金屬增材制造工藝制訂與實施 課件項目一打印義齒牙冠 任務(wù)三

項目一

打印義齒牙冠THREEDIMENSIONALPRINTINGSLM:Selectivelasermelting（選擇性激光熔化）是利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化、快速凝固的一種技術(shù)。《金屬增材制造工藝制訂與實施》教材課件任務(wù)三實施打印與控制任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)STATUSOFINDUSTRYDEVELOPMENTYOURLOGO?任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握SLM金屬打印設(shè)備的安全操作規(guī)程；2.能夠熟練的將打印程序傳輸至增材設(shè)備中；3.能掌握SLM金屬打印義齒牙冠的基本操作流程；4.能合理的配備打印粉末，熟練添加或清理粉末；5.能掌握設(shè)備基礎(chǔ)調(diào)試操作，包括刮刀、工作臺等調(diào)整；6.能有效監(jiān)控打印過程，并采取合理處置措施。任務(wù)三實施打印與控制【SLM金屬3D打印】SLM(SelectiveLaserMelting）選區(qū)激光熔化成型技術(shù)，是激光應(yīng)用金屬材料增材制造中的一種主要技術(shù)途徑，該技術(shù)選用激光作為能量源，按照三維CAD切片模型中規(guī)劃好的路徑在金屬粉末床層進行逐層掃描。描過的金屬粉末通過熔化、凝固從而達到治金結(jié)合的效果，最終獲得模型所設(shè)計的金屬零件。是目前金屬3D打印成型中最普遍的技術(shù)，采用精細(xì)聚焦光斑快速熔化預(yù)置金屬粉末，直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結(jié)合的零件，如圖1-3-1和圖1-3-2。圖1-3-1SLM選區(qū)激光熔化成型技術(shù)原理圖圖1-3-2120型金屬3D打印機任務(wù)三實施打印與控制【金屬打印安全操作規(guī)程】一、開機前準(zhǔn)備工作1.進入設(shè)備車間必須做好個人防護措施（口罩、護目鏡、手套、防護服、防護鞋)，禁止攜帶手機。2.確認(rèn)環(huán)境溫濕度適合設(shè)備的正常使用：設(shè)備推薦工作溫度20-25℃，濕度40-60%。3.確認(rèn)激光冷卻機的開關(guān)在ON打開位置。4.確認(rèn)金屬打印機的空氣過濾器沒有水、油及其他雜質(zhì)（如無異常情況每月檢查一次）。5.打開電源總閘，檢查穩(wěn)壓器工作燈是否亮起。6.確認(rèn)此時的激光是處于關(guān)閉狀態(tài)。7.確認(rèn)過濾器的處于關(guān)閉狀態(tài)。任務(wù)三實施打印與控制二、開機1.打開設(shè)備總開關(guān)。2.打開電力控制按鈕ON。3.待設(shè)備進入界面后，輸入賬號密碼進入。4.打開3D金屬打印機控制軟件。5.拉開倉門，打開氧氣探測檢測按鈕。6.關(guān)閉倉門，勾選鏡頭保護氣體選項。任務(wù)三實施打印與控制三、設(shè)備準(zhǔn)備工作1.打開操作面板，下降成型平臺（打印基板）至刮刀以下約30mm位置，點擊刮刀歸零按鈕。2.依次點擊成型平臺歸零按鈕，回收缸歸零按鈕，供料缸歸零按鈕。3.拉開成型倉門，用防爆吸塵器清潔倉門上的金屬粉塵。4.拆下進風(fēng)口并清潔。5.清潔出風(fēng)口、平臺和刮刀上的金屬粉塵。6.下降全部缸體到底按鈕，清潔缸體的內(nèi)部。7.清潔擦拭激光鏡頭。8.拉開過濾器倉門，清潔過濾倉內(nèi)部及過濾瓶。9.確認(rèn)過濾器的型號與將要加工的材料一致后關(guān)閉過濾器倉門。10.確認(rèn)刮刀的型號與將要加工的材料一致后關(guān)閉設(shè)備倉門。11.將成型平臺上升至最高。12.將鐵板用酒精清潔后裝入平臺。13.勾選平臺升溫按鈕，擰緊固定螺絲。14.校正平臺的X，Y平面度，平面度高低差要求低于0.02mm。任務(wù)三實施打印與控制四、操作過程的安全隱患與預(yù)防措施1.火災(zāi)隱患與預(yù)防防止火災(zāi)的關(guān)鍵是要記住，引發(fā)火災(zāi)的三要素（“火三角”）：燃料（金屬粉末或煙灰），點火源（激光或火花）和氧氣。雖然這些金屬打印設(shè)備的設(shè)計專為在惰性氣體環(huán)境中發(fā)生激光與金屬粉末熔融，應(yīng)該說運行方式很安全，但作為操作人員，在處理金屬粉末粉塵時，應(yīng)避免任何點火源環(huán)境，消除任何可能的風(fēng)險（包括吸煙等）。此外還有容易忽略的風(fēng)險是靜電放電（ESD），因此一些必要的防護裝備，包括防靜電腕帶，是避免意外發(fā)生的有效途徑。了解粉末的生命周期也有助于防范意外發(fā)生的風(fēng)險，粉末以罐式的包裝運送到加工現(xiàn)場，最后作為回收粉末（大部分粉末），或以廢料回收形式被收集起來?？雌饋硐喈?dāng)復(fù)雜，但是必須留意了解粉末的整個存在環(huán)境鏈，如被困在產(chǎn)品中的粉末，被困在過濾器中的煙灰和粉末，要回收的粉末，以及積聚在手套上擦拭清潔積累下來的粉末。此外，內(nèi)部軟管和軸也會積聚粉末，所有的沉積粉末都需要定期處理。任務(wù)三實施打印與控制一些基本的安全措施不可忽視，在使用機器時，始終戴上手套，護目鏡和防護服（實驗室外套）。即使是使用鍵盤和鼠標(biāo)等最簡單的任務(wù)也需要注意防護安全?？傊?，防止火災(zāi)至少有幾個措施可以采?。海?）個人防護裝備（PPE）。

