华中科技大学
硕士学位论文
不锈钢粉末选择性激光熔化直接制造金属零件研究
姓名：付立定
申请学位级别：硕士
专业：材料加工工程
指导教师：史玉升
20080604
摘要
选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM) 成形是一种新型激光快速制造技术。它通过激光完全熔化金属粉末，基于分层——叠加堆积原理实现金属零件的快速制造，能够获得致密度近乎100％、机械性能与锻造工艺相当的金属零件。近几年来该技术成为国外快速成形方面研究的热点，而在国内还处于起步阶段。目前SLM 直接成形具有工业用途的零部件，还存在两个较大的困难：一是在成形中依然存在裂纹、孔隙等问题，使致密度难以达到100%；二是国际上大部分的研究都针对特定粉末材料成形进行研究，没有建立激光熔化成形不同粉末的共性方案。
针对以上两个问题，本文以SLM直接成形致密的金属件为目标，以316L及304L 不锈钢粉末为主要实验材料对成形件致密度进行了系统研究，以求在得到致密件的同时确定优良的SLM成形研究方案。主要研究内容和结论如下：
（1）建立了SLM成形不同金属零件研究的共性方案。采用304L不锈钢粉末进行SLM实验，首先以线扫描、面扫描和方块扫描来确定SLM加工零件的扫描功率、扫描速度、扫描间距、扫描层厚和扫描方式。然后试样块经线切割，采用排水法测致密度，再制成金相，对其微观组织进行研究；最后综合各种因素，选择一组较优参数，制得致密度高且精度高的成形件。
（2）采用316L不锈钢进行正交实验研究，更进一步得出加工工艺参数对成形件致密度和精度的影响。
（3）采用气雾化制备的球形粉末可以提高粉末松装密度，这一是因为粉末流动性好；二是相同的粉末粒度下，球形粉SLM铺粉中可以采用更小的加工层厚，加强上下层的补偿和粉末压实作用。另外由于气雾化制备的粉末氧含量少，SLM成形过程中粉末之间的润湿性好，有利于得到致密的零件。
（4）对扫描方式进行了改进，跳转变向的扫描方式可以得到平整的表面，有利于下一层成形的进行，通过扫描方式和粉末的改进在一组较优的SLM工艺参数下得到了致密度为95%的试样。
（5）对其它金属粉末SLM成形进行了初步的研究，了解粉末性能对SLM成形质
量的影响，为这些粉末的SLM成形零件打下一定的基础。
（6）研究了热等静压与SLM复合技术快速制造高致密度的金属零件，进行支撑的制作以使零件更容易与基板分离，采用的材料为316L不锈钢粉末。
关键词：选择性激光熔化；线扫描；面扫描；致密度；粉末性能；扫描方式；
热等静压
Abstract
Selective laser melting (SLM)is a new laser rapid manufacture technology. Its principle is to full melt the metal powder, and realized the rapid manufacture of metal parts based on the principle of delamination&adding. It can get metal parts of 100% density with the comparative machine performance to forging. SLM becomes the hotspot of rapid manufacture abroad now,but in our country it is in the first step. Now there are still two difficulty when manufacture industry parts by SLM. The first is there still some crack and hole in the part. The second is most of the SLM research in the world are to special metal powder, there still no commonness SLM study method is applicable for all the metal powder .
To solve the two difficulties and directly manufacture metal parts by SLM,systemic research was taken to the density of SLM parts . The material researched was 316L stainlessness steel and 304L stainlessness steel. The purpose was to confirm commonness SLM study method at the same time of getting high density metal parts. The main research contents and results are as follows:
(1) Established the commonness SLM study method for vary metal powders. Operated SLM experiment by 304L stainlessness steel powder. First fixed on the laser power、scan rate、scan line spacing、layer thick and scan road by line scan、surface scan and three-dimensional part scan. Then incised the three-dimensional part, measured the density by drainage method, and measured its microstructure、micro-hardness、str ength. Finally we chose a set of parameter and got the part with high density and precision.
(2) Optimized the processing parameters in selective laser melting of 316L stainless steel powder. Using crossing experiment to analyse the effect to part density and precision of various parameters selected such as laser power, scan speed, scan spacing.
(3) The loose density of sphericity powder manufactured by gas atomization was higher than the powder manufactured by water atomization.First this is because the better liquidity.Second as to the same granularity, sphericity powder can get smaller layer
thickness so the adjacent layer can compensate each other.In additon,the powder manufactured by gas atomization contained less oxygen,that will increase the wettability of the powder and make for high density parts.
(4)The scan method was improved. Jump to change scan method can get smooth face,this will be benefit to the next layer shaped.After improved the powder and scan method finally got 95% density part by SLM.
(5)SLM of other metal powder also researched.It can detect the influence of powder performance to SLM and provide the base for the SLM of such powders.
(6)Composite process of SLM and Heat isostatic pressing (HIP) was studied preliminarily.
