增材制造模型設(shè)計（制件及后處理技術(shù)）課件 第3 章 激光選區(qū)熔融（SLM）增材制造技術(shù)

3.1激光選區(qū)熔化技術(shù)基本概念演講人1激光選區(qū)熔化技術(shù)基本概念增材制造技術(shù)（addictivemanufacturingtechnique,AM）是一種基于離散/堆積原理，從三維模型數(shù)據(jù)中連接材料以生成加工對象的新型技術(shù)。而激光選區(qū)融化技術(shù)(Selectivelasermelting,SLM)是增材制造技術(shù)中最具有前景，最為精細(xì)的制造技術(shù)。激光選取融化技術(shù)以激光作為能量源，按照三維CAD切片模型中規(guī)劃好的路徑在金屬粉末床層進(jìn)行逐層掃描，掃描過的金屬粉末通過熔化、凝固從而達(dá)到冶金結(jié)合的效果，最終獲得模型所設(shè)計的金屬零件。1激光選區(qū)熔化技術(shù)基本概念隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展和材料科學(xué)基礎(chǔ)與工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合的日益深入，目前汽車、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用著增材制造技術(shù)。其中SLM技術(shù)因其綜合性功能強(qiáng)、材料利用率高、節(jié)約成本、能夠生產(chǎn)出具有復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的零件、節(jié)約生產(chǎn)成本等優(yōu)點逐漸進(jìn)入人們的視野。但是由于對SLM的研究仍然處于不成熟的階段，需要開發(fā)者具備專業(yè)的知識系統(tǒng)，對從業(yè)者要求很高。同時，目前SLM技術(shù)由于設(shè)備的限制，大型零件的生產(chǎn)加工較為困難。SLM技術(shù)需要眾多科研工作者的共同努力，才能不斷完善和發(fā)展。謝謝3.2激光選區(qū)熔化技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀演講人2激光選區(qū)熔化技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀SLM技術(shù)是在選區(qū)激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering,SLS）上發(fā)展起來的一種激光增材制造技術(shù)。1989年，美國德克薩斯大學(xué)的奧斯汀分校的Deckard提出選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)。1995年，德國Frau-hofer應(yīng)用促進(jìn)協(xié)會ILT激光研究所的Dr.Wil-helmMeiners等在金屬粉末選擇性燒結(jié)基礎(chǔ)上提出了激光選區(qū)童話成形技術(shù)，即SLM技術(shù)。隨后在1999年Meiners與德國的Fockle和Schwarze一起研發(fā)了第一臺基于不銹鋼粉末的SLM成形設(shè)備。德國、英國和美國等是SLM設(shè)備最成熟，體系最完善的，也是設(shè)備最先進(jìn)的一些國家。其中德國是世界上研究SLM設(shè)備及技術(shù)最早，也是最深入的國家。目前，國內(nèi)外對SLM技術(shù)的研究主要聚焦于SLM設(shè)備的制造和SLM技術(shù)的研發(fā)兩方面。2激光選區(qū)熔化技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀早期的SLM零件質(zhì)量差、精度低，隨著光纖激光器的成熟并引入到SLM設(shè)備中，SLM零件的質(zhì)量才有所改善。2003年，英國MCP（miningandchemicalproductslimited）集團(tuán)管轄的德國MCP-HEK分公司Realizer推出世界上第一臺應(yīng)用光纖激光器的SLM設(shè)備。此后，該公司又研發(fā)了SLM-100和最新的第三代SLM-250設(shè)備。其他設(shè)備制造商也紛紛推出不同名稱的SLM設(shè)備。德國EOSGmbH公司現(xiàn)在已經(jīng)成為全球最大同時也是技術(shù)最領(lǐng)先的激光粉末燒結(jié)增材制造系統(tǒng)的制造商。美國的PHENIX、德國Conceptlaser公司及日本的TRUMPF等公司的SLM設(shè)備均已商業(yè)化。國外還有很多高校及科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行SLM設(shè)備的自主研發(fā)，比如比利時魯汶大學(xué)、日本大阪大學(xué)等。2激光選區(qū)熔化技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀在國內(nèi)，國產(chǎn)的SLM設(shè)備在整體性能方面與國外相當(dāng)，但是設(shè)備的穩(wěn)定性方面仍有一些差距。