3D打印增材制造技術(shù) 課件 【ch05】粉末床熔融增材制造技術(shù)

第五章粉末床熔融增材制造技術(shù)高等學(xué)校動(dòng)畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計(jì)造型基礎(chǔ)01選擇性激光燒結(jié)技術(shù)PARTONE選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，SLS)技術(shù)是一種利用激光有選擇地?zé)Y(jié)粉末形成三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段，最初是由美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究生CRDechard提出，并于1989年獲得了第一個(gè)專利(US4863538B)，在此專利的基礎(chǔ)上，美國(guó)DTM公司(現(xiàn)已并入美國(guó)3DSystems公司)推出Interstation2000系列商品化選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)。目前，SLS技術(shù)已經(jīng)解決了傳統(tǒng)加工方法中的許多難題，并在汽車、造船、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)人們的生活生產(chǎn)方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。SLS技術(shù)是一種以激光為熱源燒結(jié)粉末材料成型的快速成型技術(shù)。從理論上來(lái)說(shuō)，任何受熱后能夠黏結(jié)的粉末均可作為SLS技術(shù)燒結(jié)的原料，包括高分子、陶瓷、金屬粉末和它們的復(fù)合粉末。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基本原理1SLS技術(shù)采用的是材料的離散和堆積的原理，以固體粉末材料直接成型三維實(shí)體零件不受零件形狀復(fù)雜程度的限制，不需要任何的工裝模具和支撐。首先，在計(jì)算機(jī)中，利用三維實(shí)體造型軟件建立要加工零件的三維模型，并用分層切片軟件對(duì)模型進(jìn)行處理，得到不同高度上截面的輪廓信息。其次，成型時(shí)，先在工作臺(tái)上用輥筒鋪一層粉末材料，并將其加熱至略低于它的熔點(diǎn)的溫度。最后，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對(duì)制件實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行掃描，使粉末的溫度升至熔點(diǎn)，熔化粉末顆粒交界處的粉末相互黏結(jié)，逐步形成各層輪廓。在非燒結(jié)區(qū)的粉末仍呈松散狀，作為工件和下一層粉末的支撐。一層成型完成后，工作臺(tái)先下降一截面層的高度，再進(jìn)行下一層的鋪料和燒結(jié)，如此循環(huán)，最終完成三維工件。圖5-1所示為SLS技術(shù)的工藝原理圖。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)21.燒結(jié)原料高分子粉末材料由于所需燒結(jié)能量小、燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單、模型質(zhì)量好，已成為廣泛應(yīng)用的SLS成型的原材料。SLS術(shù)所用高分子粉末材料應(yīng)具有粉末結(jié)塊溫度低、收縮小、內(nèi)應(yīng)力小、強(qiáng)度高、流動(dòng)性好等特點(diǎn)。高分子粉末材料最早在SLS技術(shù)中得到應(yīng)用，也是目前應(yīng)用最多、最成功的SLS材料目前，已用于SLS技術(shù)的高分子粉末材料主要是熱塑性高分子及其復(fù)合材料，熱塑性高分子又可分為非結(jié)晶性和結(jié)晶性兩種，其中非結(jié)晶性高分子包括聚碳酸酷(PC)、聚烯(PS).高抗沖聚乙烯(HIPS)等，結(jié)晶性高分子有尼龍(PA)聚丙烯(PP)高密度聚乙烯(HDPE)聚瞇酥酮(PEEK)等。目前，常見的高分子粉末材料有聚苯乙烯(PS)、尼龍(PA)、尼龍與玻璃微球的混合物聚碳酸(PC)、聚丙烯(PP)蠟粉等。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)21.燒結(jié)原料熱塑性聚合物黏結(jié)劑材料有兩類，一類是無(wú)定型，另一類是結(jié)晶型。無(wú)定型材料分子鏈上分子的排列是無(wú)序的,如PC材料;結(jié)晶型材料分子鏈上分子的排列是有序的，如尼龍(PA)材料。用于SLS技術(shù)的高分子粉末材料一般由高分子基體材料、抗氧劑、光吸收劑、分散劑無(wú)機(jī)填料等組成，其中高分子基體材料是影響SLS制件性能的關(guān)鍵因素，其他助劑的添加可以使高分子粉末材料更符合燒結(jié)要求、調(diào)節(jié)燒結(jié)加工性能等，保證燒結(jié)件的質(zhì)量與燒結(jié)過(guò)程的順利進(jìn)行。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)22.工藝過(guò)程高分子粉末材料激光燒結(jié)快速成型制造工藝過(guò)程同樣分為前處理、粉層激光燒結(jié)疊加及后處理過(guò)程三個(gè)階段。(1)前處理

