增材制造技术实训-PPT课件项目7-选区激光熔化技术(SLM)

教学课件项目7选区激光熔化技术（SLM）目录7.1工艺原理概述7.2材料简介7.3设备及附件7.4分层软件7.5工程实例7.1.1工艺原理

选区激光熔化（SelectiveLaserForming,SLM），作为金属增材制造技术的一种主要工艺方案，它是在三维CAD模型建模的基础上，由切片分层软件获得各层二维轨迹等数据信息，利用激光能量对选定轨迹区域的金属粉末照射熔化熔融成形[5]。其工作原理如图7.1所示，首先通过刮板推送金属粉末铺设到基板上，同时在成形室注入惰性气体防止粉末氧化、保证传热性能及成形质量，并通过激光器的振镜偏转保证激光束照射在成形零件的当前轨迹位置，并以扫描速度移动激光束，按照扫描轨迹连续熔化金属粉末。随着激光束的移动熔融态金属迅速散热并冷却凝固，实现与前层金属冶金焊接成形，从而实现金属粉末熔融——凝固成形。这样逐层沉积成形出三维实体的快速增材制造技术。7.1工艺原理概述图7.1选区激光熔化成形零件原理图由于SLM工艺是通过金属粉末完全融熔成形，属于冶金结合，不需要特殊的粘结剂，其成形后的材料组织细腻，孔隙率低，力学性能和机械性能较好。在许多小批量、难加工、高附加值的零件制造中成为首选的加工制造方案。7.1工艺原理概述7.1.1工艺原理

7.1.2发展历程

欧美等发达国家在选区激光熔化的设备开发、粉体材料、软件及工艺等方面都处于领先地位，如德国EOS、SLM、ConceptLaser，美国通用电气等都成为世界占有率很高的行业龙头。EOSGmbH公司新研发的SLM设备EOSINTM280采用Yb光纤激光器，其成形零件的性能可与锻件相当。SLM公司的SLM设备尺寸可达350×350×300mm，其控制系统精度较高，其产品致密度达99%以上。ConceptLaser公司的设备由于其激光器采用X/Y精密伺服传动机构完成扫描轨迹，避免了受振镜偏转角度的限制，拓展了设备的工作空间。2012年美国国防部成立了国家选区熔化成形创新联盟（NAMII），国防部、能源部、商务部、国防航空航天局（NASA）、国家科学基金会（NSF）等共同向该联盟投资4500万美元，该联盟统一推进企业、高校、商业公司的联合发展。目前在火箭发动机喷射器（115个零件集成为2个SLM组件）、燃油喷嘴（20个零件集成为1个SLM组件）等高复杂度零件的减重、减量生产上获得重大突破。7.1工艺原理概述我国在选区激光熔化技术方面，积极投入相关研究，通过引进技术并消化吸收后开始自主研发设备，已逐步展开该技术的产业应用，在高温合金航空发动机叶片、钛合金人体嵌入物，钛合金飞机机翼等关键零部件的制造上开始尝试应用，已具有较好的综合使用性能。覆盖高温合金、钛合金、铝合金、铁基合金、钨基合金等材料，类型涉及格栅、复杂薄壁、中空微单元点阵等零件。据统计，相对于传统制造方式，零件减重基本可以达到30%以上，同时材料利用率提高10倍左右。未来，随着产业升级，新材料的研发，不仅在航空航天领域，在民用装备的小批量、难加工、高附加值产品的制造中也开始探索其应用，因此该技术必将获得更大的发展前景。7.1.2发展历程