目前國內(nèi)SLM生產(chǎn)單位有華中科技大學(xué)、北京航空制造研究所、西北工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)。華中科技大學(xué)于2003年自主研發(fā)了采用半導(dǎo)體泵浦150WYAG激光器和采用100W光纖激光器的SLM設(shè)備，拉開了SLM設(shè)備研發(fā)的序幕。目前，各科研單位已形成完整的生產(chǎn)體系，生產(chǎn)的SLM設(shè)備采用100~400W光纖激光器和高速振鏡掃描系統(tǒng)，設(shè)備成形臺面均為250mm×250mm，最小層厚可達(dá)0.02mm，可成形近全致密的金屬零件。謝謝3.3SLM工藝金屬打印應(yīng)用領(lǐng)域演講人013SLM工藝金屬打印應(yīng)用領(lǐng)域3SLM工藝金屬打印應(yīng)用領(lǐng)域SLM是目前應(yīng)用廣泛的一種金屬增材制造工藝。與傳統(tǒng)工藝相比，采用SLM技術(shù)生產(chǎn)出的零件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、材料利用率高、能夠加工出具有復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的零件，使其在汽車制造、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、模具制造等領(lǐng)域有著廣闊的前景。3.1輕量化結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展趨勢。輕量化結(jié)構(gòu)通常出現(xiàn)在汽車、航空航天和運(yùn)動設(shè)備上，重量的減輕意味著能耗的減少，對于我國碳中和宏偉目標(biāo)的實現(xiàn)意義重大。SLM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)方法難以加工制造的多孔輕量化結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)方法中，多孔結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法主要有：(1)粉末冶金法，它又可分為松散燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)兩種;(2)噴射沉積法;(3)熔體發(fā)泡法;(4)共晶定向凝固法。然而，粉末冶金法容易使產(chǎn)品產(chǎn)生熱裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量；噴射沉積法速度慢且成本高；共晶定向凝固法使內(nèi)部有較大溫差，外界影響大；熔體發(fā)泡法難以精確控制熔體粘度，要選擇合適的發(fā)泡劑。而SLM可以實現(xiàn)復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的精確可控成形。SLM成形多孔輕量化結(jié)構(gòu)的材料主要有鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金及純鈦等，根據(jù)材料的不同，SLM的最優(yōu)成形工藝也有所變化。如圖3-1所示展示了SLM成形多材料多類型復(fù)雜空間多孔零件。3.1輕量化結(jié)構(gòu)圖3-1SLM制造的復(fù)雜空間多孔零件3.2個性化植入體植入體放置在外科操作造成的或者生理本身存在的體腔中，留存時間為30天及以上的的可植入型物品。目前個性化植入體主要包括牙科植入物、骨科假體、組織工程和人工心臟等。這些植入體除了具有復(fù)雜的幾何形狀和結(jié)構(gòu)外，往往還需考慮到用戶的個性化需求，以滿足用戶需要。植入體需要與人體有良好的生物相容性，不與人體發(fā)生免疫排斥反應(yīng)。例如，目前牙科植入體中的金屬烤瓷修復(fù)體不僅具有金屬的強(qiáng)度，還能再現(xiàn)牙齒的美觀和光澤。SLM生產(chǎn)的Co-Cr合金牙齒修復(fù)體具有與傳統(tǒng)加工工藝相近的機(jī)械性能，但是SLM對材料的利用率高、缺陷少，且生產(chǎn)效率高，是更加經(jīng)濟(jì)實用的生產(chǎn)方式。如圖3-2所示為SLM制造的Co-Cr合金牙冠、正畸托槽及其臨床應(yīng)用。3.2個性化植入體圖3-2SLM制造個性化義齒和個性化舌側(cè)正畸托槽3.3隨形水道模具模具成形制品的過程中，制品的溫度和冷卻速度對制品的質(zhì)量有著重要影響。因此，有效的控制凝固過程中的制品冷卻溫度差異，使制品各部分溫度保持均勻，才能保證制品不變形、較低的表面粗糙度和良好的尺寸精度。傳統(tǒng)的水道主要采用直通式管道，采用深孔鉆進(jìn)行鉆削得到，這使得水道與型腔壁形狀不能完全吻合，影響了模具制品的均勻冷卻。隨形水道由于其與型腔壁之間的距離保持恒定，因此模具制品溫度更加均勻，使制品獲得更加優(yōu)異的性能。