SLM 選擇性激光熔化：不可替代的金屬3D打印技術(shù)

2017-03-26 22:52:58

來源：網(wǎng)絡(luò)

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關(guān)鍵詞： 3D打印,金屬3D打印技術(shù),SLM 技術(shù)

在金屬激光3D打印成形技術(shù)中, 由于激光逐層加工金屬粉末材料固有的球化效應(yīng)及臺階效應(yīng),即使采用目前精度最高的SLM 技術(shù)。

1 SLM工作原理

選擇性激光熔融（Selective Laser Melting, SLM）技術(shù)由德國Froounholfer研究院于1995年首次提出，工作原理與SLS相似。SLM是將激光的能量轉(zhuǎn)化為熱能使金屬粉末成型，其主要區(qū)別在于SLS在制造過程中，金屬粉末并未完全熔化，而SLM在制造過程中，金屬粉末加熱到完全熔化后成型。

SLM工作原理圖（圖片來源：additively.com）

SLM工作流程為，打印機(jī)控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方選擇性地對粉末進(jìn)行照射，金屬粉末加熱到完全熔化后成型。然后活塞使工作臺降低一個(gè)單位的高度，新的一層粉末鋪撒在已成型的當(dāng)前層之上，設(shè)備調(diào)入新一層截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行激光熔化，與前一層截面粘結(jié)，此過程逐層循環(huán)直至整個(gè)物體成型。SLM的整個(gè)加工過程在惰性氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行，以避免金屬在高溫下氧化。

SLM技術(shù)打印過程

激光按當(dāng)前薄層的輪廓線選區(qū)熔化粉末

新一層粉末鋪撒在當(dāng)前層后，逐層熔化

獲得最終成品

SLM 與SLS的區(qū)別：

SLS是激光燒結(jié)，所用的金屬材料是經(jīng)過處理的與低熔點(diǎn)金屬或者高分子材料的混合粉末，在加工的過程中低熔點(diǎn)的材料熔化但高熔點(diǎn)的金屬粉末是不熔化的。先是用燈管加熱或者金屬板熱輻射的方式，將粉材加熱到超過了結(jié)晶溫度，大概170攝氏度左右。利用被熔化的材料實(shí)現(xiàn)黏結(jié)成型，所以實(shí)體存在孔隙，力學(xué)性能差，部分零件要使用的話還要經(jīng)過高溫重熔。

SLM是選擇性激光熔化，顧名思義也就是在加工的過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要好。然而因?yàn)镾LM沒有熱場，它需要將金屬從20攝氏度的常溫加熱到上千度的熔點(diǎn)，這個(gè)過程需要消耗巨大的能量。

2 優(yōu)勢&技術(shù)限制

SLM主要優(yōu)點(diǎn)：

SLM成型的金屬零件致密度高，可達(dá)90%以上；

抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能指標(biāo)優(yōu)于鑄件，甚至可達(dá)到鍛件水平。顯微維氏硬度可高于鍛件；

由于是打印過程中完全融化，因此尺寸精度較高；

與傳統(tǒng)減材制造相比，可節(jié)約大量材料。

SLM技術(shù)限制：

成型速度較低，為了提高加工精度，需要用更薄的加工層厚。加工小體積零件所用時(shí)間也較長，因此難以應(yīng)用于大規(guī)模制造；

設(shè)備穩(wěn)定性、可重復(fù)性還需要提高；

表面粗糙度有待提高；

整套設(shè)備昂貴，熔化金屬粉末需要比SLS更大功率的激光，能耗較高；

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)級的增材制造。

SLM過程中，金屬瞬間熔化與凝固（冷卻速率約10000K/s），溫度梯度很大，產(chǎn)生極大的殘余應(yīng)力，如果基板剛性不足則會導(dǎo)致基板變形。因此基板必須有足夠的剛性抵抗殘余應(yīng)力的影響。去應(yīng)力退火能消除大部分的殘余應(yīng)力。

工件殘余應(yīng)力過大，基板剛性不足導(dǎo)致的基板變形

3 SLM應(yīng)用

SLM材料

可用于SLM技術(shù)的粉末材料主要分為三類，分別是混合粉末、與合金粉末、單質(zhì)金屬粉末。

1. 混合粉末。混合粉末由一定比例的不同粉末混合而成。現(xiàn)有的研究表明，利用SLM成型的構(gòu)件機(jī)械性能受致密度、成型均勻度的影響，而目前混合粉的致密度還有待提高；

2. 預(yù)合金粉末。根據(jù)成分不同，可以將預(yù)合金粉末分為鎳基、鈷基、鈦基、鐵基、鎢基、銅基等，研究表明，預(yù)合金粉末材料制造的構(gòu)件致密度可以超過95%；

3. 單質(zhì)金屬粉末。一般單質(zhì)金屬粉末主要為金屬鈦，其成型性較好，致密度可達(dá)到98%。

用于3D打印的金屬粉末

目前SLM技術(shù)主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，在復(fù)雜模具、個(gè)性化醫(yī)學(xué)零件、航空航天和汽車等領(lǐng)域具有突出的技術(shù)優(yōu)勢。

航空航天

美國航天公司SpaceX開發(fā)載人飛船SuperDraco的過程中，利用了SLM技術(shù)制造了載人飛船的引擎。SuperDraco引擎的冷卻道、噴射頭、節(jié)流閥等結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度非常之高，3D打印很好地解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問題。SLM制造出的零件的強(qiáng)度、韌性、斷裂強(qiáng)度等性能完全可以滿足各種嚴(yán)苛的要求，使得SuperDraco能夠在高溫高壓環(huán)境下工作。

SpaceX公司利用SLM技術(shù)制造的載人飛船引擎（圖片來源：SpaceX）

利用SLM技術(shù)打印的鈦合金葉片（圖片來源：SLM Solutions）

利用SLM技術(shù)打印的航天零件

汽車

在3D打印技術(shù)眾多的應(yīng)用領(lǐng)域中，汽車行業(yè)是3D打印技術(shù)最早的應(yīng)用者之一。利用SLM技術(shù)制造的汽車金屬零件，在降低成本、縮短周期、提高工作效率、生產(chǎn)復(fù)雜零件等方面具有優(yōu)勢，能夠使車身設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、輕量化等性能更優(yōu)異。