7.1工艺原理概述7.1.3选区激光熔化快速制造技术优势

选区激光熔化技术具有很多优异的特点:(1)直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节:由于SLM成形的金属零件具有很高的尺寸精度(达士0.1m)和表面粗糙度(Ra约30~50m)，一般不需或仅需简单的喷砂或抛光处理即可投入使用。(2)所制造出来的金属零件是具有完全冶金结合的实体,其相对密度接近或达到100%，且具有快速凝固的组织，这使成形的金属零件力学性能可达到锻件的水平，一般无需热处理即可投入使用。(3)成形材料来源广泛，可直按采用商业化的金属粉末，还可采用高熔点金属材料。成形材料包括不锈钢，钛合金，工具钢等多种材料。(4)成形过程不受零件复杂程度限制，特别适合于单件小批量、个性化定制、或采用传统工艺无法制造的金属零件。(5)如换用特殊的铺粉装置，还可直接成形具有复合材料的金属零件。上述优点使选区激光熔化快速制造技术具有广泛的应用前景。当前，在国外，该技术已应用到个性化医用产品、具有复杂形状的零件、航天航空零件、难加工材料制件。随着该技术的进一步发展，该技术的应用空间必然还会进一步拓展。7.1工艺原理概述选区激光熔化也有技术的不足：（1）成形中容易产生冶金缺陷选区激光熔化成形取决于工艺参数的配合，一旦设计的工艺参数不匹配，极易产生球化效应、翘曲、裂纹等制造缺陷，限制了高质量金属零部件成形，需要工艺参数匹配优化方案的配合。（2）成形零件尺寸有限受限于设备空间的大小，成形仓内成形的零件尺寸受限。另外大尺寸成形零件的循环热力影响叠加，更易产生制造缺陷，目前还有较好的工艺方案。（3）技术复杂，精度要求严格，设备主要依赖进口由于设备的零部件精度要求较高，且系统的可靠性、稳定性都有较高要求，目前真正的产品级设备还主要依赖进口。进口设备的封装性不利于工艺开发，限制了相关工艺探索的发展。7.1.3选区激光熔化快速制造技术优势

7.1工艺原理概述7.2材料简介选区激光熔化主要成形的材料为粉末材料，主要分为铁基、钛基、镍基、铝基、铜基等金属或合金，目前常用的粉末材料类型有：不锈钢粉末、高温合金粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、高熵合金等，衡量粉末成形质量的主要指标有堆积特性、粒径分布、颗粒球形度和含氧量等，如图7.2所示，球形度直接关系到成形制造的孔隙率、成形密度、成形机械性能等指标。此外，还有一些具体的指标来反映粉末的特性，根据粉末材料类型归纳，其常用的SLM粉末材料特点简介如下表7.1所示。图7.2粉末显微效果图表7.1选区激光熔化常用材料特性表7.3设备及附件一般SLM成形设备包括成形机设备主机及其附件组成。设备主机又包括成形室、粉仓、粉末回收仓、控制系统、激光器、电脑主机等组成。附件包括惰性气体系统、筛粉器、密封操作台（俗称手套箱）、防爆吸尘器、工作工具、防护用具等。本章以ConceptlaserSLM成形机为例，介绍其设备主机及其附件设备。其设备主机如图7.3所示，主要附件设备如图7.4所示。图7.3ConceptlaserSLM成形机（a）氩气发生器（b）吸粉器（c）操作手套图7.4SLM成形机附件7.3设备及附件7.4分层软件选区激光融化的模型分层软件采用MaterialiseMagics20.04版本。安装该软件后启动桌面图标进入软件界面如图7.5所示，是一款Win风格的窗口式交互软件，其界面各区域的功能如图注所示。图7.5Magics20.04界面1．TOOLS：工具菜单，主要是对当前模型进行创建等各种变换操作。其各部分工具功能项见图7.6。图7.6工具菜单功能7.4分层软件（1）Create：创建模型按钮，点击后进入模型创建对话框，可以选择常用的建模图形，如长方体/圆柱体/棱柱/棱锥/滑块等。如图7.7所示。图7.7创建文件常用模型样式及其对应尺寸7.4分层软件（2）Duplicate：复制操作，可对选中的模型进行X/Y方向复制。如图7.8所示。图7.8复制操作对话框7.4分层软件（3）Position:对模型进行放置设置，包括：平移；旋转

；缩放；镜像。以上位置设置按钮，首先对零件进行选中，然后点选设置图标后，在弹出的对话框中设置相应X/Y/Z位置值或尺寸值即可。7.4分层软件（3）Position:对模型进行放置设置，包括：抽壳；