然而，采用傳統(tǒng)機(jī)加工的方式難加工甚至無法加工出具有隨形水道結(jié)構(gòu)的模具，SLM技術(shù)逐層堆積成形，在制造復(fù)雜模具結(jié)構(gòu)方面較傳統(tǒng)工藝具有明顯優(yōu)勢，可實現(xiàn)復(fù)雜冷卻流道的增材制造。如圖3-3所示為德國EOS公司SLM制造具有復(fù)雜內(nèi)部流道的S136零件及模具。3.3隨形水道模具圖3-3SLM制造的具有內(nèi)部隨形冷卻水道模具3.4免組裝結(jié)構(gòu)目前的設(shè)備零件大多是多個零件的組合。如果采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，首先需要將各個部分的零件分別加工出來，然后將所有零件組合起來。但是這種方式不僅步驟繁多，而且需要在設(shè)計之初便要考慮到零件的組裝問題，對零件設(shè)計的靈活性產(chǎn)生了很大影響。免組裝機(jī)構(gòu)是指將設(shè)備零件在計算機(jī)中組裝好，然后直接生產(chǎn)制造出來，無需后續(xù)的組裝。SLM技術(shù)能夠直接制造出組織致密、具有高的尺寸精度和良好的力學(xué)性能的零件，是如今直接快速制造成形的研究熱點。圖3-4至圖3-6為SLM成形的典型免組裝結(jié)構(gòu)，如珠算算盤、平面連桿機(jī)構(gòu)、萬向節(jié)及自行車模型等。3.4免組裝結(jié)構(gòu)圖3-4采用SLM技術(shù)成形的銅錢珠算和折疊算盤3.4免組裝結(jié)構(gòu)圖3-5采用SLM技術(shù)成形的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3.4免組裝結(jié)構(gòu)圖3-6采用SLM技術(shù)成形的萬向節(jié)和自行車模型謝謝3.4SLM設(shè)備主要構(gòu)成演講人014SLM設(shè)備主要構(gòu)成4.1基本原理與結(jié)構(gòu)（1）SLM成形設(shè)備主要由激光路單元、密封成形室（包括鋪粉裝置）、機(jī)械單元、控制系統(tǒng)、工藝軟件等幾個部分組成，如圖3-7所示。圖3-7SLM設(shè)備原理圖4.1基本原理與結(jié)構(gòu)（2）光路單元主要由光纖激光器、擴(kuò)束鏡、反射鏡、掃描振鏡和F-?聚焦透鏡等組成。激光器是SLM設(shè)備中最核心的組成部分，直接決定了整個設(shè)備的成形質(zhì)量。SLM設(shè)備所采用的光纖激光器，轉(zhuǎn)換效率高、性能可靠、壽命長、光束模式接近基模等，優(yōu)勢明顯。高質(zhì)量的激光束能被聚集成極細(xì)微的光束，并且其輸出波長短。目前國內(nèi)外的SLM成形設(shè)備主要采用光纖激光器，其光束質(zhì)量M2<1.1，光束直徑內(nèi)能量呈現(xiàn)高斯分布，具有效率高、使用壽命長、維護(hù)成本低等特點，是SLM技術(shù)的最好選擇。（3）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。反射鏡用于反射經(jīng)過擴(kuò)束鏡后的光線，從而達(dá)到使其改變光路的目的。掃描振鏡由計算機(jī)進(jìn)行控制的電機(jī)驅(qū)動，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F-?掃描透鏡來避免出現(xiàn)掃描振鏡單元的畸變，達(dá)到聚焦光斑在掃描范圍內(nèi)得到一致的聚焦特性。4.1基本原理與結(jié)構(gòu)（4）機(jī)械單元主要包括鋪粉裝置、成形缸、粉料缸、成形室密封設(shè)備等。鋪粉質(zhì)量是影響SLM成形質(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。成形缸與粉料缸由電機(jī)控制，電機(jī)控制的精度也決定了SLM的成形精度。（5）控制單元包括激光束掃描控制和設(shè)備控制系統(tǒng)兩大部分。激光束掃描控制是計算機(jī)通過控制卡向掃描振鏡發(fā)出控制信號，控制X/Y掃描鏡運(yùn)動以實現(xiàn)激光掃描。設(shè)備控制系統(tǒng)完成對零件的加工操作。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、對電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行各種控制，提供了對成形活塞、供粉活塞、鋪粉滾筒的運(yùn)動控制；3、對掃描振鏡控制，設(shè)置掃描振鏡的運(yùn)動速度和掃描延時等；4、設(shè)置自動成形設(shè)備的各種參數(shù)，如調(diào)整激光功率，成形缸、鋪粉缸上升下降參數(shù)等。5、提供對成形設(shè)備五個電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，完成對零件的加工操作。4.2典型SLM裝備單激光SLM設(shè)備：只有一臺激光器作為輸出能量源，由單激光束進(jìn)行掃描成形，其工作模式如圖3-8所示。