前處理階段主要完成模型的三維CAD造型，并經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入粉末激光燒結(jié)快速成型系統(tǒng)中。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)22.工藝過(guò)程(2)粉層激光燒結(jié)疊加首先，在制作過(guò)程中，為確保制件燒結(jié)質(zhì)量，減少翹曲變形，應(yīng)根據(jù)截面變化相應(yīng)地調(diào)整粉料預(yù)熱的溫度。對(duì)于聚苯乙烯高分子粉末材料，成型空間一般需要預(yù)熱到100C左右。在預(yù)熱階段，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行制作方位的確定，當(dāng)擺放方位確定后，將狀態(tài)設(shè)置為加工狀態(tài)。然后設(shè)定建造工藝參數(shù)，如層厚、激光掃描速度和掃描方式、激光功率、燒結(jié)間距等當(dāng)成型區(qū)域的溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，便可以啟動(dòng)制作了。所有疊層自動(dòng)燒結(jié)疊加完畢后，需要將模型在成型缸中緩慢冷卻至40C以下，取出模型并進(jìn)行后處理。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)22.工藝過(guò)程(3)后處理激光燒結(jié)后的聚苯乙烯成型件，強(qiáng)度很弱，需要根據(jù)使用要求進(jìn)行滲蠟或滲樹脂等操作進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。燒結(jié)成型件經(jīng)不同的后處理工藝具有以下功能：

①結(jié)合滲樹脂工藝，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，可作為成型件及功能零件。②經(jīng)滲蠟后處理，可作為精鑄蠟?zāi)Ｊ褂?，通過(guò)熔模精密鑄造，生產(chǎn)金屬鑄件。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)31.燒結(jié)原料陶瓷粉末材料由于其具有加工溫度高、制件硬度大等優(yōu)點(diǎn)，可用于制作耐高溫的特種功能件。但是陶瓷粉末材料由于燒結(jié)溫度高，導(dǎo)熱性能差，在激光束作用的極短時(shí)間內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)粉末間的熔融黏結(jié)，因此只能通過(guò)將陶瓷粉末和黏結(jié)劑混合后再燒結(jié)來(lái)制備陶瓷基功能件。目前，常用的陶瓷粉末材料主要有四類:直接混合黏結(jié)劑的陶瓷粉末、表面覆膜的陶瓷粉末、表面改性的陶瓷粉末、樹脂砂。

常用的黏結(jié)劑有無(wú)機(jī)黏結(jié)劑、有機(jī)黏結(jié)劑和金屬黏結(jié)劑。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)32.工藝過(guò)程1)燒結(jié)成型陶瓷粉末(或混合體粉末)經(jīng)過(guò)選擇性激光燒結(jié)后只形成了模型或零件的壞體，這種壞體還需要進(jìn)行后處理以進(jìn)一步提高其力學(xué)性能和熱學(xué)性能。2)靜置

金屬或陶瓷粉末等經(jīng)過(guò)激光燒結(jié)后，應(yīng)靜置5~10h。3)取出模型

待模型壞體緩慢冷卻后，用刷子刷去表面粉末露出加工部件，其余殘留的粉末可用壓縮空氣除去。常使用的工具是鐵刀和砂紙，一般手工完成。某些情況下金屬模型件也使用打磨機(jī)、砂輪機(jī)、噴砂機(jī)等設(shè)備。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)34）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬(1)高溫?zé)Y(jié)。金屬和陶瓷坯體均可用高溫?zé)Y(jié)的方法進(jìn)行處理。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，坯體內(nèi)部孔隙減少，密度、強(qiáng)度增加，其他性能也得到改善。高溫?zé)Y(jié)后由于內(nèi)部孔隙減少會(huì)導(dǎo)致體積收縮，影響制件的尺寸精度。同時(shí)，在高溫?zé)Y(jié)后處理中，要盡量保持爐內(nèi)溫度梯度均勻分布。如果爐內(nèi)溫度梯度分布不均勻，那么可能造成制件各個(gè)方向的收縮率不一致，使制件翹曲變形，在應(yīng)力集中點(diǎn)還會(huì)使制件產(chǎn)生裂紋和分層。2.工藝過(guò)程5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)3(2)熱等靜壓后處理熱等靜壓后處理工藝是通過(guò)流體介質(zhì)將高溫和高壓同時(shí)均勻地作用于還體表面，消除其內(nèi)部氣孔，提高密度和強(qiáng)度，并改善其他性能。熱等靜壓后處理可使制件非常致密，這是其他后處理方法難以實(shí)現(xiàn)的，但制件的收縮率也較大。2.工藝過(guò)程4）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)3(3)熔浸熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一種低熔點(diǎn)的液體金屬接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓金屬填充制件內(nèi)部的孔隙，冷卻后得到致密的零件。