Key words: Selective laser melting; Line scan;Face scan;Density; Scan method;
Powder performance; Heat isostatic pressing
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：年月日
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本论文属于
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学位论文作者签名：指导教师签名：
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1 绪 论
1.1 选择性激光熔化国内外研究概况
1.1.1 选择性激光熔化成形原理、发展与难题
选择性激光熔化成形(Selective Laser Melting, SLM)是一种新型激光快速制造工艺，该技术主要是为了消除现有技术中的快速成形方法制造复杂金属零件密度低、机械性能较差、制作成本高、制造工艺复杂、制作周期长等缺点，由德国Fraunhofer 研究所于1995年首次提出，并于2002年研究成
功。SLM 成形原理如图1-1所示：
采用中小功率光纤或半导体泵浦YAG 激光器按照每层的轮廓数据对所选择的区域进行熔化，其它部位的粉末不熔化作为下一层成形时的支撑，每加工完一层工作缸下降一个层厚的高度，同
时把粉末材料往上升出由铺粉系统均匀地铺展到工作区域，再按下一层的轮廓数据进行加工，如此一层层累积直到形成所需要的零件。SLM 是由CAD 造型的3D 数据导出STL 数据，再生成每层的加工轮廓。
选择性激光熔化技术的优点:
（1）能直接制成终端金属产品, 不用任何后处理工艺或简单的表面处理，通过简单的CAD 造型和材料选择即可直接加工出可直接使用的零件，极大地缩短了产品开发周期[1]；
（2）能得到具有非平衡态过饱和固溶体及均匀细小金相组织的实体,致密度几乎能达到100%, 零件机械性能与锻造工艺所得相当[2]；
（3）使用具有高功率密度的激光器, 以光斑很小的激光束加工金属, 使得加工出来的金属零件具有很高的尺寸精度( 达0.1mm) 以及好的表面粗糙度(Ra 30～50μm)；
（4）由于激光光斑直径很小, 因此能以较低的功率熔化高熔点的金属, 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；
（5）适合各种复杂形状的工件, 尤其适合内部有复杂异型结构( 如空腔、三维网格) 、用传统方法无法制造的复杂工件；
（6）能采用钛粉、镍基高温合金粉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[3-4]。
由于SLM的研究具有重要的科学与社会意义，日益成为国内外研究的热点，近几年来取得了长足的发展，对该技术进行研究的国家主要集中在德国、英国、日本、新加坡与比利时等。如比利时鲁汶大学正在进行材料和工艺方面的研究[5]，英国利物浦大学也正在与MCP公司合作研究该技术[6,7]，日本东京工业大学与东芝、日立合作开展该技术的研究[8,9]。
目前德国在该领域处于领先地位[10], 已有多家公司及研究单位推出了选择性激光熔化商品样机, 并且已成EOS GmbH 公司的EOSINT M270 快速成形设备是该公司新开发的选择性激光熔化设备, 采用了性能优良的Yb 光纤激光器, 能将激光束光斑直径聚焦到100μm, 大大改善了零件成形的质量, 并且由于这种激光器的激光波长短( 1.06μm) , 可使金属材料能很好地吸收激光辐射过来的能量, 大大提高激光扫描的速度,减少成形时间。该设备最大的加工体积可达250mm×250mm×215mm, 加工层厚为20～100μm, 加工速度可达20mm3/s。MCP 公司的MCP Realizer_med 快速成形设备, 已能生产相对密度为100%的金属零件, 表面粗糙度为Ra 10~30μm, 产品在数小时内就能生产出来, 加工过程全部自动化, 每小时建立5cm3接近100%相对
密度的钢零件, 产品只需作简单的喷砂或抛光就可以直接使用。该设备采用刮板机构进行铺粉, 可以将每个加工层控制得很薄( 达到30μm) , 大大提高了成形精度。此外, 德国Concept Lasers 公司的M3 快速成形设备, Phenix-systems 公司的PM250 快速成形设备都可用于金属零件的选择性激光熔化快速成形。日本Osakada 实验室的选择性激光熔化设备采用峰值功率3kW, 平均功率50W, 频率为50Hz 的Nd∶YAG激光器, 激光束通过光纤传输到加工室,加工平面上的光斑直径为0.75mm, 零件每层的厚度为0.1mm, 扫描速度可达3～4mm/s。用该设备对钛金属粉末进行试验, 可制成相对密度为92%的金属零件,抗拉强度与一级钛金属试样差不多, 但抗疲劳性能较差, 仍需进
行一些后处理才能使用[3]。
第一台SLM系统由德国MCP-HEK公司于2003年底推出。用该公司生产的SLM系统加工出来的工件不需要渗金属，而且能得到致密度为100％的零件。该公司声称，任何金属材料和陶瓷材料均能使用，加工出来的零件表面光洁度较高。他们已经利用这种技术制造冲模、压铸模、注塑模、医用植入物、单件金属或者陶瓷零件。这些零件不需要后续热处理和渗金属。英国的利物浦大学是第一个购买和运用SLM系统的用户。采用的研究材料有：不锈钢(309L、316L)、工具钢、铝合金和钛合金，金属颗粒大小为20—50μm，用氩气保护，制件的精度为±0.1mm。
在国内，目前华南理工大学与北京隆源自动化成型设备有限公司及武汉楚天工业激光设备有限公司合作, 在国内的选区激光烧结设备的基础上开发了一种选择性
激光熔化快速成形设备, 目前样机已制造完毕, 并已展开工艺试验。该设备采用了额定功率200W, 平均输出功率为100W的半导体泵浦的Nd∶YAG 激光器,对激光扫描
系统、铺粉系统和扫描系统进行了初步的研究[3,11]，但目前还没有直接加工金属零件的报导。