圖3-8單激光束工作模式示意圖雙激光SLM設(shè)備：雙激光設(shè)備由兩臺激光器作為輸出能量源，兩束激光可以同時掃描設(shè)定區(qū)域，也可以分開工作，能顯著提升加工效率，如圖3-9所示。4.2典型SLM裝備圖3-9雙激光束工作模式示意圖（1）目前，歐洲已經(jīng)有不同規(guī)格的激光選區(qū)熔化成形商品設(shè)備在市場上銷售，并大量投入工程應(yīng)用，解決了航空航天、核工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。典型SLM設(shè)備及參數(shù)如表4.2典型SLM裝備3-1：表3-1典型SLM設(shè)備及參數(shù)謝謝3.5電話機(jī)檢驗支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計演講人015電話機(jī)檢驗支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計5.1拓?fù)鋬?yōu)化的概念1904年，Micheel采用解析方法研究了桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，并給出了Micheel準(zhǔn)則。這是結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計發(fā)展中一個具有里程碑意義的事件。隨后，Rozvany擴(kuò)展Micheel的桁架拓?fù)鋬?yōu)化理論到布局優(yōu)化。1964年，Dom等提出基結(jié)構(gòu)法，將數(shù)值計算方法引入優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域，克服了桁架優(yōu)化理論的局限性。Rossow和Taylor提出了基于有限元法的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化法，使得拓?fù)鋬?yōu)化的研究開始活躍起來。拓?fù)鋬?yōu)化方法依據(jù)其算法主要分為兩類：基于梯度的方法和非基于梯度的方法。在基于梯度的方法中，設(shè)計變量往往是連續(xù)變量，在計算過程中需要求響應(yīng)函數(shù)關(guān)于設(shè)計變量的一階或二階導(dǎo)數(shù)，并采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求解優(yōu)化問題。而在非基于梯度的方法中，設(shè)計變量是一般是離散的、變量，優(yōu)化過程依賴于隨機(jī)或種群算法對于性能函數(shù)的估值。5.1拓?fù)鋬?yōu)化的概念優(yōu)化設(shè)計有三要素，即設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)就是要求最優(yōu)的設(shè)計性能，是關(guān)于設(shè)計變量的函數(shù)。約束條件是對設(shè)計的限制，是對設(shè)計變量和其它性能的要求。5.2拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的一般工作流程大多數(shù)拓?fù)鋬?yōu)化的一般工作流程如下：（1）確定零件的受力和約束：首先對模型零件分析，獲得零件在實際使用過程中的受力狀態(tài)，包括受力類型、大小、方向和位置，以及與其他零件之間的配合關(guān)系，獲得零件的運(yùn)動副。需要注意的是，正確和合理的理解作用在零件上的真實力和約束對于拓?fù)鋬?yōu)化至關(guān)重要，將直接導(dǎo)致優(yōu)化后的零件的可靠性。（2）簡化初始零件模型：根據(jù)零件預(yù)留的空間位置，確定零件的原始尺寸；分析確定初始零件中與受力、約束等有關(guān)的必須保留的區(qū)域，刪除設(shè)計中由于傳統(tǒng)制造而產(chǎn)生的其他特征。（3）初始力學(xué)性能計算：根據(jù)零件材料、受力和約束等條件，進(jìn)行有限元計算，獲得零件的初始力學(xué)性能指標(biāo)，包括位移、安全系數(shù)、米塞斯等效應(yīng)力等。5.2拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的一般工作流程（4）確定可優(yōu)化的“設(shè)計空間”：避免優(yōu)化過程中改變需要需要保留的區(qū)域，設(shè)計空間區(qū)域為可以優(yōu)化的區(qū)域。（5）確定零件的工作工況：一般而言，零件的受力工況是多樣的，在實際操作過程中，可以每種工況中使用單一的力。每種工況都可以通過模擬該特定工況下的最壞情況來設(shè)計最優(yōu)零件。然后可以將各種工況的設(shè)計概念組合成一個涵蓋所有受力工況的新設(shè)計。但是，如果了解每個單獨力的影響，也可以同時設(shè)置多個受力的優(yōu)化。（6）執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化：可以選擇成熟的專用軟件或自編程序完成，完成拓?fù)鋬?yōu)化工作。