熔浸過(guò)程依靠金屬液在毛細(xì)力作用下濕潤(rùn)零件，液態(tài)金屬沿著顆粒間孔隙流動(dòng)，直到完全填充孔隙為止。為獲得足夠的強(qiáng)度(或密度)，又希望收縮和變形很小，可采用熔浸的方法對(duì)選擇性激光燒結(jié)的壞體進(jìn)行后處理。2.工藝過(guò)程4）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)3(4)浸漬浸潰和熔浸的特點(diǎn)相似，所不同的是浸漬是將液態(tài)非金屬物質(zhì)浸入多孔的選擇性激光燒結(jié)壞體的孔隙內(nèi)。浸漬和熔浸相同的是，經(jīng)過(guò)浸潰處理的制件尺寸變化很小。在后處理中，要控制浸漬后壞體零件的于燥過(guò)程。干燥過(guò)程中的溫度、濕度、氣流等對(duì)干燥后壞體的質(zhì)量有很大的影響。干燥過(guò)程控制不好，會(huì)導(dǎo)致壞體開裂，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量。2.工藝過(guò)程4）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)3(5)熱處理熔浸過(guò)后模型的密度、強(qiáng)度得到進(jìn)一步加強(qiáng)。但是針對(duì)金屬成型件，需根據(jù)使用目的進(jìn)行相應(yīng)的熱加工處理，以進(jìn)一步提高成型件的力學(xué)性能。(6)拋光、涂覆

對(duì)于完成以上處理步驟的成型件，還需要考慮其長(zhǎng)久保存和使用目的等問(wèn)題，如對(duì)成型件進(jìn)行拋光和涂覆，使最后的模具可兼具防水、防腐、堅(jiān)固、美觀、不易變形等特點(diǎn)。2.工藝過(guò)程4）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)4用SLS技術(shù)制造金屬功能件的方法有直接法和間接法。直接法就是直接燒結(jié)單一金屬粉末或金屬合金粉末，將兩種或多種熔點(diǎn)相差明顯的金屬粉末混合成金屬合金粉末。SLS直接金屬粉末成型即直接金屬粉末激光燒結(jié)，SLS直接金屬粉末成型技術(shù)所使用的金屬粉末中不含任何有機(jī)黏結(jié)劑。其中，高熔點(diǎn)成分稱為結(jié)構(gòu)材料，成型過(guò)程中低熔點(diǎn)成分首先熔化并作為黏結(jié)劑得到金屬功能件。間接法速度較快，精度較高，技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛。下面將以間接法為例說(shuō)明SLS技術(shù)。1.燒結(jié)原料由于聚合物軟化溫度較低、熱塑性較好及黏度低，故采用包覆制作工藝，將聚合物包覆在金屬粉末表面，或者將其與金屬粉末材料以某種形式混在一起。在用SLS技術(shù)成型時(shí)，聚合物受激光加熱而成為熔融態(tài)，流入金屬粉粒間，將金屬粉末黏結(jié)在一起而成型。在成型的壞件中，既有金屬成分，又有聚合物成分。壞件還需要進(jìn)行熱降解、二次燒結(jié)和滲金屬后處理，才能成為純金屬件。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)42.成型材料(1)結(jié)構(gòu)材料是金屬，主要是不銹鋼和鎳粉。(2)聚合物主要是熱塑性材料。熱塑性聚合物材料有兩類，一類是無(wú)定型材料，另一類是結(jié)晶型材料。無(wú)定型材料分子鏈上的分子排列是無(wú)序的，如PC材料，結(jié)晶型材料分子鏈上的分子排列是有序的，如尼龍(PA)材料。這兩種熱塑性聚合物都可以用作SLS材料中的黏結(jié)劑。(3)聚合物在成型材料中主要以兩種形式存在，一種是聚合物粉末與金屬粉末的機(jī)械混合物，另一種是聚合物均勻地覆蓋在金屬粉粒的表面。將聚合物覆蓋在金屬粉末表面的方法有多種，如可將熱塑性材料制成溶液，稀釋后與粉末混合、攪拌、干燥;還可將聚合物加熱熔化，以霧狀噴出，覆蓋在粉粒表面。在聚合物和金屬粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，覆層粉末燒結(jié)后的強(qiáng)度要高于機(jī)械混合的材料。目前，應(yīng)用最多的成型材料主要是覆層金屬粉末。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)43.工藝過(guò)程1)光燒結(jié)激光燒結(jié)的工藝參數(shù):激光功率、掃描速度、掃描間距、粉末預(yù)熱溫度。2)降解聚合物降解加熱在兩個(gè)不同溫度的保溫階段完成，先將坯件加熱到350C，保溫5h，然后升溫到450C，保溫4h。在這兩個(gè)溫度段，聚合物都會(huì)發(fā)生分解，其產(chǎn)物是多種氣體，通過(guò)加熱爐上的抽風(fēng)系統(tǒng)將其去除。保護(hù)氣氛為30%的氫氣、70%的氮?dú)狻Ｍㄟ^(guò)降解，98%以上的聚合物被去除。3)二次燒結(jié)當(dāng)聚合物大部分被降解后，金屬粉粒間只靠殘余的一點(diǎn)聚合物和金屬粉末間的摩擦力來(lái)保持，這個(gè)力是很小的。要保持形狀，必須在金屬粉粒間建立新的聯(lián)系，這就是將壞件加熱到更高溫度，通過(guò)擴(kuò)散來(lái)建立聯(lián)結(jié)。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)43.