PPE是一種自衛(wèi)的防護手段，如果發(fā)生火災(zāi)，可以有效的保護生命安全，根據(jù)預(yù)算的不同，可以配置不同級別的防護裝備。標(biāo)準(zhǔn)PPE：呼吸器、丁腈手套、面罩、防靜電表帶等。如圖1-3-3所示。圖1-3-3標(biāo)準(zhǔn)PPE防護圖任務(wù)三實施打印與控制（2）滅火方法。撲滅火災(zāi)時，金屬火災(zāi)需要使用的是D類滅火器，主要準(zhǔn)備專門的金屬火災(zāi)滅火器。需要注意的是水對金屬火災(zāi)來說可能是更危險的。如圖1-3-4所示。（3）粉末儲存。

平時，粉末儲存在未開封的罐子，當(dāng)罐子被打開后，最好將開封的罐子存放在易燃防護柜中，這對于非反應(yīng)性合金不是必需的，但對于活性金屬合金是必需的（尤其是鋁合金粉）。如圖1-3-5所示。

圖1-3-4D類滅火器圖1-3-5易燃防護柜任務(wù)三實施打印與控制

2.防止粉末吸入和接觸。操作3D打印機，或是進行后處理的工人，需要接觸金屬粉末，這種粉末都沒到100微米，能很容易地進到肺部，或是進到粘膜，導(dǎo)致呼吸道或是神經(jīng)方面受損。減少粉末吸入風(fēng)險的主要方法是使用呼吸器。最為推薦的是帶內(nèi)置面罩的呼吸器，更優(yōu)選的是PAPR呼吸器，其提供正壓空氣，推薦使用N95以上的呼吸器過濾器，例如，鋁粉常用作金屬3D打印的粉末，如果工人接觸到的鋁量超過身體的排泄能力，多余的鋁就會沉積在身體的各個組織中，長時間的積累會導(dǎo)致神經(jīng)損傷。所以，通常建議：（1）使用長袖口的皮手套和導(dǎo)電安全鞋。（2）戴過濾面罩可以保護工人免于吸入灰塵、煙霧和氣溶膠。（3）開始工作之前，需要注意放好手表、腕表首飾和手機。（4）完成工作后，需要脫掉保護外套，然后在處理任何其他物品之前將手和手臂肘部輕輕擦拭。（5）可以考慮安裝一層粘合地板墊，以便操作人員在走出房間時踩踏。任務(wù)三實施打印與控制