由于巨大的市场价值与商业机密，SLM技术的发展与推广存在如下问题：（1）SLM系统十分昂贵，送粉时间长，工作效率低，且由于大工作台范围内的预热温度场难以控制，工艺软件不完善，制件翘曲变形大，因而无法直接制作大尺寸零件；（2）SLM材料品种有限，制备过程复杂，成本高，且其成分和制备方法保密，只售给购买其SLM系统者；（3）基于SLM技术的金属零件/模具的制造工艺成本高。只有解决以上问题，研发出可靠性和技术指标达到国际先进水平、价格低廉、具有自主知识产权的SLM系统、成形材料和配套的工艺路线，才能在我国推广这项技术[4]。
1.1.2 选择性激光熔化成形工艺的研究进展
在选择性激光熔化成形中，粉末材料要求完全被熔化，达到良好的冶金结合，进而获得致密度100%的零件，这就要求激光功率密度要足够大，而且成形的各项工艺参数要达到良好的配合才能得到致密均匀的组织。主要关系到激光器的选用，工艺参数（功率、扫描速度、扫描间距、加工层厚等）的确定。
（1）激光器的选用：激光器是SLM成形设备中的核心部件，而目前在激光器选用上，要解决的关键问题是如何进一步提高激光的光束质量和响应速度。在较小光斑的前提下，单位面积内的激光能量的提高意味着可以达到更高的扫描速度和表面精度，加工效率也会随之提高。
半导体泵浦固体激光器具有转换效率高、性能可靠、体积小巧、使用寿命长、
输出光束质量好等优点，特别对于细微激光加工，由于需要用到细微的聚焦光斑，具有良好光束质量的半导体泵浦固体激光器（据报道，已有输出光束的光束质量因子达到M2＜1.24——接近极限1的半导体泵浦固体激光器, 无疑是一个理想的选择[11]。目前该激光器已经被广泛应用到SLM设备中，如德国Concept Laser公司的M3 Linear金属零件快速成形设备就采用了半导体泵浦的单模Nd∶YAG激光器，激光功率为100-200W[12]。日本O sakada实验室的选区激光熔化设备采用峰值功率3kW，平均功率为50W，频率为50Hz的Nd∶YAG激光器，激光束通过光纤传输到加工室，在加工平面上光斑直径为0.75mm，用该设备对钛金属粉末进行试验，可制成相对密度为92％的金属零件，其抗拉强度与一级钛金属试样差不多[9]；比利时的J.P.Kruth等人采用连续模式下功率能达到300W（脉冲频率在0-500Hz之间可调）的Rofin-Sinar Nd:YAG激光器直接熔化成型铁基粉末，得到了致密度在91%以上的成形件[1]；华南理工大学采用额定功率200W，平均输出功率为100W的半导体泵浦的Nd:YAG激光器研制了一种选择性激光熔化快速成形设备，目前样机已制造完毕，正在开展工艺实验[13,14]。
光纤激光器的研究进展为SLM技术提供另一种性能更为优越的激光器，和传统的激光器相比，光纤激光器具有高增益、线宽窄、可宽带调谐、散热性能好以及易于和传输光纤耦合等优点[15,16]，已被成功应用到SLM成形设备中。欧洲有名的Rapid Tooling方案提供商MCP，推出了直接成形金属的设备——MCP Realizer,将它用于选择性激光熔化，可以成型压铸模具、注射模以及由一定成分金属金属和陶瓷的医学植入体，其设备采用IPG公司的100W固体光纤激光器[17]；德国的EOS公司推出的EOSINT Ｍ270型设备采用的也是200Ｗ的固体Yb光纤激光器，最小光斑仅为100μm，其功率密度大幅提高，可支持更高的扫描速度，减少零件的激光热影响和成形过程[18]；还有德国的Phenix-systems 公司把固体光纤激光器直接应用到SLM中，研制出型号为PM250和PM100的设备，激光器功率分别为50W和100W [19]。
（2）工艺参数的研究：
影响SLM成形的工艺参数有很多，目前主要研究的是对成形影响最大最难把握的扫描方式、激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等，对于每种金属粉末的SLM 成形上述几种参数都有相应的最佳组合，在这些方面，国内外众多学者进行了深入细致的研究，得出很多重要结论。
J.P.Krutha 等人对金属粉末在熔化过程中的受热变形和金属球化问题进行分析, 他们用 50%Fe,20%Ni,15%Cu和 15%Fe3P的混合物粉末进行试验, 对采用同扫描策
略的加工效果进行了研究和分析, 研究表明, 采用合适的扫描策略可以减小金属熔
化时的受热变形和球化问题，另外还研究了不同的扫描方式（脉冲扫描和连续扫描）对选择性激光熔化工艺的影响。结果表明，采用脉冲扫描方式比连续扫描方式能得到致密的金属零件，这是由于蒸发反冲力对熔池产生压力改善成形过程和质量[8]。
F. Abe,K. Osakada等人[20]对SLM直接成形镍基合金件进行了研究，指出缓冷或重新加热能减少残余应力，提高零件韧性。
Y．Tang等[21]研究了扫描速度、扫描线间距、激光功率大小、金属粉末层厚等参数对金属零件整体成形质量的影响。
法国的I.Yadroitsev，Ph.Bertrand，I.Smurov等人[22]利用PHENIX-PM100 快速型设备，对商品化不锈钢合金粉末Inox 904L进行了选区烧结实验研究。找到加工出连续金属线和平整金属面的优化加工参数，并对加工过程中产生的球化象进行了分析，在不锈钢的基底上加工出了 20×20×5mm的连续壁状结构，功50W，扫描速度
0.14m/s，铺粉厚度 50μm，最薄的薄壁壁厚达到 140μm。
英国利兹大学的M.Badrossamay, T.H.C.Childs等人[8]对不锈钢和工具钢合金末（M2、H13、316L和 314S-HC）进行了选择激光熔化研究，分析了扫描速度、光功率和扫描间隔对加工结果的影响，指出在一定范围内提高扫描速度会提高制件密度和质量。
英国的R. MORGAN 等研究了半导体泵浦Nd:YAG激光器SLM成形过程中激光
脉冲频率、扫描速度、扫描间距对316L不锈钢成形件密度的影响，主要研究了激光脉冲下蒸发反冲力对成形件致密度的提高作用[10]，
英国利物浦大学的P.R. Chalker等人[23]对镍钛合金SLM成形微型机电系统进行研究，指出在相同的能量密度下，改变激光功率和扫描速度的配合对成形件有很大的影响，而且一般情况下随着能量密度的提高，制件密度、性能也随之提高。
比利时的Peter Mercelis研究了316L不锈钢熔化成形时残余应力的影响和机制，并提出了一些解决方法[24]。