拉伸

；分割

；

偏移

；穿孔；

铣偏置

等实体化

；以上位置设置按钮，首先对零件进行选中，然后点选设置图标后，在弹出的对话框中设置相应X/Y/Z位置值或尺寸值即可。7.4分层软件（5）Merge&Boolen:模型进行合并。包括：零件合并；布尔运算

；壳转零件；注：预打印模型有两种构建方式，一种是前述的通过CREATE新建文件，第二种是选择导入

。从已有的其他建立的模型进行导入，注意文件格式必须是STL文件格式。7.4分层软件2.FIX：修复菜单，主要是对模型进行相关的检查与修复操作，其菜单下的各个功能项如图7.9所示。在模型分层中应用较少，其各个功能应用不再赘述。7.9修复菜单功能7.4分层软件3.TEXTURE：纹理菜单，主要是对模型表面或选定区域添加纹理/色彩效果。其菜单下的各个功能项如图7.10所示。在模型分层中应用较少，其各个功能应用不在赘述。7.10纹理菜单功能7.4分层软件4.POSITION：位置操作，主要是对设计模型进行位置变化操作。其各功能项如图7.11所示。图7.11位置菜单功能7.4分层软件（1）Translate

：平移操作，点击此按钮后，弹出平移对话框，如图7.12所示，有相对坐标方式和绝对坐标方式两种模式，来设置X/Y/Z平移量。设置后点击应用即可观察移动效果。图

7.12平移零件对话框7.4分层软件（2）Rotate

：

旋转操作，点击此按钮后，弹出旋转对话框，如图7.13所示，可以通过绕点进行旋转或沿线进行旋转两种方式，分别输入对应值即可。图7.13旋转零件对话框7.4分层软件（3）PickandPlaceParts

：

拾取和放置零件操作，选择点击此按钮后，鼠标变为移动靶框状态，直接通过鼠标移动可以带动工件移动。7.4分层软件（4）Rescale

：

重新缩放功能，点击此按钮后，弹出缩放设置对话框如图7.14所示。可通过不同的方式缩放零件大小。图

7.14缩放设置对话框7.4分层软件（5）Mirror:

镜像操作，点击此按钮后，弹出镜像设计对话框，如图7.15所示。注意设置不同的镜像平面会得到不同的造型效果。图7.15镜像设置对话框7.4分层软件（6）Bottom/TopPlane

：

镜像操作，点击此按钮后，弹出镜像设计对话框，如图7.15所示。注意设置不同的镜像平面会得到不同的造型效果。图7.16底面/顶面设置对话框7.4分层软件（7）AutomaticPlacement

:自动布局零件，点击该图标后打开自动布局对话框，如图7.17所示。可设置零件布局的间距及其到边缘的距离，以及相关的几何设置及包围框设置等。图7.17自动布局对话框7.4分层软件（8）OrientationOptimizer

：

方向优化功能，点击此按钮后，弹出图7.18方向优化对话框，可对当前零件的位置进行测量并对目标位置进行优化。图7.18方向优化对话框7.4分层软件（9）ShapeSorter：

形状归类操作，主要是对选定的形状按照指定的起始零件进行归类，如图7.19进行设置。图7.19形状归类对话框7.4分层软件5.BUILDPREPARATION：准备工作，其各功能项如图7.20所示，主要用到的几个功能简介如下。图7.20创建准备工具栏7.4分层软件（1）NewScene：

工作场景设置，创建新的增材制造工作场景，点击按钮后弹出如图7.21的对话框选择设置。图7.21工作空间设置对话框7.4分层软件（2）AddParttoScene：

添加零件到工作空间，点击该按钮后，打开如图7.22所示话框，进行模型零件选择即可。图7.22添加零件对话框7.4分层软件（3）AutomaticPlacement：

自动放置零件，点击此按钮后，弹出如图7.23对话框，进行零件自动布局设置。图7.23自动布局零件对话框7.4分层软件6.SUPPORTGENERATION：支撑设置，其各功能项如图7.24所示。图7.24支撑设置工具栏7.4分层软件（1）GenerateSupport：

