3D打印与数字化设计 课件 07SLM增材制造

SLM选区激光熔化制造技术内容回顾1.SLS打印的成形原理是什么？2.什么是烧结？有哪几种类型？知识回顾内容回顾能不能利用完全熔化现象实现3D打印成形呢？课前讨论SLM3D打印选区激光熔化制造技术（SelectiveLaserMelting，简称SLM）。SLM是将激光的能量转化为热能使金属粉末成型，其主要区别在于SLS在制造过程中，金属粉末并未完全熔化，而SLM在制造过程中，金属粉末加热到完全熔化后成形。SLM技术可直接制造精密复杂的金属零件，是增材制造技术的主要发展方向。1SLM技术简介SLMSLM3D打印SLM技术由德国亚琛的弗劳恩霍夫激光研究所于1995年首次提出，克服了SLS技术制造金属零件过程复杂的困扰。德国的EOS、ConceptLaser以及SLMSolutions公司是该技术领域的专家。第一台SLM设备由德国MCP-HEK公司于2003年底推出，采用100W固体光纤激光器，加工层厚可精确可达到30μm,大大提高了成形精度，加工件表面精度好。1995年，西北工业大学黄卫东教授团队开始了金属3D打印的研究，取得了许多重大成果。他在西安成立的3D打印企业西安铂力特公司在金属制造领域全国领跑。1SLM技术简介交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印SLM技术的工艺原理是利用激光的高能光束对材料有选择地扫描，使金属粉末吸收能量后温度迅速升高，发生熔化并接着进行快速固化，实现对当前层金属粉末材料的激光加工。之后活塞使工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已成型的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行激光熔化，与前一层截面粘结，此过程逐层循环直至整个物体成型。SLM的整个加工过程在惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下氧化。工艺原理3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印3技术原理结构演示交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印过程演示3技术原理激光与金属材料作用时，激光能量可分为三大部分：反射的能量、吸收的能量、传递的能量交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印熔化过程部分金属粉末表面局部熔化而粘结相邻的粉末，从而形成微熔粘结的特征。金属粉末吸收能量进一步的增加，当熔化的金属粉末达到一定数量以后形成金属熔池，随着激光束的移动，在以体积力和表面力为主的驱动下，熔池内的熔体呈现为相对流动；熔池中熔体的对流一方面加快了金属传热，另一方面也能将周围的固体粉末粘结起来，使其进入熔池内部而熔化。沿激光移动方向，前方金属不断熔化，后面金属不断凝固，伴随激光束的运动，光束路径内逐步形成凝固的连续金属线条，实现成形！3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印球化现象球化现象是指金属粉末在熔化成形时，熔化的金属材料由于较大的粘流梯度，不浸润下层的固体，熔体在表面张力作用下变成球状的现象。3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印球化现象球化现象不利于SLM成形过程和质量控制：一方面使成形层留有大量孔隙，强度较低，影响零件的致密度和成形质量；另一方面妨碍下一粉末层的铺放，不利于成形的顺利进行。3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印球化现象球化现象改善方法：多元系材料，使用具有不同化学性质的粉末混合料；铝粉和铅粉起球现象最为明显，铁粉起球现象不是很明显，球化颗粒也较小，采用惰性气体保护加工时，球化现象明显减弱；改变工艺参数,适当调整激光功率、扫描速度、扫描间隔、铺粉厚度、保护气氛等工艺参数可以明显弱化甚至消除球化现象；3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印工艺参数激光功率主要影响激光作用区域内的能量密度。激光功率越高，激光作用范围内激光的能量密度越高，相同条件下，材料的熔融也就越充分，越不易出现粉末夹杂等不良现象，熔化深度也逐渐增加。反之，易产生或加剧粉末材料的剧烈汽化或飞溅现象，形成多孔状结构，致使表面不平整，甚至翘曲变形。3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印工艺参数扫描速度影响单层成形截面的表面质量。高功率快速扫描时，表面粗糙是熔池中的对流造成的，而对流是熔池温度梯度所引起的表面张力梯度所致。低速扫描会增加熔池驻留时间，减弱温度梯度、表面张力梯度及对流强，使粉末熔化充分，从而得到较好的表面粗糙度。但速度太低时，粉末吸收能量增加，会在表面产生明显的波纹状影响表面的质量。3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印工艺参数扫描间距扫描间距是指相邻两激光束扫描行之间的距离。直接影响到传输给粉末能量的分布、成形体的精度。一般情况下，扫描间距小于金属粉末的熔融宽度。扫描间距过小，扫描线重叠严重，相邻区域的部分金属重复熔化，导致粉末熔化成形效率降低，制件产生翘曲和收缩缺陷，甚至引起材料的汽化、变形。3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印工艺参数铺粉厚度每层粉末的厚度等于工作平台下降一层的高度，即层厚，在工作台上铺粉末的厚度应等于层厚。当要求较高的表面精度或产品强度时，层厚应取较小值。厚度越小，层与层结合强度越高，产品强度越高，表面质量越好，但是会导致打印效率下降、成形的总时间成倍增加。