工藝過(guò)程4)滲金屬二次燒結(jié)后的成型件是多孔體，強(qiáng)度也不高，提高強(qiáng)度的方法就是滲金屬。熔點(diǎn)較低的金屬熔化后，在毛細(xì)力或重力的作用下，通過(guò)成型件內(nèi)相互連通的孔洞，填滿成型件內(nèi)的所有空隙，使成型件成為密實(shí)的金屬件。滲金屬在可控氣氛或真空中進(jìn)行。在可控氣氛中，必須使?jié)B入金屬單向流動(dòng)，這樣可讓連通孔隙中的空氣離開成型件，如多方向滲入，會(huì)將成型件中的氣體封在體內(nèi)，形成氣孔而削弱強(qiáng)度。如果將成型件置于真空室內(nèi)滲金屬，由于成型件內(nèi)沒(méi)有空氣存在，那么可將成型件浸入液態(tài)金屬中，金屬液體從四周同時(shí)滲入，滲入速度快，時(shí)間短。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)44.工藝特點(diǎn)4)滲金屬用SLS系統(tǒng)間接成型金屬件，其成型速度較快，可制造形狀復(fù)雜的金屬件，主要用來(lái)快速制造注塑模和壓鑄模。間接法制造金屬件的缺點(diǎn)是制件的精度有限，由于在降解和二次燒結(jié)過(guò)程之中存在體積收縮問(wèn)題，補(bǔ)償?shù)淖饔糜邢?，后處理時(shí)間比較長(zhǎng)。請(qǐng)?zhí)鎿Q文字內(nèi)容。修改文字內(nèi)容，也可以直接復(fù)制你的內(nèi)容到此?？刹扇〉拇胧?改進(jìn)黏結(jié)劑，滲入非金屬材料，取消降解和二次燒結(jié)過(guò)程，使壞件不被加熱，這樣的成型件具有高的精度，制造周期短，成本低，可滿足使用壽命短的模具要求。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝及分析5在利用SLS技術(shù)制造成型件的過(guò)程中，容易影響成型件精度的因素有很多，如SLS設(shè)備精度誤差、CAD模型切片誤差、掃描方式、粉末顆粒、環(huán)境溫度、激光功率、掃描速度、掃描間距、單層層厚等。其中，燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)精度和強(qiáng)度的影響是很大的。后續(xù)處理(焙燒)時(shí)產(chǎn)生的收縮和變形也會(huì)影響陶瓷制件的精度。1.激光器的選擇目前用于固態(tài)粉末燒結(jié)的激光器主要有兩種:CO激光器和Nd:YAG激光器。CO激光器的波長(zhǎng)為10.6um，Nd:YAG激光器的波長(zhǎng)為1.06um。對(duì)于陶瓷、金屬和塑料三種主要的固態(tài)粉末來(lái)說(shuō)，選用何種激光器取決于固態(tài)粉末材料對(duì)激光束的吸收情況。(1)金屬粉末燒結(jié)選用Nd:YAG激光器，而不選用CO激光器，因?yàn)榻饘俜勰?duì)CO激光器發(fā)出的激光反射率比Nd:YAG激光器所發(fā)出的激光的反射率大得多。(2)陶瓷粉末的燒結(jié)也選用Nd:YAG激光器。(3)塑料粉末如聚碳酸的燒結(jié)可用CO激光器，因?yàn)榫厶妓嵩?.0~11.0m波長(zhǎng)范圍內(nèi)有很高吸收率。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝及分析52.預(yù)熱對(duì)粉末材料進(jìn)行預(yù)熱，可以減小粉末因燒結(jié)成型時(shí)受熱在工件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止其產(chǎn)生翹曲和變形，提高成型精度。3.激光功率密度和掃描速度激光功率密度由激光功率和光斑大小決定。在固態(tài)粉末選擇性激光燒結(jié)中，激光功率密度和掃描速度決定了激光能對(duì)粉末加熱的溫度和時(shí)間。不合適的激光功率密度和掃描速度會(huì)使零件內(nèi)部組織和性能不均勻，影響零件質(zhì)量。(1)當(dāng)激光功率小而掃描速度快時(shí)，粉末加熱溫度低、時(shí)間短，燒結(jié)深度小。(2)當(dāng)激光功率大而掃描速度慢時(shí)，聚碳酸醋能發(fā)生氣化、消融，燒結(jié)深度也減小。激光功率和掃描速度的適當(dāng)配合，可使燒結(jié)深度達(dá)到最大值。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝及分析54.激光束掃描間距激光掃描間距是指相鄰兩激光掃描行之間的距離，它對(duì)形成較好的層面質(zhì)量與層間結(jié)合及提高燒結(jié)效率均有直接影響。合理的掃描間隔應(yīng)保證燒結(jié)線間、層面間有適當(dāng)重疊。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝及分析55.激光掃描方式的影響1)平行掃描圖5-2所示為平行掃描，是一種常見的掃描方式，它要么是平行長(zhǎng)邊掃描，要么是平行短邊掃描。但常用的掃描路徑有很大缺陷，模型尺寸有多大，同一方向的掃描線就得有多長(zhǎng)這不利于掃描過(guò)程中制件沿掃描方向的自由收縮。實(shí)踐證明，沿掃描方向的殘余應(yīng)力最大.2)分型掃描分型結(jié)構(gòu)是一種具有自相似性的圖形，可以采用幾級(jí)圖形作為掃描路徑。圖5-3所示為分型掃描，分型掃描的路徑都是短折線，激光束掃描方向不斷改變，使得剛剛燒結(jié)的部分沿掃描方向能夠自由收縮，能有效降低薄層中的殘余拉應(yīng)力，有望提高燒結(jié)件的力學(xué)強(qiáng)度。