（7）模型光順化與重構(gòu)：拓?fù)鋬?yōu)化生成的結(jié)果是粗糙的模型，需要對其進(jìn)行平滑處理轉(zhuǎn)換為平滑模型。此過程中可以采用專用軟件完成。5.2拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的一般工作流程（8）力學(xué)性能校核計算：在模型幾何重構(gòu)結(jié)束之后，對幾何重構(gòu)后的零件進(jìn)行有限元計算，獲得優(yōu)化偶的零件的最終的力學(xué)性能指標(biāo)，包括位移、安全系數(shù)、米塞斯等效應(yīng)力等，以確認(rèn)優(yōu)化后的零件力學(xué)性能滿足使用要求。需要注意的是，實際拓?fù)鋬?yōu)化過程為多次迭代優(yōu)化結(jié)果，需要借助于有限元分析確認(rèn)優(yōu)化結(jié)果的安全系數(shù)，循環(huán)重復(fù)拓?fù)鋬?yōu)化，獲得優(yōu)化的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)；另一方面，拓?fù)鋬?yōu)化可以在不降低力學(xué)性能的條件下減少材料用量，因此可以使用比原始材料更昂貴和/或更佳的材料，來獲得性能更優(yōu)異、更輕巧的結(jié)構(gòu)零件。AltairInspire是一種概念設(shè)計工具，可用于運(yùn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元分析、運(yùn)動分析和增材制造分析，軟件使用拓?fù)?、形貌、厚度、點陣和PolyNURBS優(yōu)化生成能夠適應(yīng)不同載荷的結(jié)構(gòu)形狀，采用多邊形網(wǎng)格，可以將其導(dǎo)出到其他計算機(jī)輔助設(shè)計工具中，作為設(shè)計靈感的來源；也可以生成.stl格式文件，快速進(jìn)行原型設(shè)計5.3Inspire工作流程以Inspire的結(jié)構(gòu)仿真功能為例，其基本工作流程如圖3-11所示。圖11為優(yōu)化前后的電話機(jī)檢驗支架。圖3-11AltairInspire結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作流程5.3Inspire工作流程圖3-12優(yōu)化前后的電話機(jī)檢驗支架謝謝3.6案例：電話機(jī)檢驗支架制件應(yīng)用案例演講人1.6案例：電話機(jī)檢驗支架制件應(yīng)用案例2.Step8：添加支撐3.Step12：啟動設(shè)備控制界面4.Step18：硬件設(shè)置5.Step19：第一層鋪粉6.Step24：打印結(jié)束目錄016案例：電話機(jī)檢驗支架制件應(yīng)用案例6.1【項目簡介】3D打印憑借著其獨特的制造工藝可以成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件而被廣泛應(yīng)用，尤其是金屬3D打印，在航空、航天、軍工、模具、醫(yī)療等領(lǐng)域具有著無可取代的優(yōu)勢。金屬3D打印有多種工藝，而應(yīng)用最廣的金屬3D打印工藝為激光選區(qū)熔融技術(shù)。任務(wù)：電話機(jī)檢驗支架打印，打印材料316L不銹鋼3.6.2【任務(wù)引入】電話機(jī)檢驗支架模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，用傳統(tǒng)制造工藝難以加工制造，因而打印此模型能夠更好的體現(xiàn)3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，進(jìn)而檢測打印工藝參數(shù)的合理性。SLM工藝金屬3D打印需要數(shù)字化三維模型，通過三維軟件建模或者三維數(shù)據(jù)掃描獲取的文件，另存為STL格式的數(shù)據(jù)文件即可用于打印。將需要金屬3D打印的STL格式的文件導(dǎo)入到金屬3D打印機(jī)的工業(yè)控制計算機(jī)中，進(jìn)行位置擺放、添加支撐等前處理工作，在進(jìn)行分層切片，控制金屬3D打印機(jī)逐層打印，打印完成后，清理未打印的粉末。采用線切割的方式將其從基板上分離，最后去除支撐，再進(jìn)行必要的機(jī)械加工，即完成金屬模型的打印加工制造。6.1【項目簡介】3.6.3【任務(wù)分析】本次打印件為電話機(jī)檢驗支架，首先進(jìn)行三維建模（如圖3-13所示），并將建好的三維模型數(shù)據(jù)另存為STL格式文件。本次的任務(wù)：根據(jù)STL格式的電話機(jī)檢驗支架打印件的三維模型，使用易博三維的IGAM-I打印機(jī)（SLM），完成電話機(jī)檢驗支架模型的3D打印。圖3-13電話機(jī)檢驗支架三維模型6.1【項目簡介】圖3-14SLM工藝金屬打印流程3.6.4【任務(wù)實施】6.1【項目簡介】圖3-15IGAM-I型金屬3D打印正面6.1【項目簡介】圖3-16IGAM-I設(shè)備背面接頭示意材料準(zhǔn)備Step1：啟動冷水機(jī)SLM工藝金屬3D打印機(jī)核心熱源為高性能光纖激光器，激光器將電能轉(zhuǎn)化為光能，并產(chǎn)生大量的熱，若不及時散熱，會影響激光器的性能甚至影響壽命，所以激光器在工作時需要進(jìn)行水冷卻。