华南理工大学对半导体泵浦Nd:YAG激光器SLM成形工艺参数进行了研究，指出高的功率会导致球化严重；快的扫描速度是SLM的重要特点之一；扫描间距应比激光聚集光斑直径稍小才能保证完全熔化选择区域内的金属粉末[25,26]。
1.1.3 选择性激光熔化成形材料的研究进展
SLM成形的材料包括塑料、金属和陶瓷粉末。在工业应用中往往要加入一些微
量元素改善材料的成形性能和其它性能，而且由于SLM成形的特点需要选择能适用SLM加工的粉末，或者需要定制粉末。
金属和金属合金粉目前是研究最广泛的SLM成形材料，有些金属如不锈钢等很适合这种加工，而其它金属却很难加工，这往往是由于材料性能如熔点、热膨胀率、热传导率、液态金属粘性和颗粒润湿性达不到SLM加工的要求。
陶瓷粉末现在还很难被加工，这是由于以下两点：一.现在的SLM采用的激光器一般为光纤激光器和YAG激光器，这些激光器虽然能达到SLM要求的能量密度，但对陶瓷粉末而言，由于这些激光器的波长一般为1064nm，而陶瓷粉末对该波长下的吸收率很小，难以成形致密件；二.陶瓷粉末没有固定的熔点，也没有稳定的晶格结构，在扫描后的冷却过程中很容易产生裂纹[27]。
科技工作者希望能利用各种金属粉末材料在选择性激光熔化设备上成形金属零件, 但目前的选择性激光熔化工艺距离这一目标仍有一段距离。MCP 公司在材料的选用上做得比较好, 目前该公司的选择性激光熔化技术设备可以采用锌、青铜、不锈钢、工具钢、钛、铬钴合金等材料[17]。
（1）铁基材料
铁基材料（包括不锈钢）是现在研究最多的SLM成形材料，目前已经有很多的相关报导。
比利时的M. Rombouts1等人[28]对铁基粉末中加入O、C、Si、Ti和Cu等元素的作用进行了研究，实验研究发现这些元素对材料的吸收率、热传递、润湿性、熔体流动、氧化率、对流等有影响，从而改变铁基材料的SLM成形性能。
伊朗的A. Simchi对Fe、Fe-0.8C、Fe-4Cu、Fe–0.8C–4Cu–0.4P、316L不锈钢、M2等铁基材料的直接成形进行了研究，使用不同的激光功率、扫描速度、扫描层厚、扫描间距去研究成形的致密度，最后发现316L不锈钢和M2工具钢粉末直接成形得到的试件致密度比其它材料的都要高，证明这两种材料最适合直接成形[29]。
英国的R. H. MORGAN等[30-32]对316L不锈钢粉末直接快速熔化成形进行了深入的研究，提出了一些办法消除成形件的孔隙度、提高致密度，对所成形的零件进行了致密度的测量和分析，得到了致密度最高为87%的成形件。
德国的A. Simchi等人[33]对Fe合金的直接激光熔化成形进行了研究，合金比例为5W%，文中指出C可以减少表面张力和成形件孔洞，Cu可以把Fe粉更好地焊接在一起，而Ni和 Mo可以提高成形件机械性能。实验得到致密度为95%的成形件。
C. Over 等[2]对不锈钢1.4404(316L不锈钢) 、工具钢1.2343(4Cr5MoVSi)和钛合金
TiAl6V7 进行了选择性激光熔化工艺研究, 他们对采用选择性激光熔化技术制作的样件进行了相对密度、抗拉强度、尺寸精度及表面粗糙度分析, 发现用上述材料加工出来的零件的相对密度都接近100%, 并且由于高致密性, 零件的力学性能都相当不错, 如用TiAl6V7 粉末加工出来的样件抗拉强度达到105MPa,比该种金属的片状试
件还要高, 至于断裂强度则相对较差一点, 可能的原因是冷却速度太快或者粉末在
加工过程中含氧量增加的缘故。制成的零件表面光滑, 粗糙度达到Ra 30～40μm, 尺寸精度也很高,在X、Y、Z三个方向的最小尺寸精度不低于0.1mm。
国内华中科技大学的鲁中良等人[34]研究了Fe-Ni-C合金粉末的SLM成形，得到了高致密度的金属零件。
（2）非铁基材料
对于非铁基材料，目前国内外也有一些研究，取得了一些重要的成果和结论。
英国利物浦大学的Matthew Wong等人[35]对SLM制造散热器的材料进行了研究：使用常用的SLM材料316L不锈钢与6061铝合金进行比较，在铝里面加入0.98%的镁、0.56%的硅、0.22%的铜克服了铝难以用于SLM加工的特点，与316L不锈钢比较，用6061铝合金制作散热器密度大大减少，而且热传导率也大大增加了。
北京工业大学的张冬云[36]研究了粉末材料性能对SLM模型制造过程的影响，采用相同激光参数加工不锈钢、工具钢、钛合金、铝合金等金属粉末,铝合金粉末发生成球结晶现象,而其他金属粉末则形成致密的冶金结合，而且铝合金铺粉性能差，制成的模型表面质量也差。文中提出一些理论分析和解决办法，但由于物理性能的影响铝合金粉末的SLM成形比铁基粉末难度大很多。
华南理工大学的吴伟辉[37]等人研究了Cu基粉末的SLM成形，采用合适的激光模式和扫描方式，得到了致密度为95%的成形件，并在显微镜下观察了其微观组织。
1.1.4 选择性激光熔化直接制造金属零件的研究现状分析
到目前为止，关于SLM直接制造金属零件的研究比较多，而且已有应用实例，国外在此方面的研究要明显优于国内，个别单位已经能够直接制造出100%致密度的金属零件并已使材料和设备商品化，但成本昂贵，应用领域难以拓展。国内尚无商品化的粉末材料和可应用的零件成果出现。
国外目前已有SLS与热等静压（HIP）相结合的报道[38]，但还没有SLM与HIP复合成形的报道，SLM可为HIP提供各种复杂形状的包套，而HIP又能得到致密度100%的金属零件，二者结合比只研究SLM直接成形100%的金属零件要容易突破，比较适
合国内的SLM研究现状。
1.2 课题来源、研究内容、目的及意义
课题来源：国家科技型中小企业技术创新基金“选择性激光熔化快速成形技术及装备”(项目编号：05C26214201059)。
本次毕业设计的目的是分析SLM成形的宏观现象和微观机理，改进设备和确定合适的工艺参数，得到精度高、致密度高的成形零件。具体内容为以下几个方面：（1）成形工艺包括：激光功率，扫描速度，扫描间距，扫描层厚，扫描方式。目标是得到复杂形状、表面光洁、致密度高（90%以上）的零件。
（2）研究的材料主要为316L不锈钢和304L不锈钢，从基础的线扫描、面扫描再到三维零件制作进行了系统的研究，对成形件的微观组织进行了分析，并对316L不锈钢的SLM成形进行了正交实验分析。