02激光選區(qū)熔化技術(shù)PARTTWO5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)1基本原理及工藝特點(diǎn)激光選區(qū)熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)技術(shù)，顧名思義也就是在加工的過(guò)程中用激光使粉體完全熔化，不需要黏結(jié)劑，成型的精度和力學(xué)性能都比SLS技術(shù)要好。1基本原理SLM技術(shù)的工藝原理圖如圖5-4所示，成型時(shí)先由鋪粉工具在工作臺(tái)面上鋪上一層金屬粉末材料，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對(duì)制件的實(shí)心部分所在的粉未進(jìn)行掃描，在高能量密度的激光作用下金屬粉末完全熔化，經(jīng)冷卻凝固與前一層固體金屬發(fā)生焊合成型，原理類似于激光焊。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)1基本原理及工藝特點(diǎn)2.工藝特點(diǎn)(1)由于激光器功率和掃描振鏡偏轉(zhuǎn)角度的限制，SLM設(shè)備能夠成型的零件尺寸范圍有限。(2)表面粗糙度有待提高，產(chǎn)品需要進(jìn)行二次加工，才能用于后續(xù)的工作。(3)熔化金屬內(nèi)存在應(yīng)力，而且在熔化的過(guò)程中穩(wěn)定性較難控制。(4)成型速度較慢，為了提高加工精度，需要用更小的加工層厚。(5)SLM技術(shù)工藝較復(fù)雜，需要加支撐結(jié)構(gòu)，考慮的因素多。因此多用于工業(yè)級(jí)的增材制造。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)2成型設(shè)備SLM設(shè)備一般由光路單元、機(jī)械單元、控制單元、工藝軟件和保護(hù)氣體密封單元幾個(gè)部分組成，SLM設(shè)備組成如圖5-所示。光路單元主要包括光纖激光器、擴(kuò)束鏡、反射鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡等。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)2成型設(shè)備1.光纖激光器光纖激光器是SLM設(shè)備中最核心的組成部分，直接決定了整個(gè)設(shè)備的成型質(zhì)量。SLM設(shè)備所采用的光纖激光器，具有轉(zhuǎn)換效率高、性能可靠、壽命長(zhǎng)、光束模式接近基模等特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)明顯。高質(zhì)量的激光束能被聚集成極細(xì)微的光束，并且其輸出波長(zhǎng)短。2.擴(kuò)束鏡擴(kuò)束鏡的作用是擴(kuò)大光束直徑，減小光束發(fā)散角，減小能量損耗。3光掃描控制激光束掃描控制是計(jì)算機(jī)通過(guò)控制卡向掃描振鏡發(fā)出控制信號(hào)，控制X/Y掃描振鏡運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)激光掃描。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)2成型設(shè)備4.設(shè)備掃描控制設(shè)備掃描控制中，包含XY方向、層錯(cuò)、螺旋、輪廓偏移、分區(qū)等幾種基本掃描方式幾種基本掃描方式可以相互結(jié)合，圖5-6所示為6種基本掃描方式。5.掃描振鏡掃描振鏡由計(jì)算機(jī)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，作用是將激光光斑精確定位在加工面的任一位置通常使用專用平場(chǎng)掃描透鏡來(lái)避免出現(xiàn)掃描振鏡單元的畸變，使聚焦光斑在掃描范圍內(nèi)得到致的聚焦特性。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)2成型設(shè)備6.機(jī)械單元機(jī)械單元主要包括鋪粉裝置、成型缸、粉料缸、成型室密封設(shè)備等。鋪粉質(zhì)量是影響SLM技術(shù)成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素，目前SLM設(shè)備中主要有鋪粉刷和鋪粉滾筒兩大類鋪粉裝置。成型缸與粉料缸由電機(jī)控制，電機(jī)控制的精度也決定了SLM技術(shù)的成型精度。7.控制系統(tǒng)設(shè)備控制系統(tǒng)完成對(duì)零件的加工操作。主要包括以下功能：①系統(tǒng)初始化、狀態(tài)信息處理、故障診斷和人機(jī)交互功能；②對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行各種控制，提供了對(duì)成型活塞、供粉活塞、鋪粉滾筒的運(yùn)動(dòng)控制；③對(duì)掃描振鏡的控制，設(shè)置掃描振鏡的運(yùn)動(dòng)速度和掃描延時(shí)等；④設(shè)置自動(dòng)成型設(shè)備的各種參數(shù)，如調(diào)整激光功率，成型缸、鋪粉缸上升、下降參數(shù)等；⑤提供對(duì)成型設(shè)備五個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，完成對(duì)零件的加工操作。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)在各類型激光掃描技術(shù)中，振鏡式激光掃描是目前廣泛采用的一種激光掃描方式。