3.預(yù)防惰性氣體窒息。惰性氣體（氮氣或氬氣）用于為粉末加工過程中提供防止氧化的環(huán)境，這些氣體被存儲在氣瓶（氬氣）中或從發(fā)生器（氮氣）中輸送。無泄漏的設(shè)施和穩(wěn)定的設(shè)備性能是至關(guān)重要的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)在建造室中無法降低所需的氧氣PPM水平，或者氣體成分發(fā)生比較大的波動，這些可能與惰性氣體發(fā)生泄漏有關(guān)。設(shè)備用戶必須知道氣體閥的位置，必要時需要自行關(guān)閉。為了防止惰性氣體窒息情況發(fā)生，一個有效的裝置是氧氣傳感器如圖1-3-6。這是一種重要的傳感器，特別是對于安裝有任何依賴于惰性氣體的設(shè)備的空間中。如果氧氣含量低于安全值，則會觸發(fā)警報以提醒現(xiàn)場人員立即撤離。圖1-3-6氧氣傳感器任務(wù)三實施打印與控制

4.預(yù)防污染和爆炸。有些機器在打印需要排放到建筑物外的氣體時，實際上會排出危險氣體。這些氣體的一部分可能是甲醛，所以考慮到環(huán)境污染，可考慮使用木炭洗滌器等裝置進行過濾。同時，處理和收集設(shè)備中不同部位“散落”的金屬粉末，在這個處理過程中也存在上述火災(zāi)、爆炸和吸入性傷害等風(fēng)險。在金屬加工車間，會有一些鈦、鋁、鎂等金屬粉末懸浮在空氣中，達到一定濃度后，如果遇到火源，也會發(fā)生燃燒甚至產(chǎn)生爆炸。另外，熱的表面、熱氣體都有可能產(chǎn)生火花和雜散的電流，從而成為點火源。引起爆炸的條件包括：粉塵、氧氣、燃料、封閉，因此金屬粉末的存儲、加工、后處理，都要避免火源和靜電。雖然目前國家還沒有出臺相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，但是為了確保使用者的安全或者降低公司的風(fēng)險，我們要重視3D打印使用中的安全性，認(rèn)真查看機器的使用說明書，積極參加設(shè)備廠商提供的培訓(xùn)，了解設(shè)備的安全操作規(guī)范，做好規(guī)范措施。任務(wù)三實施打印與控制

【打印過程】表1-3-1金屬打印操作步驟說明（一）打印前檢查與確認(rèn)1.操作前穿戴好防護服，戴口罩（內(nèi)側(cè)為普通口罩，外側(cè)為防毒口罩）、帶上一次性手套、防靜電手環(huán)，并整理好袖口

2.在前面切片環(huán)節(jié)已經(jīng)通過模型和材料規(guī)格完成了對設(shè)備型號的選擇。在本環(huán)節(jié)打印前仍需要再次確認(rèn)設(shè)備規(guī)格型號，本次打印模型尺寸為82*75*16mm，材料為鈷鉻合金粉末，因此YLM120設(shè)備即可滿足打印條件3.現(xiàn)場對打印設(shè)備進行打印前檢查與確認(rèn)，包括冷水機循環(huán)水位是否處于安全高度值；設(shè)備所在車間的環(huán)境溫度保持在（25±5）℃，濕度小于75%。確保順利完成本次打印任務(wù)任務(wù)三實施打印與控制

（二）啟動設(shè)備1.首先打開電源總開關(guān)，讓所有附屬設(shè)備通電。打開循環(huán)過濾器電源開關(guān)，確保風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)。打開金屬3D打印機電源開關(guān)

2.接著打開冷水機電源開關(guān)，確保冷水機處于制冷狀態(tài)

3.啟動金屬3D打印機內(nèi)置計算機，打開配套操作軟件任務(wù)三實施打印與控制

（三）預(yù)制惰性氣體1.打印開始時，需要不斷從打印艙排出空氣，同時充入惰性氣體，以此來保證打印層不被氧化。材料不同，需要的惰性氣體也不相同。鈷鉻合金粉末可以用氮氣作為保護氣體使用。制氮機在開啟之前需要先打開空氣壓縮機，并保證壓縮氣壓為0.5?0.8MPa2.根據(jù)要求，依次按下開關(guān)運行制氮機，制氮機運行后需要一定的時間氮氣純度才能達到99.99%，后方可進行打印操作任務(wù)三實施打印與控制