（3）对水雾化制备的不规则粉末与气雾化制备的球形粉末进行比较，研究粉末性能对SLM成形的影响，并对其它金属粉末如铜、铝等的SLM成形进行了初步的探讨。
（4）对SLM/HIP技术进行了研究，包括立体零件造型，支撑制作、SLM做包套和HIP致密化，通过实验做出了初步的零件。
经过上述几项研究，研究最终所要达到的目标是：使用304L和316L不锈钢得到致密度较高的复杂零件，确定各种工艺参数和材料性能对成形精确致密复杂零件的影响，并由此得出一套对金属粉末SLM成形的系统研究方法，；初步尝试SLM等静压复合方法并尝试使用该方法制造金属零件，为该方面进一步的研究奠定基础。
选择性激光熔化技术目前已应用到医学、模具和量具制作等多个领域，医学上已有SLM技术制造出的牙冠和假牙用于牙科中，金属模具等以德国MCP公司为首的已掌握了关键技术，能直接制造大型量规、精密的金属模具插件及薄壁金属零件等。鉴于SLM的重要用途，如能研究出自主产权的SLM设备和材料，就可以打破国外在这方面的技术垄断，另外本研究中的SLM/HIP复合技术可以填充国内外研究的空白，为快速制造提供新的思路和方向。
2 实验材料、设备与方法
2.1 选择性激光熔化成形材料
实验主要材料为-400目的316L 不锈钢和-250目的304L 不锈钢，它们均为采用水雾化方法制备的不规则形状粉末。后又对尺寸30μm 以下（过筛）的316L 粉末进行了研究，并使用该种粉末制作等静压件。
表2-1 用于选择性激光熔化制造的不锈钢粉末成分
C Cr Ni Mo 其它 316L ≤0.030 18.0～20.0 9.00～13.00- - 304L ≤0.03 16.0～18.0 12.00～15.00- - 另外还对碳钢（C steel ）、铜粉、镍合金粉、硅铁、锰铁、低碳铬铁、中高碳铬铁、钴粉、和钨粉的SLM 成形做了初步的探索。
2.2 选择性激光熔化实验设备
2.2.1 实验机器与配套设备
实验采用华中科技大学自主研制的HRPM-II 系统（如图2-1所示），其性能参数见表2-2。
图2-1 HRPM-II 系统
选择性激光熔化（SLM ）设备的核心部分是激光器，而目前在激光器选用上，要解决的关键问题是如何进一步提高激光的光束质量和响应速度，在较小光斑的前提下，单位面积内的激光能量的提高意味着可以达到更高的扫描速度和表面精度，
表2-2 HRPM-II 系统性能参数表
型号
HRPM-II 成形空间（L×W×H ） (mm) 320mm ×320mm ×440mm 激光器功率与类型 100W 连续模式光纤激光器激光扫描方式 二维振镜聚焦
激光最小光斑直径(mm)
0.03 激光最大扫描速度(m/s)
5 成形速度(mm 3/h) ≥7000
金属粉末铺粉层厚度(μm)
50-100 送粉方式 双缸上漏粉
加工效率也会随之提高，光纤激光器能较好地满足这种需要，光纤激光器取代其它激光器用于SLM 已经成为一种必然的趋势。所以HRPM-II 系统配置100W 的光纤激光器，较好地满足了SLM 成形的需要。但其最大输出激光功率为100W 偏小，进一步的功率提高可能更利于SLM 的成形质量。
图2-2 SLM 工艺的原理示意图
HRPM-II 系统的工艺原理如图2-2所示：每层加工时，首先由电机带动送粉系统的滚筒转动一定圈数，粉末落到工作腔内，再由铺粉装置将粉末均匀地送到加工区域铺到基板上，高度等于设计的一层层厚，由软件控制激光扫描系统对选择的加工区域进行扫描，形成一层轮廓，然后，可上下移动的活塞再下降一层加工层厚的高度，送粉系统再继续转动送粉，下一层加工开始，如此逐层加工，直至SLM 零件加工完成。 2.2.2 基板的选择
为了能够快速制造金属零件，基板必不可少。基板的热物性与是否预热直接影响着金属零件的质量。在选取基板时，必须按照以下原则：（1）热膨胀系数相近原则；否则会在熔化层产生热应力，使熔化层出现裂纹或者翘曲变形；（2）熔点相近
出气口
原则，如果两者熔点相差太大，否则熔化层与基板不能很好的冶金结合，从而使SLM 成形金属零件容易剥落甚至翘曲变形；（3）润湿性原则，只有基板与第一层熔化层之间润湿性良好，熔化成形的第一层才不会出现严重球化现象，进而影响后续层的铺粉与制造，另外，否则熔化层与基板之间不能冶金结合才能良好，以致于脱落。
不锈钢基板采用1Cr48Ni9Ti，它与304L不锈钢及316L不锈钢同属18-8不锈钢，它们的物理性能比较如表2-3所示，经过比较可知该基板满足选取的三个原则，理论上可以激光作用下与所加工的粉末达到良好的熔合。
表2-3 基板与粉末材料物理性能分析
不锈钢的型号
熔点
（0C）
延伸率
（%）
比热
J/g0C
热膨胀系数×10-6
cm/cm/0C(2～1000C)
热传导率
W/m.(1000C)
1Cr48Ni9Ti（基板）≥1480 ≥40 0.50 17.3 16.3 304L（粉末）≥1454≥40 0.50 16.0 16.3 316L（粉末）≥1520 ≥40 0.50 16.7 16.1
2.3 实验方法
（1）实验研究的主要工艺参数
为找出对每种粉末合适的SLM加工工艺参数，研究了扫描功率（P）、扫描速度（v）、扫描间距（s）、扫描层厚（t）等对金属零件成形质量的影响，通过固定其它
参数不变改变一种参数的方法，分别着重研究了每一种工艺参数对成形的影响，最
后找出一组最合适的工艺参数组合。
粉末松装密度测试，用激光熔化成形一方型空腔，测出空腔内粉末的质量，再
计算空腔体积，由此算出的密度再除以该种材料的理论密度，得到粉末松装致密度。
（2）线扫描
从基础的线扫描开始研究，首先在基板上直接用激光扫描，找出在不同的激光
功率和扫描速度下基板熔化的宽度，分析激光输入的能量密度作用；然后在基板上
均匀地铺上一定层厚的粉末，再用不同的激光参数扫描，找出工艺参数与熔宽、熔
深等的影响，确定激光所能熔化的范围。
（3）面扫描
基于以上线扫描的结论，结合激光熔化的宽度选择扫描间距，研究熔化重叠量
对成形质量的影响，如图2-3所示：图中w为扫描线宽，s为扫描间距，Dw为重叠量。
然后通过实验找出不同的扫描方式对零件成形的影响。
图2-3 重叠熔化线截面图[39]
（4）立体方块扫描
基于以上面扫描的结果，结合熔深选择合适的扫描层厚，每次加工十个块，每个块的激光工艺参数（P 、v 、s 、t ）不同，测量每个块的尺寸和致密度，得到工艺参数对致密度和精度的影响。