它具有高速、高精度、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但存在光斑焦點(diǎn)不在加工面上的聚焦誤差問(wèn)題。另外，振鏡式激光掃描存在掃描圖形的線性失真和非線性失真問(wèn)題，特別是當(dāng)掃描區(qū)域較大時(shí)，嚴(yán)重影響了激光掃描的圖形精度及加工質(zhì)量。振鏡式掃描系統(tǒng)采用高速往復(fù)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)X與Y兩片微小反射鏡片協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)反射激光束的方式來(lái)達(dá)到光斑在整個(gè)平面上掃描的目的。其不同于一般機(jī)械式掃描系統(tǒng):利用絲桿的傳動(dòng)帶動(dòng)掃描頭在二維平面上來(lái)回運(yùn)動(dòng)完成掃描，由于是機(jī)械式的，所以掃描系統(tǒng)的慣性大，掃描響應(yīng)速度慢。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)1.枕形失真當(dāng)掃描鏡在工作面上掃描一個(gè)矩形時(shí)，它得到的實(shí)際軌跡并非一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形，而是枕形。圖5-7所示為枕形失真。雙振鏡掃描會(huì)引起單軸的枕形誤差，誤差是由映射到平面時(shí)不是一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系引起的，是一種原理性誤差。解決枕形失真的方法:由于產(chǎn)生的畸變?cè)赬和了兩個(gè)方向上不是一致的，所以不能采用常規(guī)透鏡的辦法來(lái)矯正,可以通過(guò)略變公式軟件來(lái)修正理想圖和畸變圖之間的地址映射關(guān)系這種平面坐標(biāo)變換方法能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)2.聚焦誤差焦平面:在聚束過(guò)程中，激光會(huì)形成一個(gè)漏斗狀的光路，這時(shí)的橫截面就是焦平面，也就是常說(shuō)的光斑直徑。高精度的掃描場(chǎng)合中，為了獲得較好的掃描效果，需要把工作臺(tái)面的光斑半徑控制在一定范圍內(nèi)(范圍因掃描設(shè)備不同而參數(shù)不同)。在掃描范圍內(nèi)的任意位置，都要求激光束能很好地聚焦。那么在振鏡掃描系統(tǒng)中這個(gè)更典型的誤差就來(lái)自焦平面，在激光通過(guò)X/Y振鏡后，焦平面是一個(gè)球平面。解決該問(wèn)題的方法為用F-0透鏡對(duì)聚略變進(jìn)行校正，這種方法只適合較小的工作臺(tái)面的激光掃描加工，若在較大工作臺(tái)面上掃描，則F0鏡尺寸大、成本高，且越靠近邊緣補(bǔ)償效果越差。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)3.動(dòng)態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)是近年來(lái)興起的激光掃描聚焦誤差補(bǔ)償技術(shù)，有更有效和更精準(zhǔn)的補(bǔ)償效果，并且支持的視場(chǎng)更大，價(jià)格上相對(duì)來(lái)說(shuō)也更加昂貴。動(dòng)態(tài)聚焦振鏡激光掃描系統(tǒng)一般采用上層應(yīng)用軟件和下層驅(qū)動(dòng)軟件控制。由于采用開環(huán)控制，所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要求實(shí)現(xiàn)三軸同步。動(dòng)態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)主要由激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)、XY振鏡掃描系統(tǒng)等幾部分組成。圖5-8所示為動(dòng)態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)示意圖。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)3.動(dòng)態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)振鏡的伺服電機(jī)是由模擬電壓驅(qū)動(dòng)的。依據(jù)光學(xué)杠桿原理設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)光學(xué)模型，激光束經(jīng)動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)再經(jīng)兩次鏡面反射到達(dá)掃描場(chǎng)。在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)態(tài)聚焦鏡在光路方向上做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償聚焦誤差，從而保證光斑焦點(diǎn)的掃描場(chǎng)與工作場(chǎng)的誤差得到補(bǔ)償。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析1.SLM成型的工藝流程(1)在工作缸上部安裝金屬基板，控制鋪粉輯與基板的間隙為0.05~0.1m。