DLF与SLM激光快速成型方法的比较

DLF与SLM激光快速成型方法的比较激光直接制造(Direct Laser Fabrication，DLF)技术与选择性激光熔化(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，具有广泛的研究与发展前景。

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CAD模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与SLM两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与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 Prototyping，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CAD软件(如UG，Pro ／E，Solidworks)生成所需制造零件的三维CAD模型，并转换成STL 格式；再利用切片技术将吼格式的CAD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 Nomencal Control，CNC)工作台指令；激光束在CNC指令控制下进行扫描加工，将加工原料进行熔覆，生成与这一层形状、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CAD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。

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

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工完成。

2 DLF与SLM的比较研究

2．1 DLF与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△日与z轴增量有很大的关系，因为Z轴增量决定了聚焦透镜与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=900mm／min条件下的单道

熔覆高度测量值为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、分析其与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成型高

度误差(△H)与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—0．10mm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0．16mm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.

图3 z轴增量与成型高度误差的关系

从图3可以看出，以0．04mm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)，与设计值进行比较，结果如表1所示。

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

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，与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与SLM成型金属零件力学性能的比较本文主要从拉伸强度与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与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％

表3 DLF与SLM成型件力学性能实验结果

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

为：

式中：以为金属材料的硬度；Hi、K分别为与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与SLM成型金属零件组织结构的比较