IGAM-I金屬3D打印系統(tǒng)配備雙溫雙控冷水機(jī)，一路冷卻激光器主機(jī)，一路冷卻激光器鏡片。在打印之前，需要啟動冷水機(jī)，使激光器正常工作。按冷水機(jī)正面的啟動按鈕，啟動冷水機(jī)，如圖3-17所示。Step2：啟動設(shè)備總電源設(shè)備總店與開關(guān)位于設(shè)備右側(cè)上方，將旋鈕旋轉(zhuǎn)到“NO”位置，設(shè)備上電啟動，工控機(jī)自動開機(jī)，如圖3-18所示。Step3：設(shè)備上電材料準(zhǔn)備如圖3-19所示，按設(shè)備正面顯示器下方的啟動按鈕，給設(shè)備上電。設(shè)備上電后，工作腔內(nèi)的照明燈點亮，設(shè)備處于待工作狀態(tài)。圖3-19設(shè)備上電Step4：考入打印模型及工藝卡片再設(shè)備啟動按鈕的右側(cè)設(shè)備自帶USB接口，將需要打印的模型及工藝卡通過U盤考入到設(shè)備的工控機(jī)內(nèi)，保存在D盤打印文件夾下。如圖3-20所示。材料準(zhǔn)備logo圖3-20USB接口示意圖Step5：啟動IGAM-I模型處理與控制軟件材料準(zhǔn)備雙擊桌面“”圖標(biāo)，進(jìn)入IGAM軟件工作界面，如圖3-21所示。材料準(zhǔn)備圖3-21IGAM-I操控軟件Step6：導(dǎo)入電話機(jī)檢驗支架模型材料準(zhǔn)備圖3-22導(dǎo)入模型界面材料準(zhǔn)備圖3-23成功導(dǎo)入模型Step7：調(diào)整模型位置及角度材料準(zhǔn)備圖3-24實體移動對話框材料準(zhǔn)備圖3-25模型實體旋轉(zhuǎn)設(shè)置界面02Step8：添加支撐Step8：添加支撐圖3-26支撐參數(shù)設(shè)置Step8：添加支撐圖3-27添加支撐Step9：切片預(yù)覽Step8：添加支撐圖3-28切片預(yù)覽對話框Step10：導(dǎo)入工藝卡片Step8：添加支撐(a)Step8：添加支撐(b)圖3-29導(dǎo)入工藝卡片Step11：指派工藝Step8：添加支撐圖3-30工藝卡指派至此，模型的導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理、切片、工藝卡導(dǎo)入指派工作完成，可以操作設(shè)備進(jìn)行零件的打印工作。03Step12：啟動設(shè)備控制界面Step12：啟動設(shè)備控制界面圖3-31設(shè)備控制界面對話框Step13：開啟工作腔Step12：啟動設(shè)備控制界面(a)Step14：添加粉末將密封存儲的粉末添加到粉缸內(nèi)，打印機(jī)有兩個缸，靠后側(cè)的為粉缸，打印前放置粉末用，前測缸為工作缸，安裝基板打印零件用。如圖3-33所示，將316L粉末加入粉缸。Step12：啟動設(shè)備控制界面圖3-33添加金屬粉末Step15：安裝基板SLM工藝金屬3D打印都是將零件打印在基板上的，本次打印的是316L不銹鋼材料，故選用與打印材料類似的材料的304不銹鋼基板。用工具盒配備的4個M4x15的內(nèi)六角螺釘及扳手將打印基板固定在工作缸上，如圖3-34所示。Step12：啟動設(shè)備控制界面圖3-34安裝基板Step16：安裝刮刀本次打印采用橡膠刮刀，刮刀的作用是將粉缸的金屬粉末均勻的鋪到工作缸基板上表面。所以刮刀的安裝尤其重要，一定要保證刮刀安裝的準(zhǔn)確性。刮刀模組分為刮刀座、刮刀、刮刀固定板及螺釘。如圖3-35所示，組裝刮刀模組。Step12：啟動設(shè)備控制界面圖3-35刮刀模組組裝Step17：刮刀調(diào)平將刮刀模組通過螺釘安裝到刮刀模組座上，調(diào)平基板，如圖3-36所示，通過點擊系統(tǒng)設(shè)置欄里的設(shè)備調(diào)試按鈕，彈出設(shè)備調(diào)試對話框，點擊鋪粉移動按鈕，鋪粉刮刀移動，當(dāng)刮刀移動到基板中間位置時，點擊停止按鈕，鋪粉刮刀停止在基板中間。將0.05mm厚的塞尺塞入刮刀與基板中間，左右滑動，調(diào)整刮刀兩側(cè)螺釘，將刮刀與基板縫隙調(diào)整均勻。如圖3-37所示。Step12：啟動設(shè)備控制界面圖3-36刮刀移動操作Step12：啟動設(shè)備控制界面圖3-37調(diào)整刮刀與基板之間的縫隙04Step18：硬件設(shè)置Step18：硬件設(shè)置點擊系統(tǒng)設(shè)置里的“”按鈕，彈出硬件設(shè)置對話框，如圖3-38所示，將對話框中的參數(shù)設(shè)置為圖片中的參數(shù)。其中加工層厚既是切片厚度，每次加工0.05mm，目標(biāo)氧含量設(shè)置成1%。如圖3-39所示。Step18：硬件設(shè)置圖3-38硬件設(shè)置05Step19：第一層鋪粉Step19：第一層鋪粉點擊“”按鈕，彈出設(shè)備調(diào)試對話框，如圖3-26所示，設(shè)置如圖參數(shù)，按照圖中操作順序完成第一層鋪粉工作。