（5）复杂零件制作
通过以上系统的研究，在UG 上造型复杂零件，找出合适的加工工艺参数组合，在HRPM-II 系统上进行加工，得到精度、致密度和表面粗糙度良好的实体零件。
（6）各种扫描方式
所研究的扫描方式有分组变向、分块变向、跳转变向、内外螺旋，具体扫描路径如图2-4所示。
a 分组变向
b 分块变向
s
c 跳转变向
d 内外螺旋
图2-4 各种扫描方式示意图
如图a所示，分组变向即为扫描线沿成形面来回扫描一遍，下一层改变方向（与上一层垂直）再来回扫描一遍。
如图b所示，分块变向把成形面分成很多小块，一次完成一小块，直至整个成形面完全成形。
如图c所示，跳转变向的扫描线与分组变向完全相同，只是扫描时序不同，跳转变向先依次扫描从左到右的扫描线，再回过头来扫描从右至左的扫描线，前后两次扫描线的间隔是扫描间距的两倍。
如图d所示，内外螺旋就是先从内部封闭的轮廓开始扫描，然后往外由小到大成形整个扫描平面。
2.4 试样测试分析
（1）粉末粒度分析
采用激光衍射法分析雾化粉末的粒度及分布特征,实验采用华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的激光衍射粒度分析仪,可检测的粒度范围为0.05-550μm。
（2）光学显微镜观察
把制得的试样直接放在光学显微镜下观察，由目镜处拍摄照片和标尺，用来分析线、面扫描的表面形貌。
（3）体氏显微镜观察
试样表面形貌观察采用KH1000体式显微镜，通过该显微镜可以观察立体成形零件的表面状态，借此寻找致密度提高的方法。该设备可提供50~400的放大倍数。主要技术指标为：主控制器1/2"CCD Camera，90万像素以上；工作距离65MM变焦，三维转位接口45度，工作距离20MM；三维平面低位接口20X-120X/工作距离72MM；分辨率优于0.2u。
（4）金相分析
对SLM试样取样，经镶样机镶样后，用自己配置的王水溶液（浓硝酸与浓盐酸按体积比为1∶3的比例混合）浸蚀试样, 再用德国生产的Axiovert 200MAT—金相显微镜观看其金相特征并拍摄图样。
（5）扫描电镜（SEM）观察
工作原理：电子枪发出的电子束轰击试样,激发出各种信号,通过探测器和试样接地之间的高灵敏毫微安计把信号选择性的接受下来,再放大处理,即可反映出试样的形貌、成份。采用扫描电镜观察材料的显微组织特征和表面形貌,观察激光工艺参数对试样致密度的影响。
金属零件激光选区熔化3D打印装备与技术随着科学技术日新月异的进步，机械加工行业不断发展。而快速成型技术，尤其是激光3D打印技术在机械加工行业中起到了越来越大的作用，并渐渐在制造业得到了广泛应用，成为了如今机械制造业中不可或缺的一部分。3D打印技术正在快速改变我们传统的生产方式和生活方式，不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术将推动第三次工业革命。 金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添置方式将金属3D打印技术分为三类：（1）使用激光照射预先铺展好的金属粉末，即金属零件成型完毕后将完全被粉末覆盖。这种方法目前被设备厂家及各科研院所广泛采用，包括直接金 属激光烧结成型（Direct Metal Laser Sintering,DMLS）、激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）和LC（Laser Cusing）等；（2）使用激光照射喷嘴输送的粉末流，激光与输送粉末同时工作（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。该方法目前在国内使用比较多；（3）采用电子束熔化预先铺展好的金属粉末（Electron Beam Melting,EBM），此方法与第1类原理相似，只是采用热源不同。 激光选区熔化技术是金属3D打印领域的重要部分，其采用精细聚焦光斑快速熔化300－500目的预置粉末材料，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。致密度可达到近乎100%，尺寸精度达20－50微米，表面粗糙度达20－30微米，是一种极具发展前景的快速成型技术，而且其应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。 目前SLM设备的研究和开发也成为了国内外快速成型领域的热点。本文对SLM设备的组成和成型原理进行了一个概述性的介绍，对比了国内外SLM设备的参数，并对SLM设备和技术的发展进行了展望。 SLM成型设备 SLM设备一般由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几个部分组成。 光路单元主要包括光纤激光器、扩束镜、反射镜、扫描振镜和F-?聚焦透镜等。激光器是SLM设备中最核心的组成部分，直接决定了整个设备的成型质量。近年来几乎所有的SLM 设备都采用光纤激光器，因光纤激光器具有转换效率高、性能可靠、寿命长、光束模式接近基模等优点。由于激光光束质量很好，激光束能被聚集成极细微的光束，并且其输出波长短，因而光纤激光器在精密金属零件的激光选区熔化快速成型中有着极为明显的优势。扩束镜是对光束质量调整必不可少的光学部件，光路中采用扩束镜是为了扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗。扫描振镜由电机驱动，通过计算机进行控制，可以使激光光斑精确定位在加工面的任一位置。为了克服扫描振镜单元的畸变，须用专用平场F-?扫描透镜，使得聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。
《快速成型技术Ⅰ》课程论文 针对熔融挤出成型(FDM)技术的表面粗糙度分析讨论 学院机械与汽车工程 专业机械一 学生姓名廖政泰 指导教师杨永强王迪 提交日期年月日