3技术原理交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印问题思考SLM工艺参数跟使用的材料有关还是设备有关呢？SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLS是激光烧结，所用的金属材料是单一或混合粉末，在加工的过程中低熔点的材料熔化但高熔点的金属粉末是不熔化的。利用被熔化的材料实现黏结成型，所以实体力学性能差，部分零件要使用的话还要经过高温重熔。SLM是选择性激光熔化，顾名思义也就是在加工的过程中用激光使粉体完全熔化，不需要黏结剂，成形的精度和力学性能都比SLS要好。但这个过程也需要消耗更多的能量。4.SLS与SLMSLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM工艺一般需要添加支撑结构，其主要作用体现在：承接下一层未成型粉末层，防止激光扫描到过厚的金属粉末层，发生塌陷；由于成型过程中粉末受热熔化冷却后，内部存在收缩应力，导致零件发生翘曲等，支撑结构连接已成型部分与未成形部分，可有效抑制这种收缩，能使成型件保持应力平衡。4.SLS与SLM交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课SLM3D打印主要分为三类，分别是混合粉末、预合金粉末、单质金属粉末。1.混合粉末。混合粉末由一定比例的不同粉末混合而成。现有的研究表明，利用SLM成形的构件机械性能受致密度、成形均匀度的影响，目前混合粉的致密度还有待提高；2.预合金粉末。根据成分不同，可以将预合金粉末分为镍基、钴基、钛基、铁基、钨基、铜基等，研究表明，预合金粉末材料制造的构件致密度可以超过95%；3.单质金属粉末。一般单质金属粉末主要为金属钛，其成型性较好，致密度可达到98%。5.SLM材料SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课4231SLM技术适合加工形状复杂的零件，尤其是具有复杂内腔结构和具有个性化需求的零件，适合小批量生产。SLM成型的金属零件致密度高，可达90%以上；抗拉强度等机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平。显微维氏硬度可高于锻件；由于是打印过程中完全融化，因此尺寸精度较高；与传统减材制造相比，可节约大量材料。6.SLM工艺特点优点SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课0102030405缺点成型速度较低，为了提高加工精度，需要用更薄的加工层厚。加工小体积零件所用时间也较长，因此难以应用于大规模制造；设备稳定性、可重复性还需要提高；表面粗糙度有待提高；整套设备昂贵，熔化金属粉末需要比SLS更大功率的激光，能耗较高；SLM技术工艺较复杂，需要加支撑结构，考虑的因素多。因此多用于工业级的增材制造。6.SLM工艺特点SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课7.SLM工艺应用SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课7.SLM工艺应用SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课左图所示为金属打印出的汽缸盖，对比传统铸造产品，组大的特点是内部疏松多孔，在不影响功能的前提下，极大减轻了汽缸盖的重量。体现出3D打印在产品的轻量化设计方面具有的重要意义。7.SLM工艺应用SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课7.SLM工艺应用SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课成型材料：不锈钢、模具钢、钛合金、铝合金、钴铬合金、镍合金、铜等。激光类型：光纤激光器；波长：1064nm；激光器功率：≥500W。涂铺方式：刮刀双向铺粉；正常层厚：0.05mm；精密制作层厚：0.02~0.05mm。制作缸标准容积：约25L；制作缸体积：≥280mmX280mmX350mm；最大制件重量：50kg；加热类型：精密电阻丝加热；零件扫描速度：1.0~4.0m/s（推荐）；参考制作速度：4~20cm3/h。保护气体：氮气、氩气；安装条件电源：200~240VAC50/60Hz,单相,25Amps；设备尺寸：1.70m(W)31.40m(D)32.20m(H)（未计电脑架）；SLM3D打印交流研讨明确任务知识详解总结拓展引入新课材料价格制作时间特点和适用范围备注PC材料3元/克根据样件结构和大小而定，具体制作时间要根据图纸上机后得出对强度要求较高的结构件，表面相对粗糙。类传统PC材料属性，多用于汽车零部件小批量制造。普通树脂材料（类ABS）1.2元/克表面光滑，精度高，用于外观验证，非承重件制作可做大件，一体成型或者拼接，拼接强度影响较小，表面上色后看不出拼接痕迹。一体成型使用大型快速成型机，价格为普通机器的二倍。高韧树脂材料（类ABS）1.8元/克表面光滑，精度高，韧性好，用于外观验证，结构件，轻度承重件制作可做大件，一体成型或者拼接，拼接强度影响较小，表面上色后看不出拼接痕迹。一体成型使用大型快速成型机，价格为普通机器的二倍。尼龙材料（PA）3元/克耐高温，强度佳，韧性好，用于结构件，承重件的制作大型尼龙机器价格翻倍，成型尺寸为700*700*600MM尼龙+玻纤材料（PA+GF）8元/克耐高温，强度高，韧性一般，用于结构件，承重件的制作大型尼龙机器价格翻倍，成型尺寸为700*700*600MM铝10元/克同铸造铝件，性能99%类似需要STP、STL文件不锈钢5元/克同铸造不锈钢件，性能99%类似需要STP、STL文件模具钢6元/克同铸造模具钢件，性能99%类似需要STP、STL文件钛合金50元/