安裝金屬基板是為了給SLM成型提供一個(gè)生長(zhǎng)平面并依次逐層堆積形成零件。該基板主要起到兩個(gè)作用:第一，避免鋪粉時(shí)由于鋪粉輥的摩擦使零件已成型部分發(fā)生位移。第二,給粉末高溫熔化過(guò)程提供散熱基底，從而促使熔池快速凝固，避免過(guò)燒。(2)密封成型腔體，用真空泵將成型腔內(nèi)抽成真空狀態(tài)。(3)向成型腔內(nèi)輸入保護(hù)性氣體;成型腔內(nèi)的氧含量控制在較低水平(越低越好，控制在0.1%以下)。(4)通過(guò)送粉系統(tǒng)往金屬基板上送入一定數(shù)量的粉末，并由鋪粉輥鋪平。(5)通過(guò)高能激光束熔化切片區(qū)域內(nèi)的金屬粉末。(6)工作缸下降一個(gè)切片厚度。(7)重復(fù)以上步驟。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析2.影響激光選區(qū)熔化成型件質(zhì)量的因素1)率激光功率是SLM技術(shù)中的一個(gè)重要影響因素。功率越高，激光作用范圍內(nèi)的能量密度越高，材料熔化越充分，同時(shí)成型過(guò)程中參與熔化的材料就越多，形成的熔池尺寸也就越大粉末成型固化后易生成凸凹不平的層面，激光功率高到一定程度時(shí)，激光作用區(qū)內(nèi)粉末的材料急劇升溫，能量來(lái)不及擴(kuò)散，易造成部分材料甚至不經(jīng)過(guò)熔化階段直接氣化，產(chǎn)生金屬蒸氣。2)光斑直徑

光斑直徑是SLM技術(shù)中的另外一個(gè)重要影響因素?？偟膩?lái)說(shuō)，在滿足成型基本條件的前提下，光斑直徑越小，熔池的尺寸也就可以控制得越小，越易在成型過(guò)程中形成致密、精細(xì)、均勻一致的微觀組織。同時(shí)，光斑直徑越小，越容易得到精度較好的三維空間結(jié)構(gòu)，但是光斑直徑的減小，預(yù)示著激光作用區(qū)內(nèi)能量密度的提高，光斑直徑過(guò)小，易引起上述成型飛濺現(xiàn)象。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析2.影響激光選區(qū)熔化成型件質(zhì)量的因素3)掃描間隔掃描間隔是SLM技術(shù)中的又一個(gè)重要影響因素，它的合理選擇對(duì)形成較好的層面質(zhì)量與層間結(jié)合、提高成型效率均有直接影響。同間接工藝一樣，合理的掃描間隔應(yīng)保證成型線間、層面間有適當(dāng)重疊。3.激光選區(qū)熔化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的一些缺陷1)球化在SLM成型過(guò)程中，由于熔化的金屬表面張力很高，金屬粉末經(jīng)激光熔化后如果不能均勻地鋪展于前一層，而是形成大量彼此隔離的金屬球，那么這種現(xiàn)象稱為SLM過(guò)程的球化現(xiàn)象。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析3.激光選區(qū)熔化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的一些缺陷2)孔隙SLM技術(shù)的最終目標(biāo)是制造出高致密的金屬零件，成型過(guò)程中產(chǎn)生的孔隙降低了金屬件的力學(xué)性能，嚴(yán)重影響成型零件的實(shí)用性。目前國(guó)內(nèi)外在SLM孔隙的研究方面主要有以下兩個(gè)方向。(1)優(yōu)化工藝以成型出高致密、高性能的金屬零部件。(2)調(diào)整工藝以獲得較多孔隙，并控制孔形、孔徑及孔隙率，制造出多孔金屬零件。成型件的相對(duì)密度與熱源體能量密度有關(guān)，鐵基成型件的相對(duì)密度與能量密度滿足指數(shù)關(guān)系。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析3.激光選區(qū)熔化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的一些缺陷3)曲變形和外邊凸起缺陷在SLM成型過(guò)程中，液態(tài)金屬快速凝固，使得制件層內(nèi)及層間出現(xiàn)了大的溫度梯度，凝固過(guò)程形成了大的熱應(yīng)力。冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，組織熱膨脹系數(shù)的不同會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力，并且凝固組織還存在殘余應(yīng)力。翹曲變形對(duì)成型件精度影響很大，造成很大的尺寸、形位誤差，甚至導(dǎo)致加工無(wú)法進(jìn)行或金屬零件的報(bào)廢。圖5-9所示為翹曲變形對(duì)制件的影響，圖5-9(a)所示為懸結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中發(fā)生的翹曲變形，圖5-9(b)所示為添加支的懸垂結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中，支撐因翹曲變形嚴(yán)重被拉斷。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析3.激光選區(qū)熔化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的一些缺陷3)曲變形和外邊凸起缺陷當(dāng)熔道的起點(diǎn)與終點(diǎn)熔寬、熔高變大時(shí)，好像一個(gè)圍欄將零件的其他區(qū)域圍起來(lái)，邊框部分與粉末充分接觸，零件內(nèi)部區(qū)域被粉末填滿后熔化收縮嚴(yán)重。