DLF与SLM激光快速成型方法的比较

1、DLF和SLM激光快速成型方法的比较激光直接制造(Direct Laser Fabrication, DLF)技术和选择性激光熔化(Selective Laser Melting , SLM技术是目前较为成熟和先 进的激光快速成型技术，涉及机械、材料、激光、计算机和自动控制 等多学科领域，充分体现了现代科学发展多学科交叉的特点，具有广 泛的研究和发展前景。DLF技术是基于激光快速成型的“离散一堆积”、“添加式制造” 的基本概念和激光熔覆技术而发展起来的金属零件全密度全功能快 速直接制造技术。其实质是利用送粉式激光熔覆逐点、逐层沉积，实 现三维任意形状高性能金属零件的近净成型。SLM技术是以选择

2、性激光烧结(Selective I . aserSinter , SLS) 技术为基础，基于快速成型的最基本思想，即逐层熔覆的“增量”制 造方式，根据三维CADI型直接成型具有特定几何形状的零件，成型 过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。它是快速成型技术的 最新发展。本文采用DLF和SLM5种激光快速成型技术进行一系列实验，根 据实验结果，比较分析两种快速成型方法在成型精度和效率、成型件 力学性能和组织结构等方面的异同，为激光快速成型方法的选择提供 一定的技术依据。1 DLF和SLM激光快速成型技术的原理1.1 DLF激光快速成型技术的原理DLF 技术是将快速成型(Rapid Prototy

3、ping , RP)技术和激光熔覆技术相结合，以激光作为加工能源，以金属粉末为加工原料，在金 属基板上逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。DLF快速成型技术的基本原理哺1如图1所示，先利用三维CA软件(如UGPro/E, Solidworks)生成所需制造零件的三维CADI型，并转换成STL格式； 再利用切片技术将吼格式的CA模型按照一定的层厚进行分层切片， 提取每一层切片所产生的轮廓；然后根据切片轮廓设计合理的扫描路 径，并转换成相应的计算机数字控制 (Computer Nome ncal Co ntrol , CNC工作台指令；激光束在CN指令控制下进行扫描加工，将加工原 料进行熔覆

4、，生成和这一层形状、尺寸一致的熔覆层。完成这一过程 后，聚焦镜、同轴送粉喷嘴等整体上移(或工作台下移)一个层厚的高 度，并重复上述过程，如此逐层熔覆堆积直到形成CA模型所设计的形状，加T出所需的金属零件为提高表面质量和避免加工缺陷，加工 过程可在气体保护下进行。FJJ图1 DLF快速成型技术的基本原理1 . 2 SLM激光快速成型技术的原理SLM快速成型技术的基本原理如图2所示r图2 SLM快速成型技术的基本原理在制造过程中，铺粉装置按设定的层厚将金属粉末均匀地铺设在基板 上；激光在振镜控制下对需要熔化的区域进行扫描熔化；然后，基板 下降一个层厚，重复下层的加工，如此往复，金属零件一层层地被加

5、 工完成。2 DLF和SLM勺比较研究2. 1 DLF和 SLM成型精度的比较由于DLF激光快速成型是采用开环控制，属于自由成型，所以实际成 型高度误差日和z轴增量有很大的关系，因为Z轴增量决定了聚焦透 镜和制造工件之间的垂直距离，其大小直接影响到激光光斑的大 小，进而影响激光能量密度的大小。在切片层厚T=0. 04nun、功率P=200W送粉量M=4 2s/min、扫描速度V=900mpf min条件下的单道熔覆咼度测量值为0. 056mm在此丁艺参数条件下，分别利用不同的 Z轴增量，加工100层，测量其最终成型高度，并计算、分析其和高度 设计值之间的差值。多层熔覆高度的实际值和设计值的差即

6、成型高 度误差（ H）和z轴增量的关系如图3所示，从图3中可以看出，当Z轴 增量在0。03 0.10m之间变化时，日较小，其中当z轴增量为0.04mm 时，成型实际高度为4. 1mln,加工100层后日值最小为0. 1mm分 析原因为：在进行多层熔覆时，如果 Z轴增量等于实际每层熔覆层的 高度，聚焦透镜和工件之问的距离可以保持恒定，从而保证了光斑大小在T件表面始终不变，即保证了激光能量密度不变，此时的z轴增量 为最佳值。当Z轴增量超过0. 16mr时，则根本无法形成薄壁形状。所 以此成型参数下的最佳Z轴增量值为0. 04.11 r1098 -7 -UIE>b【X Hpftistejte&

7、#174;43 -21 -0 -1 L23一 _ 6810121416图3z轴增量和成型高度误差的关系从图3可以看出，以0. 04mr的切片层厚进行加工，每100层高度误差为0. 1mm相对误差达到2. 5%。利用图4所示的零件进行SLM激光快 速成型精度的研究。其成型零件实物如图 5所示，测量其长、宽、高 的实际尺寸数值（取三次测量值的平均值），和设计值进行比较，结果 如表1所示。a104»图4 SLM快速成型精度研究零件图5 SLM快速成型金属零件实物表1 SLM快速成型件尺寸误差测量结果尺寸方向设计值/mm测址值/mtn误差/mm长1010.240. 2410-0. 14高)0

