第4章 选区激光熔化工艺及材料课件.pptx
3D打印成型工艺及材料,3D打印技术研究所,第4章选区激光熔化工艺及材料,第4章 选区激光熔化工艺及材料,4.1 概述,选区激光熔化技术思想来源于SLS技术并在其基础上得以发展，但它克服了SLS技术间接制造金属零部件的复杂工艺难题。得益于计算机的发展及激光器制造技未的逐渐成熟，德国Fraunhofer激光技术研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology，FILT）最早深入的探索了激光完全熔化金属粉末的成型，并于1995年首次提出了SLM技术。在其技术支持下，德国EOS公司于1995年底制造了第一台设备。随后，英国、德国、美国等欧美众多公司开始相关研究。,4.1 概述,EOSINT M280设备,德国EOSGmbH公司现在已经成为全球最大同时也是技术最领先的选区激光熔化增材制造系统的制造商。近年来，EOS公司的EOSINT M280增材制造设备是该公司最新开发的SLM设备，采用了“纤维激光”的新系统，可形成更加精细的激光聚焦点以及很高的激光能量，可以将金属粉末直接烧结而得到最终产品，大大提髙了生产效率。,4.1 概述,美国3D Systems公司推出了sPro 250 SLM商用3D打印机，使用高功率激光器，根据CAD数据逐层熔化金属粉末，以创建功能性金属部件。该3D打印机能够提供长达320mm（12.6英寸）的工艺金属零件的成型，零件具有出色的表面光洁度、精细的功能性细节与严格的公差。,sPro 250商用3D打印机,4.2 成型原理及工艺,4.2.1 成型原理,选区激光熔化（SLM）成型技术的工作原理与选区激光烧结（SLS）类似。其主要的不同在于粉末的结合方式不同，SLS是通过低熔点金属或粘结剂的熔化将高熔点的金属或非金属粉末粘结在一起，SLM技术是将金属粉末完全熔化，因此其要求激光功率密度要大大高于SLS。为实现金属粉末瞬间熔化，需要高功率密度的激光器，并且光斑聚焦至几十微米，SLM技术目前都选用光纤激光器，激光功率从50W到400W，功率密度达5106W/cm2以上。,SLM技术成型效果图,4.2 成型原理及工艺,4.2.1 成型原理,成型原理：首先，通过切片软件对三维模型进行切片分层，把模型离散成二维截面图形，并规划扫描路径，再转化成激光扫描信息。扫描前，刮板将送粉升降器中金属粉末均匀平铺到激光加工区，随后计算器根据激光扫描信息控制扫描振镜偏转，有选择性的将激光束照射到加工区，得到当前二维截面的二维实体，然后成型区下降一个层厚，重复上述过程，逐层堆积得到产品原型。,SLM技术原理图,4.2 成型原理及工艺,4.2.2 成型工艺,为了保证金属粉末材料的快速熔化，SLM技术需要高功率密度激光器，光斑聚焦到几十m到几百m。SLM技术目前最常使用光束模式优良的光纤激光器，其激光功率在50w以上，功率密度达5106W/cm2以上。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。在SLM成型过程中，提高粉末的成型性，就必须提高液态金属的润湿性。在成型过程中，若液态金属成球，则说明液态金属的润湿性不好。液态金属对固体金属的润湿性受工艺参数的影响，因此可优化工艺参数来提高特定粉末的润湿能力。,4.2 成型原理及工艺,4.2.3 工艺特点,优点：,（1）能将CAD模型直接制成终端金属产品，只需要简单的后处理或表面处理工艺。（2）适合各种复杂形状的工件。（3）致密度几乎能达到100，机械性能与锻造工艺所得相当。（4）获得的金属零件具有很高的尺寸精度以及很好的表面粗糙度值。（5）能以较低的功率熔化高熔点金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能，而且可供选用的金属粉末种类也大大拓展了。（6）能采用钛粉、镍基高温合金粉进行直接加工，解决在航空航天中应用广泛的、组织均匀的高温合金零件复杂件加工难的问题；还能解决生物医学上组分连续变化的梯度功能材料的加工问题。