（四）打印前清理1.打印前要先完成對設(shè)備粉末的清理工作，應(yīng)該從上而下，從里到外順序進行。首先進行的是成型缸內(nèi)的粉末清理（各個缸室的清理都包括掃、吸、擦三步）2.進行整個打印艙內(nèi)部的粉末清理工作，包括各構(gòu)件、傳動機構(gòu)、各部位死角清理等?？刹捎梅辣鼔m器進行吸粉清理3.對關(guān)鍵部件要進行酒精擦拭清潔4.清理完打印室內(nèi)粉末后，需要用無塵布蘸酒精擦拭振鏡保護鏡，擦拭的手法為由內(nèi)向外，順時針螺旋擦拭任務(wù)三實施打印與控制

（五）配制粉末材料1.打印前要提前完成粉末的配置，二次使用的粉末進行必要的篩粉與過濾。二次使用粉末在使用前需要達到一定的混合比例，一般都要加入1/3的新粉，保證粉末的粒度和純度。該項操作也是打印成功的必要保障2.新粉和二次使用的粉末都需要烘干，并且保證干燥度到達98%以上。粉末的干燥度影響著粉末的流動性，粉末流動性的好壞決定落粉或鋪粉的效果，最終都將影響打印成敗任務(wù)三實施打印與控制

（六）添加粉末1.把配置好的粉末先灌裝到加粉筒，利用到的工具有鏟子、漏斗等，灌裝粉末時一定要穿戴必要的防護用具，如靜電衣、防塵面具、防靜電手環(huán)等2.再利用加粉筒把設(shè)備的粉缸加滿。操作前先將粉缸移動到下限最大值，后加滿粉缸3.檢查軟件操作頁面當(dāng)前的粉末余量，確保粉末已加滿任務(wù)三實施打印與控制

（七）更換、調(diào)平基板1.根據(jù)打印材料不同，選擇相應(yīng)基板材料。本項目打印粉末為鈷鉻合金粉末，選擇的基板材料為45鋼板2.固定打印基板時，需要將基板和打印艙平面保持齊平?？赏ㄟ^平直板來進行檢測。如果基板與打印艙平面不齊平，可以在基板下面的相應(yīng)位置墊上合適的墊片，直至兩者齊平為止

3.找好齊平后，利用六方扳手通過螺母固定，把打印基板安裝在成型缸底部

4.固定后，使基板在“齊平”的基礎(chǔ)上向上移動1mm,保證激光焦距最佳位置。因為默認(rèn)激光焦距位置是在基板上1mm處調(diào)整的，所以基板上1mm處為最佳焦距任務(wù)三實施打印與控制

（八）更換刮條、調(diào)整刮刀1.利用扳手將整個刮刀全部拆下，清理刮刀上的殘留粉末和雜質(zhì)。2.用剪刀裁剪汽車雨刮條最前端的橡膠部分，裁剪要均勻，大小合適。3.將裁剪好的刮條安裝到刮刀下部，觀察橡膠條是否垂直于鎖緊端面。不垂直要進行調(diào)整，最后鎖緊螺母使其牢固。4.將刮刀裝回到設(shè)備相應(yīng)位置，并配合塞尺，調(diào)節(jié)刮條相對于基板的位置，使左右間隙合適（0.03mm左右）。任務(wù)三實施打印與控制

（九）鋪粉、調(diào)整打印基板1.通過操作控制系統(tǒng)，完成粉缸頂粉和刮刀前后擺動參數(shù)設(shè)置，使頂粉粉量合適，使刮刀前后擺動范圍合適。2.通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)刮刀相對于打印基板的間隙高度，觀察粉層厚度與均勻程度，完成鋪粉工作。任務(wù)三實施打印與控制

（十）設(shè)備預(yù)環(huán)境1.關(guān)閉打印室倉門，確保鎖緊。2.打開惰性氣體電磁閥，打開設(shè)備洗氣閥，充入惰性氣體，降低氧含量。當(dāng)室內(nèi)氧含量達到0.2以下可以開始打印。3.打開底板加熱，底板溫度設(shè)置為60°。任務(wù)三實施打印與控制

