DLF與SLM激光快速成型方法的比較.doc

1、 dlf與slm激光快速成型方法的比較 激光直接制造(direct laser fabrication，dlf)技術(shù)與選擇性激光熔化(selective laser melting，slm)技術(shù)是目前較為成熟和先進的激光快速成型技術(shù)，涉及機械、材料、激光、計算機和自動控制等多學(xué)科領(lǐng)域，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展多學(xué)科交叉的特點，具有廣泛的研究與發(fā)展前景。 dlf技術(shù)是基于激光快速成型的“離散一堆積”、“添加式制造”的基本概念和激光熔覆技術(shù)而發(fā)展起來的金屬零件全密度全功能快速直接制造技術(shù)。其實質(zhì)是利用送粉式激光熔覆逐點、逐層沉積，實現(xiàn)三維任意形狀高性能金屬零件的近凈成型。 slm技術(shù)是以選擇性激光燒

2、結(jié)(selective iasersinter，sls)技術(shù)為基礎(chǔ)，基于快速成型的最基本思想，即逐層熔覆的“增量”制造方式，根據(jù)三維cad模型直接成型具有特定幾何形狀的零件，成型過程中金屬粉末完全熔化，產(chǎn)生冶金結(jié)合。它是快速成型技術(shù)的最新發(fā)展。 本文采用dlf與slm兩種激光快速成型技術(shù)進行一系列實驗，根據(jù)實驗結(jié)果，比較分析兩種快速成型方法在成型精度和效率、成型件力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)等方面的異同，為激光快速成型方法的選擇提供一定的技術(shù)依據(jù)。 1 dlf與slm激光快速成型技術(shù)的原理 11 dlf激光快速成型技術(shù)的原理 dlf技術(shù)是將快速成型(rapid prototyping，rp)技術(shù)和激光熔

3、覆技術(shù)相結(jié)合，以激光作為加工能源，以金屬粉末為加工原料，在金屬基板上逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。dlf快速成型技術(shù)的基本原理哺1如圖1所示，先利用三維cad軟件(如ug，proe，solidworks)生成所需制造零件的三維cad模型，并轉(zhuǎn)換成stl格式；再利用切片技術(shù)將吼格式的cad模型按照一定的層厚進行分層切片，提取每一層切片所產(chǎn)生的輪廓；然后根據(jù)切片輪廓設(shè)計合理的掃描路徑，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的計算機數(shù)字控制(computer nomencal control，cnc)工作臺指令；激光束在cnc指令控制下進行掃描加工，將加工原料進行熔覆，生成與這一層形狀、尺寸一致的熔覆層。完成這一

4、過程后，聚焦鏡、同軸送粉噴嘴等整體上移(或工作臺下移)一個層厚的高度，并重復(fù)上述過程，如此逐層熔覆堆積直到形成cad模型所設(shè)計的形狀，加t出所需的金屬零件為提高表面質(zhì)量和避免加工缺陷，加工過程可在氣體保護下進行。 圖1 dlf快速成型技術(shù)的基本原理 12 slm激光快速成型技術(shù)的原理 slm快速成型技術(shù)的基本原理如圖2所示 圖2 slm快速成型技術(shù)的基本原理在制造過程中，鋪粉裝置按設(shè)定的層厚將金屬粉末均勻地鋪設(shè)在基板上；激光在振鏡控制下對需要熔化的區(qū)域進行掃描熔化；然后，基板下降一個層厚，重復(fù)下層的加工，如此往復(fù)，金屬零件一層層地被加工完成。2 dlf與slm的比較研究21 dlf與slm成型

5、精度的比較由于dlf激光快速成型是采用開環(huán)控制，屬于自由成型，所以實際成型高度誤差日與z軸增量有很大的關(guān)系，因為z軸增量決定了聚焦透鏡與制造工件之間的垂直距離，其大小直接影響到激光光斑的大小，進而影響激光能量密度的大小。在切片層厚t=004nun、功率p=200w、送粉量m=42smin、掃描速度v=900mmmin條件下的單道熔覆高度測量值為0056mm，在此丁藝參數(shù)條件下，分別利用不同的z軸增量，加工100層，測量其最終成型高度，并計算、分析其與高度設(shè)計值之間的差值。多層熔覆高度的實際值和設(shè)計值的差即成型高度誤差(h)與z軸增量的關(guān)系如圖3所示，從圖3中可以看出，當z軸增量在0。03010

6、mm之間變化時，日較小，其中當z軸增量為004mm時，成型實際高度為41mln，加工100層后日值最小為01mm。分析原因為：在進行多層熔覆時，如果z軸增量等于實際每層熔覆層的高度，聚焦透鏡和工件之問的距離可以保持恒定，從而保證了光斑大小在t件表面始終不變，即保證了激光能量密度不變，此時的z軸增量為最佳值。當z軸增量超過016mm時，則根本無法形成薄壁形狀。所以此成型參數(shù)下的最佳z軸增量值為004. 圖3 z軸增量與成型高度誤差的關(guān)系從圖3可以看出，以004mm的切片層厚進行加工，每100層高度誤差為01mm，相對誤差達到25。利用圖4所示的零件進行slm激光快速成型精度的研究。其成型零件實物

