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选择性激光熔化技术的应用分析

发布时间:2019-06-25 18:26:51

导语选择性激光熔融(SLM)技术由德国Froounholfer 研究 院于1995年首次提出,工作原理与SLS相似。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

选择性激光熔融(SLM)技术由德国Froounholfer 研究 院于1995年首次提出,工作原理与SLS相似。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型。

 

SLM工作流程为,打印机控制激光在铺设好的粉末上方选择性地对粉末进行照射,金属粉末加热到完全熔化后成型。然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。

 

SLM技术打印过程



激光按当前薄层的轮廓线选区熔化粉末



新一层粉末铺撒在当前层后,逐层熔化



获得最终成品

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,成型的精度和力学性能都比SLS要好。然而因为SLM没有热场,它需要将金属从20摄氏度的常温加热到上千度的熔点,这个过程需要消耗巨大的能量。


 优势&技术限制

 

SLM主要优点:

 

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。

 

SLM技术限制:

 

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。

 

SLM过程中,金属瞬间熔化与凝固,温度梯度很大,产生极大的残余应力,如果基板刚性不足则会导致基板变形。因此基板必须有足够的刚性抵抗残余应力的影响。去应力退火能消除大部分的残余应力。

 

工件残余应力过大,基板刚性不足导致的基板变形。

 

SLM应用

 

SLM材料

 

可用于SLM技术的粉末材料主要分为三类,分别是混合粉末、与合金粉末、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成型的构件机械性能受致密度、成型均匀度的影响,而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%。

 

用于3D打印的金属粉末

 

目前SLM技术主要应用在工业领域,在复杂模具、个性化医学零件、航空航天和汽车等领域具有突出的技术优势。

 

航空航天

 

美国航天公司SpaceX开发载人飞船SuperDraco的过程中,利用了SLM技术制造了载人飞船的引擎。SuperDraco引擎的冷却道、喷射头、节流阀等结构的复杂程度非常之高,3D打印很好地解决了复杂结构的制造问题。SLM制造出的零件的强度、韧性、断裂强度等性能完全可以满足各种严苛的要求,使得SuperDraco能够在高温高压环境下工作。

 

利用SLM技术打印的航天零件

 

汽车

 

在3D打印技术众多的应用领域中,汽车 行业 是3D打印技术最早的应用者之一。利用SLM技术制造的汽车金属零件,在降低成本、缩短周期、提高工作效率、生产复杂零件等方面具有优势,能够使车身设计、结构、轻量化等性能更优异。


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