3.1 SLM工艺原理及特点《增材制造技术》教学课件

3D打印认知与实践3.1SLM工艺原理及特点问题导入

如果你要镶牙，医院会和你预约对你的口腔和牙齿进行全方位扫描，大约一个星期后你的钛合金牙冠就做好了，医院会通知你进行后续的治疗。目前大部分的钛合金牙冠均采用SLM方法成形（如图1所示），而一次成形的牙齿可以多达一百颗，这些钛合金牙齿每颗都不同，激光选区熔化技术事如何实现这么多钛合金牙冠的个性化、定制化制造呢？我们是否能在办公室就打印自己的钛合金牙冠呢？图3-1齿科牙冠SLM成形

SLM工艺原理SLM工艺特点12目录CONTENTS01SLM工艺原理一.SLM工艺原理激光选区熔化（SLM）是目前应用最为广泛的金属零件直接增材制造方法，它可以利用单一金属或混合金属粉末直接制造出具有冶金结合、致密性接近99%以上、具有较高尺寸精度和较好表面粗糙度，零件经过简单后处理后可以直接使用的增材制造方法。

激光选区熔化(SLM)成形原理：采用高能量密度激光根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，然后快速凝固后形成冶金结合的金属零件。1.SLM是什么图3-2SLM成形原理图一.SLM工艺原理

金属零件的传统制造方法包括铸造、锻造、焊接以及数控加工，以上方法加工周期长，成本高，不适合复杂零件的小批量生产。

由于能够直接快速成形具有复杂结构的金属零件，SLM方法应用范围非常广泛。应用SLM目的包括零件的轻量化设计、一体化设计、复杂内部结构零件、个性化制造，以及传统金属零件的快速制造，主要应用领域包括如医疗、模具、航空航天、创新设计等。1.SLM是什么

GE燃油喷（图3-3）是SLM成形最经典的案例，该零件内部有14条精密的流体通道，原来由20个部件通过焊接组装成形，通过SLM方法可以一次成形。新喷嘴重量比上一代轻25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。GE凭借40多台3D打印机在2017年总共交付了8000个燃油喷嘴。目前，GE增材已经打印了超过10万个航空发动机燃油喷嘴。图3-3GE燃油喷嘴/s/EcovUhJY4y9ZMFXmr94M2A一.SLM工艺原理

SLM工艺过程如图所示：

1）首先将三维CAD模型切片离散并规划扫描路径，得到可以控制激光束的路径规划；

2）计算机逐层调入路径信息，通过扫描振镜控制激光束选择性的熔化金属粉末，未被激光照射区域的粉末仍显松散状；

3）加工完一层后，粉缸上升，成形缸降低切片厚度的高度，水平刮刀将粉末刮到成形平台上；

4）激光对新铺粉末进行熔化，与上一层已凝固金属熔为一体。重复以上工程，直到成形过程完毕，得到与三维实体模型相同的金属零件。2.SLM成形工艺原理图3-4SLM工艺过程02SLM工艺特点二.SLM工艺特点1.激光选区熔化（SLM）的优势01020304得到的制作致密度可达99%以上可用多种金属材料能够实现复杂的形状或内部特征零件合并，允许同时生产多个零件二.SLM工艺特点2.激光选区熔化（SLM）的弊端01020304目前仅限于相对有限的零件制造需要大量的后处理需要专业的设计，和制造技能及知识价格昂贵，尤其是那些没有针对过程进行优化或设计的零件/s/z48-W0-ZWl-GapLE44qeDg二.SLM工艺特点3.SLM工艺目前应用范围4）具有随形冷却水道注塑模具3）小批量金属零件生产2）支撑零件，如夹具、固定装置等1）具有复杂形状的非标准金属零件二.SLM工艺特点样件名称：框架

