè)備的研制生產(chǎn)工作。通過(guò)大尺寸SLM

3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少零件組成，增強(qiáng)材料性能，最終實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本的目的。有哪些方法可以實(shí)現(xiàn)大型零件的SLM成形？3D打印的UltraFan發(fā)動(dòng)