圖5-10所示為SLM成型過(guò)程中外框凸起缺陷現(xiàn)象。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析3.激光選區(qū)熔化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的一些缺陷4)微觀組織演變SLM成型是基于激光微區(qū)熔化及增量制造的理念，區(qū)別于鑄、鍛、焊等傳統(tǒng)的加工方法因此，金屬粉末在SLM成型過(guò)程中經(jīng)歷了復(fù)雜的熱作用歷程，形成了獨(dú)特的微觀組織。金屬材料的微觀組織又決定其性能，因此揭示了SLM成型組織的演變規(guī)律對(duì)組織調(diào)控、提升成型件性能具有重要作用。金屬粉末激光熔化成型經(jīng)歷快速熔化一快速凝固過(guò)程，溫度梯度非常大，促進(jìn)大量形核并抑制晶粒生長(zhǎng)，特別是沿著熱流方向形成了極其細(xì)小的胞狀晶或柱狀晶。

控形與控性，是金屬增材工藝中的兩個(gè)重要考察指標(biāo)。產(chǎn)品打印過(guò)程中，也必須關(guān)注宏觀控形，包括翹曲變形、部件開裂、刮板碰撞或支撐開裂等問(wèn)題:微觀控性中，需要關(guān)注孔隙率、相變、球化、顆粒尺寸、一次和二次枝晶結(jié)構(gòu)和初始位錯(cuò)密度等微觀特性，表征到打印件后續(xù)質(zhì)量即金屬件力學(xué)性能和特性。03電子束選區(qū)熔化技術(shù)PARTTHREE5.3電子束選區(qū)熔化技術(shù)基本原理及特點(diǎn)11.基本原理電子束選區(qū)熔化(ElectronBeamSelectiveMelting，EBSM)技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來(lái)的一種金屬零件3D打印技術(shù)。EBSM技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5-11所示。首先將所設(shè)計(jì)零件的三維圖形按一定的厚度切片分層，得到三維零件的所有二維信息。然后在真空箱內(nèi)以電子束為能量源，電子束在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)零件各層截面的CAD數(shù)據(jù)有選擇地對(duì)預(yù)先鋪好在工作臺(tái)上的粉末層進(jìn)行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和熔化同時(shí)新熔化層與前一層熔合為一體。首先將所設(shè)計(jì)零件的三維圖形按一定的厚度切片分層，得到三維零件的所有二維信息。然后在真空箱內(nèi)以電子束為能量源，電子束在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)零件各層截面的CAD數(shù)據(jù)有選擇地對(duì)預(yù)先鋪好在工作臺(tái)上的粉末層進(jìn)行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和熔化同時(shí)新熔化層與前一層熔合為一體。重復(fù)上述過(guò)程直到零件加工完后從真空箱中取出，用高壓空氣吹出松散粉末，得到二維零件。5.3電子束選區(qū)熔化技術(shù)基本原理及特點(diǎn)12.特點(diǎn)電子束相對(duì)于激光的一個(gè)重要特點(diǎn)就是控制靈活，可以實(shí)現(xiàn)較高響應(yīng)速度的偏轉(zhuǎn)控制，從而可以實(shí)現(xiàn)高速地掃描。電子束通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)控制，磁場(chǎng)可以改變電子運(yùn)動(dòng)的方向而不改變其能量。這種技術(shù)可以成型出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)良的金屬零件，但是成型尺寸受到粉末床和真空室的限制。EBSM技術(shù)具有效率高、熱應(yīng)力小等特點(diǎn)，適用于合金、欽鋁基合金等難熔、高性能金屬材料的成型制造。EBSM技術(shù)是在高真空環(huán)境下制造零件的，可以保護(hù)材料不受氮、氫、氧等的污染，其至有去除雜質(zhì)的提純作用。因此在航空航天高性能復(fù)雜零部件的制造、多孔結(jié)構(gòu)醫(yī)療植入體制造等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。5.3電子束選區(qū)熔化技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備2EBSM1501系統(tǒng)主要包括6個(gè)子系統(tǒng)，分別是成型機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、電子束掃描子系統(tǒng)電子槍子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、觀察檢測(cè)子系統(tǒng)和環(huán)境保障子系統(tǒng)。其中，成型機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)電子束掃描子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)為EBSM技術(shù)的核心部分。EBSM技術(shù)利用磁偏