打印工艺：激光选区熔融

样件材质：铝合金

样件尺寸：470x400x499mm3

打印时间：176小时

应用领域：航空航天

打印设备：易加三维M650（四激光打印）样件名称：尾喷

打印工艺：激光选区熔融

样件材质：钛合金（TC4）

样件尺寸：Φ394x341mm3

打印时间：150小时

应用领域：航空航天

打印设备：易加三维M450样件名称：热交换器

打印工艺：激光选区熔融

样件材质：铝合金

样件尺寸：95×90×58mm3(单个）

打印时间：56小时

应用领域：汽车制造

打印设备：易加三维M260二.SLM工艺特点样件名称：模具

打印工艺：激光选区熔融

样件材质：模具钢

样件尺寸：φ45×118mm3（单个）

打印时间：59小时

应用领域：模具

打印设备：易加三维M260样件名称：齿科牙冠

打印工艺：激光选区熔融

样件材质：钴铬钼合金

样件尺寸：Φ150x35mm3

打印时间：4.5小时

应用领域：医疗

打印设备：易加三维M150样件名称：植入物

打印工艺：激光选区熔融

样件材质：钛合金

样件尺寸：Φ10x65mm3

打印时间：0.8小时

应用领域：医疗

打印设备：易加三维M150二.SLM工艺特点6.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响

SLM过程中的缺陷可分为铺粉过程缺陷和打印过程缺陷。铺粉过程缺陷有粉层不规则，打印过程缺陷有飞溅、球化、气孔、表面质量差、裂纹、几何变形等。下面对不同缺陷及其形成过程进行介绍，并总结不同缺陷对打印构件的应用造成的影响。/s/6hnUUU5rA8kqFR9EMh8Hmg二.SLM工艺特点6.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响

飞溅是SLM过程中最常见的一种缺陷，会直接影响激光与材料相互作用，导致其它缺陷的产生。研究表明，飞溅主要是由侧向保护气流、熔池的波动和反冲压力引起的。飞溅落在粉末上会形成较大的金属颗粒，进而产生欠熔合和气孔缺陷，对构件的抗拉强度和疲劳性能不利；此外，飞溅落在凝固层表面会影响下一层铺粉，导致下一粉层不平整、不均匀，甚至损坏刮刀。（1）飞溅激光熔池与激光束相互作用的物理过程二.SLM工艺特点6.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响

球化是金属基粉床制造过程特有的冶金缺陷，当液态金属在表面张力作用下凝固成球状便会产生球化。激光束能量密度过高和过低都会导致这种现象，能量过低时金属粉末未完全熔化会导致球化，能量过高时，液态金属飞溅到未熔化的金属粉末上也会形成球化。球化会影响下一层的铺粉质量，影响构件的表面质量，还会导致熔合不良、夹渣等缺陷。进一步地，球化会降低构件的抗拉强度和抗疲劳性能。减少和避免球化的有效手段，需要优化打印工艺，找到最优的参数组合。（2）球化3D打印Ti6Al4V合金中的缺陷及其作为疲劳裂纹存在的示例二.SLM工艺特点6.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响

气孔是SLM构件最主要的缺陷类型，是对SLM构件力学性能影响最大的缺陷之一，也是工业界和学术界关注的焦点之一。SLM过程中，材料迅速的熔化和凝固、熔池剧烈波动等会导致气孔的产生。气孔的尺寸、数量、形貌和位置均对构件的力学性能有重要影响，较高的气孔率会缩短成型件的疲劳寿命，靠近表面的气孔对成形件的疲劳性能影响比其它位置的都大。根据气孔的形成机制可将其分为原材料相关的气孔和激光作用导致的气孔。

气孔的产生过程十分复杂，并与工艺参数关系密切。合理的打印工艺，以及针对材料使用次数不间断的工艺优化，仍然是避免气孔产生的重要条件。（3）气孔

（4）表面质量

随着SLM技术的发展，可打印材料的种类越来越丰富，且构件的力学性能得到了很大提升，但是相对较差的表面质量仍然是限制SLM发展与工业应用的主要阻碍之一。中间层的表面粗糙度会影响下一层的铺粉质量，导致内部缺陷产生；成形面的表面粗糙度会严重影响构件的疲劳性能。二.SLM工艺特点6.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响

SLM过程中裂纹的形成与温度分布、残余应力及熔合不良有关。残余应力形成的裂纹又可以分为凝固裂纹和液化裂纹，这类裂纹与材料有关，凝固裂纹是由于熔池与凝固金属之间存在较大的温度梯度，导致熔池产生较大形变，然而液体的流动性不足，不能补充熔池产生的形变；液化裂纹出现在部分熔化区，它与液化范围、晶粒结构、热延伸率、金属的收缩和约束有关。（5）裂纹

（6）几何变形

SLM过程中由于构件的几何特征、热积累、应力集中等原因会形成不同程度几何缺陷，程度较轻的可能引起变形，造成尺寸误差，严重的导致结构不完整，甚至使加工过程失败。拓展部分

随着我国航空航天事业的飞速发展，对精密复杂构件的生产制造提出了越来越高的需求。为解决该类产品的生产瓶颈问题，国内3D打印设备制造厂商纷纷开启大尺寸SLM打印设备的研制生产工作。通过大尺寸SLM

3D打印技术，可以实现零件的结构优化，减少零件组成，增强材料性能，最终实现降低生产成本的目的。有哪些方法可以实现大型零件的SLM成形？3D打印的UltraFan发动