表面粗糙度及影响因素 表面粗糙度影响零件的耐磨性。表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。 2）表面粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。 表面粗糙度 表面粗糙度 3）表面粗糙度影响零件的疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。 4）表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。 5）表面粗糙度影响零件的密封性。粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。 表面粗糙度 表面粗糙度 6）表面粗糙度影响零件的接触刚度。接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。 7）影响零件的测量精度。零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。 此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。 选择性激光熔化技术的基本原理 SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106W/Cm2。目前用SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纤(Fiber)激光器。这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、10640nm、1090nm。金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10640nm等较长波长激光的吸收率较低。因此在成型金属零件过程中具有较短波长激光器的激光能量利用率高，但是采用较长波长的Co2激光器，其激光能量利用率低。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。根据成型件三维CAD 模型的分层切片信息，扫描系统(振镜)控制激光束作用于待成型区域内的粉末。一层扫描完毕后，活塞缸内的活塞会下降一个层厚的距离;接着送粉系统输送一定量的粉末，铺粉系统的辊子铺展一层厚的粉末沉积于已成型层之上。然后，重复上述2个成型过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕。这样，三维CAD模型通过逐层累积方式直接成型金属零件。最后，活塞上推，从成型装备中取出零件。至此，SLM金属粉末直接成型金属零件的全部过程结束. 在制造过程中，铺粉装置按设定的层厚将金属粉末均匀地铺设在基板上，激光在振镜控制下对需要熔化的区域进行扫描熔化；然后，基板下降一个层厚，重复下层的加工，如此往复，金属零件一层层地被加工出来。SLM激光快速成型技术非常适用于复杂零件的快速制造，它可以极大地缩减产品开发周期，降低设计与制造成本，具有广阔的研究与应用前景［1～8］。在这种逐层加工过程中，前一层水平面的表面质量直接影响到下一层的铺粉均匀性，如果前一层的表面粗糙度值很大，甚至存在球化现象，则可能导致下一层的铺粉过程无法完成，从而使得成型加工无法继续；另外，垂直面、倾斜面的表面粗糙度作为成型零件表面粗糙
近年来诞生了选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）金属粉末的快速成型技术，用它能直接成型出接近完全致密度的金属零件。SLM技术克服了选择性激光烧结（Selective Laser Sintering。SLS）技术制造金属零件工艺过程复杂的困扰。 用SLS技术制造金属零件的方法主要有： （1）熔模铸造法：首先采用SLS技术成型高聚物（聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS等）原型零件，然后利用高聚物的热降解性，采用铸造技术成型金属零件。 （2）砂型铸造法：首先利用覆膜砂成型零件型腔和砂芯（即直接制造砂型），然后浇铸出金属零件。 （3）选择性激光间接烧结原型件法：高分子与金属的混合粉末或高分子包覆金属粉末经SLS成型，经脱脂、高温烧结、浸渍等工艺成型金属零件。 （4）选择性激光直接烧结金属原型件法：首先将低熔点金属与高熔点金属粉末混合，其中低熔点金属粉末在成形过程中主要起粘结剂作用。然后利用SLS技术成型金属零件； 最后对零件后处理，包括浸渍低熔点金属、高温烧结、热等静压（Hotisostat ic Pressing，HIP）。 这些方法所制造的金属零件机械性能受低型工艺过程的影响因素比较多。为此，德国Fraunhofer激光器研究所（Fraunhofer Inst itu te for LaserTechnology，ILT）最早提出了直接制造金属零件的SLM技术。 选择性激光熔化技术的基本原理 SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106W／Cm2。目前用SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纤（Fiber）激光器。这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、10640nm、1090nm。金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10640nm等较长波长激光的吸收率较低。因此在成型金属零件过程中具有较短波长激光器的激光能量利用率高，但是采用较长波长的Co2激光器，其激光能量利用率低。 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。 根据成型件三维CAD模型的分层切片信息，扫描系统（振镜）控制激光束作用于待成型区域内的粉末。一层扫描完毕后，活塞缸内的活塞会下降一个层厚的距离；接着送粉系统输送一定量的粉末，铺粉系统的辊子铺展一层厚的粉末沉积于已成型层之上。然后，重复上述2个成型过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕。这样，三维CAD模型通过逐层累积方式直接成型金属零件。最后，活塞上推，从成型装备中取出零件。至此，SLM金属粉末直接成型金属零件的全部过程结束。