,4.2 成型原理及工艺,4.2.3 工艺特点,缺点：,（1）由于激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制，SLM设备能够成型的零件尺寸范围有限；（2）由于使用到高功率的激光器以及高质量的光学设备，机器制造成本高，目前国外设备售价居高不下；（3）由于使用了粉末材料，成型件表面质量差，产品需要进行二次加工，才能用于后续的工作；（4）加工过程中，容易出现球化和翘曲。,4.3 成型系统,SLM的核心器件包括主机、激光器、光路传输系统等几个部分。,4.3 成型系统,4.3.1主机,主机是构成SLM设备的最基本部件。从功能上分类，主机又由机架(包括各类支架、底座和外壳等）、成型腔、传动机构、工作/粉缸、铺粉机构和气体净化系统等部分构成。,4.3 成型系统,4.3.2 激光器,激光器是SLM设备提供能量的核心功能部件，直接决定SLM零件的成型质量。SLM设备主要采甩光纤激光器，光束直径内的能量呈髙斯分布。光纤激光器指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从反射镜M1入射到光纤中；从反射镜M2输出激光。具有工作效率髙、使用寿命长和维护成本低等特点。主要工作参数有激光功率、激光波长、激光光斑、光束质量等。,光纤激光器结构示意图,4.3 成型系统,商品化光纤激光器主要有德国IPG和英国SPI两家公司的产品，其主要性能见表。,4.3.2 激光器,4.3 成型系统,4.3.3 光路传输系统,振镜扫描系统SLM成型致密金属零件要求成型过程中固液界面连续，这就要求扫描间距更为精细。因此，所采用的扫描策略数据较多，数据处理量大，要求振镜系统的驱动卡对数据处理能力强、反应速度快。,振镜扫描系统示意图,4.3 成型系统,4.3.3 光路传输系统,2.聚焦系统常用的聚焦系统包括动态聚焦系统和静态聚焦系统。动态聚焦是通过马达驱动负透镜沿光轴移动实时补偿聚焦误差。所采用的动态聚焦系统由聚焦物镜、负透镜、水冷孔径光阑及空冷模块等组成，其结构（a）所示。静态聚焦镜为f-镜，如图（b）所示，而非一般光学透镜。对于一般光学透镜，当准直激光束经过反射镜和透射镜后聚焦于像场，其理想象高y与入射角的正切成正比，因此，以等角速度偏转的入射光在像场内的扫描速度不是常数。为实现等速扫描，使用f-镜可以获得y=f关系式，即扫描速度与等角速度偏转的入射光呈线性变化。,聚焦系统结构示意图,4.3 成型系统,4.3.3 光路传输系统,3.保护镜起到隔离成型腔与激光器、振镜等光学器件的作用，防止粉尘对光学器件的影响。选择保护镜时要考虑减少特定波长激光能量通过保护镜时的损耗。SLM设备如果采用光纤激光器，则应选择透射波长为1000nm左右的保护镜片，同时还应考虑耐温性能。激光穿透镜片会有部分能量被吸收产生热量，如果SLM成型时间较长，其热积累有可能会损坏镜片。,4.4 成型材料,4.4.1 粉末材料分类,可用于SLM技术的粉末材料主要分为三类：1.混合粉末混合粉末由一定比例的不同粉末混合而成。现有研究表明，SLM成型件机械性能受致密度、成型均匀度的影响，目前混合粉的致密度还有待提高；2.预合金粉末根据成分不同，可以将预合金粉末分为镍基、钴基、钛基、铁基、钨基、铜基等，研究表明，预合金粉末材料成型件致密度可以超过95%；3.单质金属粉末一般单质金属粉末主要为金属钛，其成型性较好，致密度可达到98%。,用于SLM技术的金属粉末种类及特性,4.4 成型材料,4.4.2 金属粉末材料特性,（a）旋转电极法（b）旋转电极法（c）气雾化法不同方法制备的Ti6Al4V粉末形象,1.粉末堆积特性,金属粉末常用的制备方法有雾化法、旋转电极法。雾化法是将熔融金属雾化成细小液滴，在冷却介质中凝固成粉末。工业上一般采用二流雾化法，即水雾化法和气雾化法。旋转电极法是以金属或合金制成自耗电极，其端面受电弧加热而熔融为液体，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎为细小液滴，继而冷凝为粉末的制粉方法。