（十一）導(dǎo)入模型打印程序1.在導(dǎo)入界面選擇后綴為cli格式的文件。2.通過預(yù)覽查看，檢查程序和首層的路線軌跡。3.查看當(dāng)前成型層和預(yù)計打印時間等。任務(wù)三實施打印與控制

（十二）運行程序1.檢查各運行環(huán)境參數(shù)包括：室內(nèi)氧含量、粉末余量、基板溫度、風(fēng)機狀態(tài)、水冷機狀態(tài)、過濾系統(tǒng)狀態(tài)等。以上參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，開始成型打印。任務(wù)三實施打印與控制

（十三）過程控制1.檢查鋪粉效果，查看整個基板的鋪粉情況，需要至少保證整個基板鋪粉正常，沒有缺粉情況。2.檢查頂粉口的頂粉量，既不能沒有，又不能太多。太少可能影響成型區(qū)域鋪粉效果，太多可能會影響最終成型高度。3.檢查風(fēng)場方向和排塵效果，首先保證排風(fēng)和吸塵方向正確。其次能保證揚塵能落到非打印區(qū)域或直接吸走。4.檢查掃描區(qū)域有無打印異樣，是否存在激光功率不足，支撐強度不足或過燒情況。任務(wù)三實施打印與控制

（十四）打印完成1.打印完成后，界面顯示打印完成。2.關(guān)閉循環(huán)過濾系統(tǒng)變頻器。任務(wù)三實施打印與控制

（十五）清粉取件1.打印結(jié)束后，為保證打印艙內(nèi)外溫度及氣壓的逐漸平衡，最好靜待一段時間后，再緩慢打開艙門。2.手動模式移動打印基板升出成型缸。用毛刷清理粉末，把多余粉末掃進收分筒內(nèi)，用吸塵器對殘余粉末進行最后清理。3.用皮吹子（手風(fēng)器）清理沉孔里粉末，拆除底板。4.盡量在打印艙內(nèi)附著在零件上的粉末清理干凈，然后取出。任務(wù)三實施打印與控制

（十六）關(guān)機1.清理好艙內(nèi)粉末，整理好工具配件，就可以關(guān)閉配套打印操作軟件，然后將金屬打印機的內(nèi)置電腦關(guān)機。2.關(guān)閉金屬打印機電源開關(guān)；關(guān)閉冷水機電源開關(guān)；關(guān)閉循環(huán)過濾器電源開關(guān)；關(guān)閉制氮機電源開關(guān)，關(guān)閉空氣壓縮機電源開關(guān)；最后關(guān)閉電源總開關(guān)，使所有設(shè)備斷電。任務(wù)三實施打印與控制

1.金屬激光3D打印常見缺陷及原因（1）孔隙。零件激光3D打印過程中，內(nèi)部非常小的孔穴會形成孔隙，這可由金屬激光3D打印工藝本身或者粉末引起。這些微孔會降低零件的整體密度，導(dǎo)致裂紋和疲勞問題的出現(xiàn)。在霧化制粉過程中，氣泡可能在粉末的內(nèi)部形成，它將轉(zhuǎn)移到最終的零件中。更常見的是，金屬激光3d打印過程本身會產(chǎn)生小孔。比如當(dāng)激光功率過低，會導(dǎo)致金屬粉末沒有充分熔融。當(dāng)功率過高，會出現(xiàn)金屬飛濺的現(xiàn)象，融化的金屬飛出熔池進入到周邊區(qū)域形成微孔。當(dāng)粉末的尺寸大于層厚，或者激光搭接過于稀疏，也會出現(xiàn)小孔。熔化的金屬沒有完全流到相應(yīng)的區(qū)域也會造成小孔出現(xiàn)。為了解決這些問題，在金屬激光3D打印工藝中，可以通過調(diào)整光斑形狀來減少粉末飛濺，例如“脈沖整形”可以實現(xiàn)區(qū)域逐漸融化。任務(wù)三實施打印與控制

（2）殘余應(yīng)力。在金屬激光3D打印中，殘余應(yīng)力由冷熱變化、膨脹收縮過程引起。當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料或者基板的拉伸強度，將有缺陷產(chǎn)生，如零件有裂紋或者基板翹曲。殘余應(yīng)力在零件和基板