通用支撑设置，点击后进入支撑详细设置子工具栏，如图7.25所示。图7.25包括对支撑的保存/导出/重设置/查看/增加点线面支撑，以及支撑的选择/删除等操作，分别可以对支撑进行编辑及修改操作。图7.25通用支撑工具栏7.4分层软件此外在软件的右边状态区，可以进行对应的支撑类型进行设置，如图7.26，可以选择常用的支撑类型，也可以2D编辑支撑的细节形状。支撑编辑完成后，点击退出SG，进行支撑环境退出到支撑设置的主界面，退出时，还需对本次支撑的设置进行保存与否选择设置。图7.26通用支撑类型设置及编辑7.4分层软件（2）ManuSupport：手动设置支撑，点击此按钮后，弹出手动支撑设置子工具栏，如图7.27所示。其各个工具按钮如图7.25项相似，在此不再赘述。注意，手动支撑绘制的文件保存后，再右侧对话框中进行加载设置等。图7.27手动支撑工具栏7.4分层软件7.ANALYZE&REPORT：分析及报告功能，此工具栏可进行基本的零件测量/测距/输出测试报告等。其神荼深入的热力耦合分析，在“AdditiveManuscript”部分中进行了相关的热力耦合分析介绍，在此不再赘述。图7.28分析及报告工具栏7.4分层软件8.SLICING：分层操作，主要是对设置好的零件模型和支撑结构的进行具体的分层操作，如图7.29所示。图7.29分层工具栏7.4分层软件（1）SlicePreview：

分层预览按钮，点击后打开对话框如图7.30，可对分层后的各层高位置进行预览分析。图7.30分层预览对话框7.4分层软件（2）SliceAll：

所有零件分层，点击按钮后弹出分层是设置对话框，如图7.31所示。可对分层参数/分层类型，以及分层文件存放路径进行设置。图7.31分层设置对话框7.4分层软件（3）SliceSelected：

选择零件进行分层，此操作应用在多个零件同时布局时选择部分零件进行分层。选择要分层的零件后，点击此按钮，仍然弹出图7.31对应的分层设置对话框。7.4分层软件（4）ConceptLaserSlicer：

附着安装后的设备分层器，点击此按钮后，可打开如图7.31所示的对话框，对接设备进行零件模型的分层参数设置。包括存储路径/工艺参数包选择/分层设置数据/分层路径设置等。

图7.32设备分层设置对话框9.VIEW：视图工具栏，如图7.33所示，此工具栏下可对零件模型进行不同视角的观察分析。其各按钮工具操作简单，在此不再赘述。图7.33视图设置工具栏7.4分层软件10.OPTIONS：选项工具栏，主要是对软件工作环境进行设置，以及获取帮助文件等，如图7.34所示工具栏功能。图7.34选项设置工具栏7.4分层软件完成如下图7.35所示的模型的SLM增材制造成形。主要工作步骤如下：1．创建零件三维模型在CREO3.0环境下利用曲面功能创建模型，保存为.stl文件格式。2．打开分层软件Magics20.04，进行模型工艺性设置及分层图7.35SLM成形零件图7.5工程实例（1）打开Magics后，首先进入BUILDPRAPARATION菜单进行工作空间设置。点击