,4.4 成型材料,4.4.2 金属粉末材料特性,1.粉末堆积特性,孔隙率与球形度和表面粗糙度的关系,粉末装入容器时，颗粒群的孔隙率因为粉末的装法不同而不同。未摇实的粉末密度为松装密度，经振动摇实后的粉末密度为振实密度。对于SLM而言，由于铺粉辊垂直方向上的振动和轻压作用，所以采用振实密度较为合理。粉末铺粉密度越高，成型件的致密度也会越高。孔隙率的大小与颗粒形状、表面粗糙度、粒径及粒径分布、颗粒直径与床层直径的比值、床层的填充方式等因素有关。一般说来孔隙率随着颗粒球形度的增加而降低，颗粒表面越光滑，床层的孔隙率也越小。,4.4 成型材料,4.4.2 金属粉末材料特性,2.粒径分布,粒径是用来表示粉末颗粒尺寸大小的几何参数。不同粒径的颗粒所占的分量，就是粒度分布。理论上可用多种级别的粉末，使颗粒群的孔隙率接近零，然而实际上是不可能的。由大小不一（多分散）的颗粒所填充成的床层，小颗粒可以嵌入大颗粒之间的空隙中，因此床层孔隙率比单分散颗粒填充的床层小。可以通过筛分的方法分出不同粒级，然后再将不同粒级粉末按照优化比例配合来达到高致密度粉床的目的。,粒径分布曲线,4.4 成型材料,4.4.2 金属粉末材料特性,3.粉末的流动性,粉末的流动性是粉末的重要特性之一。粉末流动时的阻力是由于粉末颗粒相互直接或间接接触而妨碍其他颗粒自由运动所引起的，这主要是由颗粒间的摩擦系数决定。由于颗粒间暂时粘着或聚合在一起，从而妨碍相互间运动。这种流动时的阻力与粉末种类、粒度、粒度分布、形状、松装密度、所吸收的水分、气体及颗粒的流动方法等有很大关系。,4.4 成型材料,4.4.2 金属粉末材料特性,4.粉末的氧含量,粉末的氧含量也是粉末的重要特性，特别需要注意粉末表面的氧化物或氧化膜。因为粉末表面的氧化膜降低了SLM成型过程中液态金属与基板或已凝固部分的润湿性，导致制件出现分层和裂纹，降低其致密度。此外，氧化物的存在还直接影响到零件的力学性能和微观组织。因此，对用于SLM成型的金属粉末其氧含量一般要求在1000ppm以下。,4.4 成型材料,4.4.2 金属粉末材料特性,SLM技术是激光与金属粉末相互作用，从而产生金属粉末熔化与凝固的过程，因此，金属粉末对激光的吸收率非常重要。表4-3为几种常见金属材料对不同波长激光吸收率，可以看出激光波长越短，金属对其吸收率越高。对于目前配有波长为1060nm激光器的SLM而言，Ag、Cu和Al等对激光的吸收率非常低，因此，SLM成型上述金属时存在一定的困难。,5.粉末对激光的吸收率,几种常见金属对三种不同波长激光的吸收率,4.4 成型材料,4.4.3 常用的金属粉末材料,钛合金具有耐高温、高耐腐蚀性、高强度、低密度以及良好的生物相容性等优点，在航空航天、化工、核工业、运动器材及医疗器械等领域得到了广泛的应用。Ti6Al4V（TC4）是最早使用于SLM工业生产的一种合金，现在对其研究主要集中于疲劳性能和裂纹生长行为与微观组织之间的关系。通过激光交替扫描策略制备出TC4合金试样，发现SLM成型TC4合金过程中的裂纹主要为冷裂纹，具有典型的穿晶断裂特征。,1.钛合金,4.4 成型材料,2.铝合金 铝合金具有优良的物理、化学和力学性能，在许多领域获得了广泛的应用，但是铝合金自身的特性（如易氧化、高反射性和导热性等）增加了选区激光熔化制造的难度。目前SLM成型铝合金中存在氧化、残余应力、孔隙缺陷及致密度等问题，这些问题主要通过严格的保护气氛，增加激光功率（最小为150W），降低扫描速度等来改善。,4.4.3 常用的金属粉末材料,4.4 成型材料,4.4.3 常用的金属粉末材料,3.不锈钢不锈钢具有耐化学腐蚀、耐高温和力学性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制备工艺简单且成本低廉，是最早应用于3D金属打印的材料。华中科技大学、南京航空航天大学、中北大学等院校在金属3D打印方面研究比较深入。现研究主要集中在降低孔隙率、增加强度以及对熔化过程的金属粉末球化机制等方面。