為了讓打印制件更好的與基板熔牢，第一層粉末鋪粉厚度建議0.03-0.05mm之間，效果如圖3-40所示。Step19：第一層鋪粉圖3-39鋪粉操作順序Step19：第一層鋪粉圖3-40第一層粉末鋪粉效果Step20：關(guān)閉工作腔Step19：第一層鋪粉第一層粉末鋪完后，關(guān)閉工作腔。檢查圖標(biāo)為“”狀態(tài)，按住前面板的降按鈕，工作腔開始閉合。待工作腔完全閉合后，松開按鈕，如圖3-41所示。Step19：第一層鋪粉圖3-41關(guān)閉工作腔Ste:21洗氣Step22：打印第一層為了更好的使打印零件與基板熔合，第一層選擇手動打印，如圖3-42所示，設(shè)置單層打印高度0.05mm，點擊單層制造按鈕，開始單層打印，單層打印結(jié)束后，觀察表面效果，打印效果明亮均勻，無球化現(xiàn)象，即可開始連續(xù)制造。Step19：第一層鋪粉圖3-42單層打印Step23：連續(xù)打印Step19：第一層鋪粉點擊加工區(qū)的“”按鈕，開始連續(xù)制造，如圖3-43所示。Step19：第一層鋪粉圖3-43連續(xù)制造06Step24：打印結(jié)束Step24：打印結(jié)束圖3-44清理零件至此，標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)拉伸件打印完成。清理設(shè)備，關(guān)閉設(shè)備電源。謝謝3.7SLM工藝制件主流后處理工藝演講人7SLM工藝制件主流后處理工藝01〖小結(jié)〗02〖課后練習(xí)與思考〗03目錄017SLM工藝制件主流后處理工藝7.1SLM成形件后處理工藝流程如圖3-48所示，SLM工藝的后處理工藝主要有線切割、去支撐、熱處理、研磨和噴砂等。工件經(jīng)SLM工藝打印完成后，通常采用線切割將其從基板上完全剝離，需在專業(yè)的電火花線切割機(jī)床上完成操作。工件從基板剝離后留下許多支撐痕，可用打磨頭來打磨支撐痕，操作時打磨頭需來回運(yùn)動，不能在某個位置停留太久，將工件突出的支撐點去除即可。SLM工藝打印的工件直接投入使用可能無法滿足工作要求，通常需要經(jīng)過熱處理工藝提高材料機(jī)械性能、消除殘余應(yīng)力和改善加工性。對工件表面光順度有要求時，可在研磨機(jī)上打磨，研磨完成后用水或者酒精沖洗。若工件表面嚴(yán)重氧化，可用噴砂機(jī)去除氧化層：接通噴砂機(jī)電源，啟動噴砂機(jī)，噴砂機(jī)內(nèi)將噴出水流，水中有很多細(xì)小的沙礫，沙礫撞擊工件，將工件上的氧化層去除。噴砂完成后需將工件上的水分吹除，防止工件再次氧化。7.1SLM成形件后處理工藝流程圖3-48SLM工藝之間主流后處理工藝7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割電火花線切割(WireElectricalDischargeMachining，簡稱WEDM)屬電加工范疇，是由前蘇聯(lián)拉扎聯(lián)科夫婦研究開關(guān)觸點受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉，從而開創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工方法。線切割機(jī)也于1960年發(fā)明于前蘇聯(lián)，我國是第一個用于工業(yè)生產(chǎn)的國家。其物理原理是自由正離子和電子在場中積累，很快形成一個被電離的導(dǎo)電通道。在這個階段，兩板間形成電流。導(dǎo)致粒子間發(fā)生無數(shù)次碰撞，形成一個等離子區(qū)，并很快升高到8000到12000度的高溫，在兩導(dǎo)體表面瞬間熔化一些材料，同時，由于電極和電介液的汽化，形成一個氣泡，并且它的壓力規(guī)則上升直到非常高。然后電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內(nèi)向爆炸，產(chǎn)生的動力把溶化的物質(zhì)拋出彈坑，然后被腐蝕的材料在電介液中重新凝結(jié)成小的球體，并被電介液排走。然后通過NC控制的監(jiān)測和管控，伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行，使這種放電現(xiàn)象均勻一致，如圖3-49所示。7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割圖3-49電火花線切割工作原理圖在編程系統(tǒng)CAD環(huán)境下，繪制零件的輪廓；完成后從CAD環(huán)境進(jìn)入到CAM環(huán)境中；完成刀路軌跡的繪制，建立所需加工的零件模型，通過拾取輪廓來新建零件，設(shè)置機(jī)床加工參數(shù)，完成零件的建模之后建立程序，使用仿真功能模擬實際加工效果，最后進(jìn)行后置處理，生成加工所需要的G代碼文件，接下來使用如圖3-50所示的數(shù)控電火花線切割機(jī)進(jìn)行切割。