7、如圖5所示，測量其長、寬、高的實際尺寸數(shù)值(取三次測量值的平均值)，與設(shè)計值進行比較，結(jié)果如表1所示。 圖4 slm快速成型精度研究零件 圖5 slm快速成型金屬零件實物 表1 slm快速成型件尺寸誤差測量結(jié)果從表1可知，7個尺寸誤差的平均值為0011mm，相對誤差為11。研究結(jié)果表明，slm快速成型技術(shù)的制造精度比較高。dlf快速成型方法，在z軸方向上加工誤差較大，加工精度較低，與dlf相比，slm在零部件的制造精度方面具有明顯的優(yōu)勢。22 dlf與slm成型金屬零件力學(xué)性能的比較本文主要從拉伸強度與顯微硬度兩個方面分析、比較兩種方法成型件的力學(xué)性能。實驗材料配方見表2。dlf與slm成型件

8、的力學(xué)性能實驗結(jié)果如表3所示。 表2實驗材料配方 表3 dlf與slm成型件力學(xué)性能實驗結(jié)果從表3可以看出，dlf成型技術(shù)所制備的金屬零件在拉伸強度方面要優(yōu)于slm，但在顯微硬度方面要低于slm，主要原因為：在非加工硬化的條件下，金屬材料的硬度和平均晶粒大小有關(guān)，其關(guān)系式可以表示為：式中：以為金屬材料的硬度；hi、k分別為與硬度測量有關(guān)的適當常數(shù)；d為平均晶粒直徑。由于用slm成型技術(shù)加工零件的掃描速度要大大高于dlf，所以組織晶粒細小，故硬度較高。但總體來說，兩種方法的成型件在力學(xué)性能方面均優(yōu)于普通的奧氏體不銹鋼。23 dlf與slm成型金屬零件組織結(jié)構(gòu)的比較利用dlf與slm技術(shù)制造金相試

9、樣，并進行sem掃描，金相組織如圖6、圖7所示。 圖6 dlf成型件金相組織 圖7 sial成型件金相組織從圖6a和圖7a可以看出，兩種方法激光掃描路徑清晰可見，dlf與slm均為層疊式制造，由于重熔影響，重熔區(qū)的晶粒較粗大，且破壞了定向凝固特征，因此層與層之間具有明顯的分層現(xiàn)象。從圖6b和圖7b可以看出，dlf與slm成型件金相組織的高倍形貌均為枝狀晶，定向凝固特征明顯，晶粒生長方向均為溫度梯度大的方向，即基板法線方向的相反方向。dlf與slm成型件的組織結(jié)構(gòu)基本相同，且成型后的物相均為奧氏體，與成型前的粉末物相相同。24 dlf與slm成型效率的比較以20ram×20mm

10、5;10mm長方體為例，分析比較dlf與slm快速成型的加工效率。根據(jù)本文第21所述結(jié)論，即z軸增量為004ram時，成型高度誤差最小，故按004mm對長方體進行分層切片，加工工藝參數(shù)如表4所示，加工時間對比如表5所示。 表4 dlf與slm快速成型加工工藝參數(shù)由表5可知：在相同切片層厚條件下，slm成型所花費時間與dlf成型所花時間的比值為226377=06，由此可見slm激光快速成型技術(shù)較dlf技術(shù)在加t效率方面有很大的提高。但當層厚大時，dlf成型的切片效率要高于slm。25 dlf與slm快速成型技術(shù)的應(yīng)用比較由于dlf采用的是送粉方式，而slm采用的是鋪粉方式，故slm所加工零件的復(fù)

11、雜程度要高于dlf技術(shù)成型件。因此，dlf一般用于粗加工制造毛坯件，或應(yīng)用于零件的修復(fù)方面；而slm快速成型技術(shù)則可以用于精密、復(fù)雜和小型零件的制造。3 結(jié)語通過對dlf與slm兩種快速成型技術(shù)的分析比較得出以下結(jié)論：1) 在成型精度方面，slm要優(yōu)于dlf技術(shù)；2) 在成型件的力學(xué)性能方面，兩者都具有較高的性能，均優(yōu)于普通不銹鋼；3) 在組織性能方面，slm與dlf基本上是相同的；4) 在成型效率方面，如果切片層厚相同，slm的成型效率要高于dlf；5)在應(yīng)用場合方面，dlf主要用于粗加工或零件修復(fù)等方面，而slm可用于精密、復(fù)雜零件的制造。sls和sla兩種快速成型的對比激光快速成型在制作手板模型的應(yīng)用上，主要有兩種加工方式，分別為sls（激光選區(qū)燒結(jié)法）快速成型系統(tǒng)和sla（光固化成型法）快速成型系統(tǒng)兩種方式。 sls和sla快速成型之間的區(qū)別和相同點分析： 兩者原理都是非常相似的。前者所用的材質(zhì)是粉末狀的物質(zhì)，而后者所采用的一種液態(tài)形狀的光敏樹脂，所以前者比后者的優(yōu)點在于，凡是可以溶解的所有粉末狀的物質(zhì)，都是可以用來制造原型或者模型的，所制造出來的產(chǎn)品都是可以用作產(chǎn)品的首樣測試和結(jié)構(gòu)組裝件的。所以sls可以利用