第4章 选区激光熔化工艺及材料

Nantong Institute of Technology
4.3 成型系统
4.3.2 激光器
激光器是SLM设备提供能量的核心功能部件，直接决定SLM零件的成型质量。 SLM设备主要采甩光纤激光器，光束直径内的能量呈髙斯分布。光纤激光器指用掺稀 土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂 光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从反射镜M1入射到光纤中；从反射镜 M2输出激光。具有工作效率髙、使用寿命长和维护成本低等特点。主要工作参数有激 光功率、激光波长、激光光斑、光束质量等。
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3D打印成型工艺及材料
第4章选区激光熔化工艺及材料
3D打印技术研究所
第4章 选区激光熔化工艺及材料 Nantong Institute of Technology
1
概述
2
成型原理及工艺
3
成型系统
4
成型材料
5
成型影响因素
6
典型应用
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sPro 250商用3D打印机
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4.2 成型原理及工艺
4.2.1 成型原理
选区激光熔化（SLM）成型技术的工作原理与选区 激光烧结（SLS）类似。其主要的不同在于粉末的结合方 式不同，SLS是通过低熔点金属或粘结剂的熔化将高熔点 的金属或非金属粉末粘结在一起，SLM技术是将金属粉 末完全熔化，因此其要求激光功率密度要大大高于SLS。
在SLM成型过程中，提高粉末的成型性，就必须提高液态金属的润湿性。在成 型过程中，若液态金属成球，则说明液态金属的润湿性不好。液态金属对固体金属 的润湿性受工艺参数的影响，因此可优化工艺参数来提高特定粉末的润湿能力。
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4.2 成型原理及工艺
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4.2 成型原理及工艺
4.2.3 工艺特点
缺点：
（1）由于激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制， SLM设备能够成型的零件尺寸范围有限；
（2）由于使用到高功率的激光器以及高质量的光 学设备，机器制造成本高，目前国外设备售价居高不 下；
（3）由于使用了粉末材料，成型件表面质量差， 产品需要进行二次加工，才能用于后续的工作；
为实现金属粉末瞬间熔化，需要高功率密度的激光 器，并且光斑聚焦至几十微米，SLM技术目前都选用光 纤激光器，激光功率从50W到400W，功率密度达 5×106W/cm2以上。
SLM技术成型效果图
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4.2 成型原理及工艺
4.2.1 成型原理
4.2.3 工艺特点 优点：
（1）能将CAD模型直接制成终端金属产品，只需要简单的后处理或表面处理工艺。 （2）适合各种复杂形状的工件。 （3）致密度几乎能达到100％，机械性能与锻造工艺所得相当。 （4）获得的金属零件具有很高的尺寸精度以及很好的表面粗糙度值。 （5）能以较低的功率熔化高熔点金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能， 而且可供选用的金属粉末种类也大大拓展了。 （6）能采用钛粉、镍基高温合金粉进行直接加工，解决在航空航天中应用广泛的、组织均 匀的高温合金零件复杂件加工难的问题；还能解决生物医学上组分连续变化的梯度功能材料的 加工问题。
（4）加工过程中，容易出现球化和翘曲。
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4.3 成型系统
SLM的核心器件包括主机、激光器、光路传输系统等几个部分。
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4.3 成型系统
4.3.1主机
主机是构成SLM设备的最基本部件。从功能上分类，主机又由机架(包括各类支 架、底座和外壳等）、成型腔、传动机构、工作/粉缸、铺粉机构和气体净化系统 等部分构成。
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4.1 概述
德国EOSGmbH公司现在已经成为全球最大同时 也是技术最领先的选区激光熔化增材制造系统的制 造商。近年来，EOS公司的EOSINT M280增材制造 设备是该公司最新开发的SLM设备，采用了“纤维 激光”的新系统，可形成更加精细的激光聚焦点以 及很高的激光能量，可以将金属粉末直接烧结而得 到最终产品，大大提髙了生产效率。
4.1 概述
选区激光熔化技术思想来源于SLS技术并在其基础 上得以发展，但它克服了SLS技术间接制造金属零部件 的复杂工艺难题。得益于计算机的发展及激光器制造 技 未 的 逐 渐 成 熟 ， 德 国 Fraunhofer 激 光 技 术 研 究 所 （Fraunhofer Institute for Laser Technology，FILT）最 早深入的探索了激光完全熔化金属粉末的成型，并于 1995年首次提出了SLM技术。在其技术支持下，德国 EOS公司于1995年底制造了第一台设备。随后，英国、 德国、美国等欧美众多公司开始相关研究。
EOSINT M280设备
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4.1 概述
美国3D Systems公司推出了sPro 250 SLM商用3D 打印机，使用高功率激光器，根据CAD数据逐层熔化 金属粉末，以创建功能性金属部件。该3D打印机能够 提供长达320mm（12.6英寸）的工艺金属零件的成型， 零件具有出色的表面光洁度、精细的功能性细节与严 格的公差。
SLM技术原理图
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4.2 成型原理及工艺
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4.2.2 成型工艺
为了保证金属粉末材料的快速熔化，SLM技术需要高功率密度激光器，光斑聚 焦到几十μm到几百μm。SLM技术目前最常使用光束模式优良的光纤激光器，其激光 功率在50w以上，功率密度达5×106W/cm2以上。在高激光能量密度作用下，金属粉 末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此 过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。
成型原理：首先，通过切片软件对三维模型进 行切片分层，把模型离散成二维截面图形，并规划 扫描路径，再转化成激光扫描信息。扫描前，刮板 将送粉升降器中金属粉末均匀平铺到激光加工区， 随后计算器根据激光扫描信息控制扫描振镜偏转， 有选择性的将激光束照射到加工区，得到当前二维 截面的二维实体，然后成型区下降一个层厚，重复 上述过程，逐层堆积得到产品原型。