,4.4 成型材料,4.4.3 常用的金属粉末材料,4.高温合金高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600以上的高温及一定应力环境下长期工作的一类金属材料。其具有较高的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化性能以及良好的塑性和韧性。高温合金主要用于高性能发动机，在现代先进的航空发动机中，高温合金材料的使用量占发动机总质量的4060。现代高性能航空发动机的发展对高温合金的使用温度和性能的要求越来越高。而3D打印技术在高温合金成型中成为解决技术瓶颈的新方法。,4.4 成型材料,4.4.3 常用的金属粉末材料,5.镁合金镁合金作为最轻的结构合金，由于其特殊的高强度和阻尼性能，在诸多应用领域镁合金具有替代钢和铝合金的可能。例如镁合金在汽车以及航空器组件方面的轻量化应用，可降低燃料使用量和废气排放。镁合金具有原位降解性并且其杨氏模量低，强度接近人骨，优异的生物相容性，在外科植入方面比传统合金更有应用前景。,4.5 成型影响因素,4.5.1 原理性误差,1.分层厚度及离焦量,在大部分情况下，层厚的选择受限于所使用的粉末粒度和铺粉精度。若分层厚度过大，难以使得底层粉末熔化，同时也无法对前一层进行部分重熔，导致层与层之间结合很差，强度较低，因此分层厚度一定要在激光熔化深度范围内；当所选择的层厚小于粉末颗粒直径时，在铺粉过程中，只能将小颗粒直径的粉末铺在成型平面上，而当使用的粉末颗粒直径较大时，则会导致没有铺上粉末，会导致后一层铺粉厚度非常大；同时激光扫描过程中，对前一层的重熔就会使得已熔化层再次吸附粉末熔化，使得壁厚增大；需要指出的是较小层厚会影响成型效率。因此，要选者合理的分层厚度。,4.5 成型影响因素,4.5.1 原理性误差,1.分层厚度及离焦量,在离焦量为-3mm到+3mm范围内，离焦量对单道熔池的宽度影响较小；但是，尽管激光光斑直径对熔池的宽度影响不大，实验过程中发现离焦量对熔深有显著的影响；小的聚焦光斑明显穿透能力更强。在薄壁件成型中，层与层之间的熔合显得极为重要，如果熔深不够，层与层之间搭接不良，那么容易造成侧面不连续而出现孔洞。而且在实验过程中发现离焦量的变化会引起激光聚焦后能量大幅度衰减，导致无法较好地利用激光，为保证熔深及激光能量，在成型过程中将离焦量设置为0。,4.5 成型影响因素,4.5.1 原理性误差,2.铺粉设备,现今采用的铺粉方式主要分为柔性铺粉和刚性铺粉，其中与粉末直接接触铺平粉末的部件是极为关键的。在金属粉末直接成型零件的过程中，由于成型表面经过激光扫描熔化后总会有一些不平整，有些凸起部分大于铺粉厚度，这就会导致铺粉装置与已成型表面屡屡摩擦，这在大面积零件成型时会导致铺粉极不平整，进而导致随后的成型表面变差，或许在几十层乃至上百层后可以恢复，即便如此，在致密度方面已经非常差，所以在大多数情况下采用柔性铺粉设备。,4.5 成型影响因素,4.5.2 工艺性误差,1.扫描速度,在激光功率一定的情况下，如选择较快的扫描速度，那么激光辐照时间就较短，而要使粉末获得同样的激光束的能量，就必须增加激光功率。但是，由于激光辐照时间过短，会使粉末在烧结过程中出现“飞溅”现象，使得粉末飞离作用区，粉末材料减少，进而影响成型件的质量。然而如果扫描速度过小，激光能量密度太大，金属粉末发生严重氧化现象，甚至燃烧、碳化。由于金属粉末的封装密度较低，在粉末空隙间存有大量的空气，即使再另加保护气的情况下，氧化现象仍旧不可避免。在10W的功率下，当速度小于0.5mm/s时，金属粉末就会发生燃烧现象。,4.5 成型影响因素,4.5.2 工艺性误差,2.激光功率,激光功率主要影响激光作用区内的能量密度。在SLM中，在扫描速度一定时，若激光功率低，则无法完全熔化扫描线的粉末，使得粉末无法完全熔化或处于烧结态，这些都会使得成型零件中孔隙增多，降低致密度和力学性能，在成型零件时容易形成孔洞；激光功率过高，引起激光作用区内激光能量密度过高，大的熔池表面积使固液界面的表面张力也相对较大，易产生或加剧粉末材料的剧烈汽化或飞溅现象，形成多孔状结构，致使表面不平整，甚至翘曲、变形。