，选择对应的设备空间，如图7.36。图7.36零件模型工作空间图7.5工程实例（2）点击导入模型按钮,从打开的对话框中选择模型所在的目录路径，零件模型类型为.stl文件，如图7.37所示。图7.37导入零件模型7.5工程实例（3）布置零件到工作空间，点击,从打开的对话框中选择模型所在的目录路径，零件模型类型为.stl文件，如图7.38所示。图7.38布局零件模型7.5工程实例（4）如果需要重新摆放模型，进入POSITION菜单，通过平移/旋转/缩放等按钮进行零件位置修正，当前零件位于工作空间正中，距离基板2MM。如果进行模型复制多个同时分层，进入TOOLS菜单，通过复制按钮进行复制。7.5工程实例（5）为零件模型添加支撑，进入SUPPORTGENERATION菜单，选择,进入支撑子菜单，在右侧图7.39所示位置选择Type类型，完成零件模型的支撑效果如图如图7.40所示。图7.39支撑类型设置图7.40有支撑的零件模型如果需要对支撑进行编辑，选择相应的选项进行设置即可。若确认所设支撑，点击退出当前支撑设置环境，并在弹出的对话框中选择保存过程文件。7.5工程实例（6）进行零件模型分层，进入SLICING菜单，可以选择通用分层操作,在打开的对话框中进行分层格式/分层参数等设置。如若对应设备参数包进行分层，可以选择本软件加载的ConceptLaser分层单元，点击按钮，设置如图7.41所示的对话框。图7.41零件模型分层参数设置完后点击确认，软件按照前期设置的保存路径直接生成零件分层文件（P_***.cls）与支撑分层文件（S_***.cls）。此文件可以通过外存储设备或远程COM口传递到SLM增材设备上进行设备操作。7.5工程实例3．启动SLM设备（ConceptLaser），进行制造工艺参数设置。（1）设备电源开启，启动软件后如图7.42所示开机状态，ConceptLaser控制系统也是一款窗口式操作软件。主要个工作菜单有“Buildjob”/”Edit”/”Parameter”三个。图7.42设备开机启动软件后状态7.5工程实例（2）新建工程。点击“BuildJob”中的”NewBuildJob”，打开对话框如图7.43所示。在新建工程中可以对文件命名，并且可以选择新工程对应的工艺参数基础数据包，如不锈钢选择“cl20_100_lower”。图7.43新建工程对话框7.5工程实例（3）导入模型。在”Edit”菜单中点击”LoadPart”，加载制造模型，弹出

Open对话框，如图7.41所示，从中选择分层后的文件：零件分层文（P_***.cls）与支撑分层文件（S_***.cls）。图7.44打开分层文件7.5工程实例导入文件后，紧接着需要选择具体的工艺参数类型，如图7.45，在新建工程的参数包下的各种设备内存的用户保存的参数都可进行选择，后续也支持在此参数类型的基础上进行编辑修改，以适应本制造模型的成形。图7.45选择参数包7.5工程实例选择好参数包后，完成模型导入，效果如图7.465，其左侧的”View”视图按钮可以对工作区的视图进行缩放/只显示零件/只显示支撑/以高度查看/以层数查看等。图

7.46导入后的效果7.5工程实例（4）修改工艺参数。在导入的零件已有的参数包基础上可以继续修改，见图7.47。点击”Parameter”菜单里的”PartParameter”，打开该零件参数包里的已有参数类型，从中可以继续选择某一类型，点击下面的"Assign"按钮确认选择该工艺参数；点击”Export””Import”分别进行导出或导入工艺参数；点击“New”则完全新建一组参数类型；点击”Edit”则对当前选中的参数类型进行编辑修改，如图7.48所示，可以对主要一些工艺参数分别进行调整，包括对零件工艺参数的修改或者对支撑工艺参数的修改等等。修改分为三个主要部分：曝光扫描路径，激光参数，和间距参数。这些工艺参数根据与材料和零件类型匹配的参数值进行具体的修改操作。7.5工程实例图7.47修改工艺参数17.5工程实例图7.48修改工艺参数27.5工程实例（5）调整模型。在设定好工艺参数后，可以对模型进行进一步的调整，比如复制或移动/删除模型。此时可以在"Edit"菜单进入，也可以在模型右侧的模型树点击右键，弹出的快捷菜单，如图7.49所示，选择”copy”，可以将模型复制多个进行制造，选择”rename”可给零件重新命名，选择"MovePart”可对零件进行移动，弹出图7.50的移动参考量设置。7.5工程实例图7.49调整模型界面17.5工程实例图7.50调整模型界面27.5工程实例（6）进入设备界面。点击当前软件界面右上角的”MCasting”按钮，进入设备设置及监控状态，如图7.51。设备工作界面新增了"Machine"菜单，中间的设备监控区，以及右侧的设备状态指示区，下边的设备状态区，当前状态为工作概览状态。点击"MachineControl”后，进入设备控制区，如图7.52，可在未来工作中调整抽气量，供粉量，以及刮刀速度等。7.5工程实例图7.51设备设置界面17.5工程实例图7.52设备设置界面27.5工程实例（7）设备初始化。设备初始