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金属3D打印机功能零件的快速成型方法

2018-10-23

  目前可用于直接金属3D打印机功能零件的快速成型方法主要有:包括选区激光烧结技术、直接金属粉末激光烧结、选区激光熔化技术、激光近净成形技术和电子束选区熔化技术,其中选区激光熔化SLM技术为现今3D金属打印机最主流的使用技术。

  选区激光熔化(SLM)

  SLM 的思想最初由德国Fraunhofer研究所于1995年提出,2002年该研究所对SLM 技术的研究取得巨大的成功。

  世界上第一台SLM设备由英国MCP集团公司下辖的德国MCP-HEK 分公司于 2003 年底推出。为获取全致密的激光成形件,同时也受益于2000年之后激光快速成形设备的长足进步(表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等),粉体完全熔。

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  化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。例如,德国著名的快速成形公司EOS公司,是世界上较早开展金属粉末激光烧结的专业化公司,主要从事SLS金属粉末、工艺及设备研发。而该公司新近研发的EOSINTM270/280型设备,虽继续沿用“烧结”这一表述,但已装配200W光纤激光器,并采用完全熔化的冶金机制成形金属构件,成形性能得以显著提高。目前,作为SLS技术的延伸,SLM术正在德国、英国等欧洲国家蓬勃发展。即便继续沿用“选区激光烧结”(SLS)这一表述,实际所采用的成形机制已转变为粉体完全熔化机制。

  选区激光熔化的原理

  SLM技术是在SLS基础上发展起来的,二者的基本原理类似。SLM技术需要使金属粉末完全熔化,直接成型金属件,因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前,水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上,然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末,加工出当前层的轮廓,然后可升降系统下降一个图层厚度的距离,滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末,设备调入下一图层进行加工,如此层层加工,直到整个零件加工完毕。整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行,以避免金属在高温下与其他气体发生反应。

  SLM与DMLS的界限目前很模糊,区别不明显, DMLS技术虽翻译为金属的烧结,实际成型过程中多数时候已将金属粉末完全熔化。DMLS技术使用材料都为不同金属组成的混合物,各成分在烧结(熔化)过程中相互补偿,有利于保证制作精度。而SLM技术使用材料主要为单一组分的粉末,激光束快速熔化金属粉末并获得连续的扫描线。

  金属3D打印机的选区激光熔化技术的优势

  在原理上,选区激光熔化与选区激光烧结相似,但因为采用了较高的激光能量密度和更细小的光斑直径,成型件的力学性能、尺寸精度等均较好,只需简单后处理即可投入使用,并且成型所用原材料无需特别配制。选区激光熔化技术的优点可归纳如下:

  1.直接制造金属功能件件,无需中间工序

  2.可直接制造出复杂几何形状的功能件;

  3.良好的光束质量,可获得细微聚焦光斑,从而可以直接制造出较高尺寸精度和较好表面粗糙度的功能件

  4.粉末材料可为单一材料也可为多组元材料,原材料无需特别配制;

  5.金属粉末完全熔化,所直接制造的金属功能件具有冶金结合组织,致密度较高,具 有较好的力学性能,无需后处理

  6.金属3D打印机选区激光熔化技术特别适合于单件或小批量的功能件制造。选区激光烧结成型件的致密度、力学性能较差;电子束熔融成型和激光熔覆制造难以获得较高尺寸精度的零件;相比之下,选区激光熔化成型技术可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件,是近年来快速成型的主要研究热点和发展趋势。推荐阅读:金属3D打印技术不断发展