8、10.060.06高76,86-0. 14高43.99-0.01宽77.080.08宽46.99-0.01从表1可知，7个尺寸误差的平均值为0. 011mm相对误差为1.1%。 研究结果表明，SLM快速成型技术的制造精度比较高。DLF快速成型方 法，在z轴方向上加工误差较大，加工精度较低，和 DLF相比，SLM在 零/部件的制造精度方面具有明显的优势。2. 2 DLF和SLM成型金属零件力学性能的比较本文主要从拉伸强度和 显微硬度两个方面分析、比较两种方法成型件的力学性能。实验材料 配方见表2。DLF和SLM成型件的力学性能实验结果如表3所示。表2实验材料配方%FeCrNiMo17420. 1

9、表3 DLF和SLM成型件力学性能实验结果成型方法拉伸强度內平均显微硬度/H¥ DLF912261SLM635307从表3可以看出，DLF成型技术所制备的金属零件在拉伸强度方面要优 于SLM但在显微硬度方面要低于SLM主要原因为：在非加工硬化的 条件下，金属材料的硬度和平均晶粒大小有关，其关系式可以表示(1)为：比二0-1布式中：以为金属材料的硬度；Hi、K分别为和硬度测量有关的适当常 数；d为平均晶粒直径。由于用SLM成型技术加工零件的扫描速度要大 大高于DLF,所以组织晶粒细小，故硬度较高。但总体来说，两种方 法的成型件在力学性能方面均优于普通的奥氏体不锈钢。2. 3 DLF和

10、SLM成型金属零件组织结构的比较利用DLF和SLM技术制造金相试样，并进行SE扫描，金相组织如图6、 图7所示。图6 DLF成型件金相组织图7 SIAI成型件金相组织从图6a和图7a可以看出，两种方法激光扫描路径清晰可见，DLF和SLM 均为层叠式制造，由于重熔影响，重熔区的晶粒较粗大，且破坏了定 向凝固特征，因此层和层之间具有明显的分层现象。从图6b和图7b可以看出，DLF和SLM成型件金相组织的高倍形貌均为枝状晶，定向凝固特征明显，晶粒生长方向均为温度梯度大的方向， 即基板法线方向 的相反方向。DLF和 SLM成型件的组织结构基本相同，且成型后的物相 均为奥氏体，和成型前的粉末物相相同。2

11、. 4 DLF和SLM成型效率的比较以20ramx 20mM 10m长方体为例，分析比较DLF和SLM快速成型的加 工效率。根据本文第2. 1所述结论，即z轴增量为0. 04ranfl寸，成型 高度误差最小，故按0. 04m对长方体进行分层切片，加工工艺参 数如表4所示，加工时间对比如表5所示。表4 DLF和SLM快速成型加工工艺参数成刖 切片层单道熔積 搭接 加匸 方送厚/mm宽度/mm率层数跳转速度/打描速度/(mm - min 1 ) ( mm min "1 )DU0.040.75332511500900SLM0.040.123325160000 10000»5DLF

12、与SLM快速成型加工时间对比成型方法加工一层所需时间"加工总时间几DLF543.765SLM242.26由表5可知：在相同切片层厚条件下，SLM成型所花费时间和DLF成型 所花时间的比值为2. 26/3. 77=0. 6,由此可见SLM激光快速成型技 术较DLF技术在加T效率方面有很大的提高。但当层厚大时， DLF成型 的切片效率要高于SLM2. 5 DLF和SLM快速成型技术的使用比较由于DLF采用的是送粉方式，而SLM采用的是铺粉方式，故SLM所加工 零件的复杂程度要高于DLF技术成型件。因此，DLF一般用于粗加工制 造毛坯件，或使用于零件的修复方面；而 SLM快速成型技术 则可

13、以用于精密、复杂和小型零件的制造。3结语通过对DLF和SLM两种快速成型技术的分析比较得出以下结论：1）在成型精度方面，SLMg优于DLF技术；2）在成型件的力学性能方面，两者都具有较高的性能，均优于普通不 锈钢；3）在组织性能方面，SLMfH DLF基本上是相同的；4）在成型效率方面，如果切片层厚相同， SLM勺成型效率要高于DLF;5）在使用场合方面，DLF主要用于粗加工或零件修复等方面，而 SLM 可用于精密、复杂零件的制造。SLS和SLA两种快速成型的对比激光快速成型在制作手板模型的使用上，主要有两种加工方式， 分别为SLS （激光选区烧结法）快速成型系统和 SLA （光固化成型 法）快速成型系统两种方式。SLS和SLA快速成型之间的区别和相同点分析：两者原理都是非常相似的。前者所用的材质是粉末状的物质，而 后者所采用的一种液态形状的光敏树脂，所以前者比后者的优点在 于，凡是可以溶解的所有粉末状的物质， 都是可以用来制造原型或者 模型的，所制造出来的产品都是可以用作产品的首