,4.5 成型影响因素,4.5.2 工艺性误差,3.扫描间距,图1 加工扫描方式示意图,扫描间距是指相邻两激光束扫描行之间的距离。它的大小直接影响到传输给粉末能量的分布、成型件的精度。如图1所示，采用平行线扫描方式进行选区熔化成型。,在不考虑材料本身热效应的前提下，单一激光束以一定参数对金属粉末扫描，在热扩散的影响下，会形成一条熔化线，如图2所示。其中h为材料的熔融深度，W为熔融宽度；如果激光束反复扫描时，熔化线组成的截面如图3所示，可以通过熔融宽W、重叠量Dw与扫描间距d的关系，探讨合适的扫描间距参数。,图2 熔化线截面图 图3 重叠熔化线截面图,4.5 成型影响因素,4.5.2 工艺性误差,（1）当/2d时，扫描线的激光能量叠加后，分布基本上是均匀的，此时粉末熔化深度一致，成型件密度均匀，是比较合适的情况；（2）当dW时，扫描区域彼此分离，激光扫描线和线之间没有连接成片或没有重叠的部分，其相邻区域总的激光能量小于粉末熔化需要的能量，不能使相邻区域的粉末熔化，导致相邻两条熔化区域之间粘结不牢，成型件的表面凸凹不平，严重影响制件的强度；（3）当d/2W时，扫描线大部分重叠。此时相邻区域的激光能量可以使该区域的粉末部分重复熔化。激光总能量的分布呈现波峰波谷，能量分布不均匀，因此粉末熔化成型效率降低，并能引起制件较大的翘曲和收缩，甚至引起材料的汽化、变形。,3.扫描间距,4.6 典型应用,空客公司在A300/A310飞机上厨房、盥洗室和走廊等连接铰链上应用了增材制造结构件，并在其最新的A350XWB型飞机上应用了Ti6Al4V增材制造结构件，且已通过EASA及FAA的适航认证。,空客公司采用SLM技术制造的Ti6Al4V结构件,1.航空航天领域,4.6 典型应用,GE公司采用增材制造技术制造了Leap喷气发动机的金属燃料喷嘴，通过这一技术，将喷嘴原本20个不同的零部件变成了1个。,GE Aviation的LEAP喷气发动机,1.航空航天领域,4.6 典型应用,1.航空航天领域,NASA马歇尔航天飞行中心（NASAs Marshall Space Flight Center）的研究人员于2012年将选区激光熔化成型技术应用于多个型号航天发动机复杂金属零件样件的制造。,NASA采用SLM技术制备发动机零部件,4.6 典型应用,2.医学植入体,在牙科领域，3TRPD公司采用3T frameworks（3TRPD，Berkshire）生产商业化的牙冠牙桥。系统采用3M Lava Scan ST设计系统（3MEPSE，UK）和EOS M270（EOS GmbH）来提供服务，周期仅为三天。Bibb等人实现SLM工艺成型可摘除局部义齿（RPD），这表明从病人获取扫描数据后自动制造RPD局部义齿是可行的，但是尚未商业化。国内如进达义齿等相关企业已经购置德国设备用于商业化牙冠牙桥直接制造，1台设备即可替代月产万颗人工生产线。国内在前期研究中也针对患者每一个牙齿反求模型，然后通过SLM技术直接制造个性化牙冠、牙桥、舌侧正畸托槽。,采用SLM技术制备的牙冠牙桥,4.6 典型应用,3.多孔功能件,多孔结构可用来做超轻航空件、热交换器、骨植人体等。Basalah，Ahmad等人也研究了SLM成型钛合金的微观多孔结构，孔隙率在31%43%，与皮质骨孔隙率相当，适合用作骨植人体。Reinhart，Gunther等人研究指出增材制造借助其高度几何自由的优势为轻量化功能件制造提供了有利手段。在研究中采用周期性的多孔结构与拓扑优化结构，两者性能同样良好，但是多孔结构刚度降低，并通过扭矩加载实验得到验证。,思考题,1.述选区激光熔化工艺的基本原理。2.对比选区激光熔化工艺与选区激光烧结工艺的异同，并简述选区激光熔化的特点。3.选区激光熔化的成型材料有哪些？各有什么特点？4.简述选区激光熔化成型系统的构成及其各部分特点。5.试具体说明述选区激光熔化成型工艺的典型应用。,第4章 选区激光熔化工艺及材料,