7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割I(lǐng)NCLUDEPICTURE"/wikipedia/commons/thumb/f/f1/Robofil-300-WireCut.jpg/220px-Robofil-300-WireCut.jpg"INETINCLUDEPICTURE"/wikiped7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割ia/commons/thumb/f/f1/Robofil-300-WireCut.jpg/220px-Robofil-300-WireCut.jpg"INETINCLUDEPICTURE"/wikipedia/commons/thumb/f/f1/Robofil-300-WireCut.jpg/220px-Robofil-300-WireCut.jpg"INET圖3-50數(shù)控電火花線切割機(jī)線切割分離基板和工件是SLM工藝后處理的第一步，后續(xù)處理將根據(jù)實際需求進(jìn)行，如圖3-51所示。7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割I(lǐng)NCLUDEPICTURE"/Upload/News/2020-08/15/liuxu/1597457433129058134.jpg"INETINCLUDEPICTURE"/Upload/News/2020-08/15/liuxu/1597457433127.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割9058134.jpg"INETINCLUDEPICTURE"/Upload/News/2020-08/15/liuxu/1597457433129058134.jpg"INET圖3-51線切割分離SLM打印基板7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光金相磨拋機(jī)由基本部件組成,如底座、拋光板、拋光織物、拋光蓋和蓋子。電機(jī)固定在底座上,用于固定研磨拋光盤的錐套通過螺釘與電機(jī)軸連接。研磨拋光布通過套圈固定在研磨拋光板上,金相磨拋機(jī)通過底座上的開關(guān)打開電機(jī)啟動后,可以用手對樣品施加壓力,對旋轉(zhuǎn)的研磨拋光板進(jìn)行研磨拋光研磨拋光過程中加入的研磨拋光液可以通過固定在底座上的塑料板中的排水管流入研磨拋光機(jī)旁邊的方板中。研磨拋光罩和罩可防止機(jī)器不使用時灰塵等雜物掉落在研磨拋光織物上,影響使用效果。除手動磨拋機(jī)外，還可以選用自動磨拋機(jī)，在合適條件下選擇自動磨拋可節(jié)省大量人力和時間，樣品質(zhì)量也更好，如圖3-52所示。7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光INCLUDEPICTURE".tw/upload_files/various-related/tnp-frx1.jpg"INETINCLUDEPICTURE".tw/upload_files/various-related/tnp-frx1.jpg"\*7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光MERGEFORMATINETINCLUDEPICTURE".tw/upload_files/various-related/tnp-frx1.jpg"INET圖3-52自動金相研磨拋光機(jī)金相磨拋機(jī)研磨拋光時,樣品研磨面和研磨拋光板應(yīng)平行并均勻輕輕壓在研磨拋光板上,注意防止樣品飛出和壓力過大造成新的研磨痕跡。同時,樣品也應(yīng)沿轉(zhuǎn)盤的半徑方向旋轉(zhuǎn)和來回移動,以避免拋光織物的局部磨損過快。在拋光過程中,應(yīng)不斷添加微粉懸浮液,以保持拋光織物處于一定濕度。濕度會削弱磨削和拋光的磨削痕跡效應(yīng),使樣品中的硬質(zhì)相表現(xiàn)出鋼中非金屬夾雜物和鑄鐵中石墨相引起的“拖尾”現(xiàn)象。7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光如果濕度太小,樣品會因摩擦生熱而發(fā)熱,潤滑效果會降低,拋光后的表面會失去光澤,甚至?xí)霈F(xiàn)黑點,輕合金會損壞表面。為了達(dá)到粗拋光的目的,轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速要求低,不超過500轉(zhuǎn)/分鐘。研磨和拋光時間應(yīng)長于去除劃痕所需的時間,因為變形層也應(yīng)被去除。粗拋光后,拋光后的表面光滑,但不光滑,顯微鏡下觀察到均勻細(xì)小的磨痕,需要通過精拋光去除。在精細(xì)拋光過程中,轉(zhuǎn)盤的速度可以適當(dāng)提高,研磨和拋光時間適于丟棄粗拋光的損壞層。拋光結(jié)束后,拋光后的表面像鏡子一樣明亮,在顯微鏡明亮的視野下看不到劃痕,但在相差照明的條件下仍然可以看到拋光的痕跡。一般來說，研磨用的砂紙是從低目數(shù)逐漸增加至高目數(shù)，直到滿足研磨要求，常用順序為200-400-600-800-