1 铺粉 国外选区激光熔化成形技术在航空航天领域应用现状 董鹏 陈济轮 （首都航天机械公司，北京100076） 摘要：选区激光熔化成形技术具有制造精度高、表面质量好以及能够实现悬空、复杂内腔和型面等复杂构件的整体制造等特点，是满足航空航天领域中复杂薄壁精密构件高精度、高性能、高柔性与快速反应的理想制造方法。本文对国外选区激光熔化成形技术在航空航天领域的应用以及技术发展方向进行了分析。 关键词：选区激光熔化成形；航空航天；应用现状 Current Status of Selective Laser Melting for Aerospace Applications Abroad Dong Peng Chen Jilun (Capital Aerospace Machinery Company,Beijing 100076) Abstract ：Selective laser melting can manufacture complex geometries structures with thin walls and hidden voids or channels without tools or mould,for difficult-to-machine materials.It provides a high efficiency,high-quality,flexible manufacturing technique for manufacturing components in aerosapce fields.The current status and the trends of of selective laser melting for aerospace applications in abroad were analysed. Key words ：selective laser melting ；aerospace ；current status of applications 1 引言 金属材料增材制造技术是在航空航天领域关键件研制需求的牵引下诞生的，由于其特有的技术优势，使得各国政府和研究结构投入大量的人力、物力、 财力进行该项技术的研究。近些年在航空航天领域迫切需求的牵引以及计算机技术、激光技术以及材料科学等相关基础技术快速发展的推动下，增材制造技术发展十分迅速。 图1选区激光熔化成形基本流程[4] 作者简介：董鹏（1983-），工程师，光学工程专业；研究方向：激光焊接与增才制造。 收稿日期：2014-03-06 CAD 模型 分层切片 铺粉 激光按分层形状熔化金属粉末 基板下降 完成零件制备
金属粉末选择性激光烧结快速成型技术介绍 介绍了选择性激光烧结技术的工作原理。简述了选择性激光烧结的三种典型金属粉末成型工艺。指出了选择性激光烧结技术成型金属零件所存在的一些问题和选择性烧结技术的发展前景。 1 引言 选择性激光烧结(以下简称SLS)技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。 国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS 一300激光快速成型的商品化设备。 2 SLS技术的工作原理 选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS技术的快速成型系统工作原理见图1。 整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910326782.0 (22)申请日 2019.04.23 (71)申请人 阳江市五金刀剪产业技术研究院 地址 529533 广东省阳江市高新区福冈工 业园科技五路科技企业孵化中心大楼 首层 申请人 阳江市高功率激光应用实验室有限 公司 (72)发明人 路超 张瑞华 屈岳波 肖梦智 赵超 栗子林 康平 刘燕红 邱桥 (74)专利代理机构 北京市邦道律师事务所 11437 代理人 薛艳 温雷 (51)Int.Cl.B22F 3/105(2006.01)B33Y 10/00(2015.01)B33Y 30/00(2015.01)B33Y 40/00(2015.01) (54)发明名称一种选区激光熔化成型的方法(57)摘要本发明属于选区激光熔化成型技术领域。为了解决采用现有选区激光熔化成型方法获得的成型件存在内部有气孔以及表面精度差的问题，本发明公开了一种选区激光熔化成型的方法。该方法具体包括以下步骤：步骤S1，进行铺粉操作；步骤S2，采用第一热源对粉末层进行扫描处理；步骤S3,采用第二热源对粉末固态层进行扫描处理；步骤S4，重复步骤S1至步骤S3，进行逐层的粉末铺设和扫描操作，直至完成零部件的制备；其中，第一热源的能量密度小于第二热源的能量密度。采用本发明的方法进行选区激光熔化成型操作，可以避免成型件内部出现气孔，提升表面精度， 获得高质量的成型件。权利要求书1页 说明书5页 附图5页CN 110064756 A 2019.07.30 C N 110064756 A
５０，０８００２５激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊ ｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ基于选区激光熔化快速成型的自由设计与制造进展 宋长辉１，２ 杨永强１，２ 叶梓恒１ 王 迪 １（１华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０；２广州有色金属研究院，广东广州５１０６４１ ）摘要 随着机械系统复杂性的不断增加，在现代结构理论模型的设计中，设计者需要统筹考虑结构新颖性、性能优 良性和制造可行性，但传统的制造方式对设计约束很大。选区激光熔化（ＳＬＭ）是快速制造中最有发展潜力的技术之一，在理论上可以实现任意复杂的计算机辅助设计（ＣＡＤ）理论模型到金属功能件的直接制造。针对ＳＬＭ自由 制造的特点，结合华南理工大学在该技术方面的研究基础，研究了具有免组装、功能集成和轻量化特点的复杂金属 功能件自由设计与直接制造的工艺，为航空航天、医疗、汽车等领域的产品创新设计与个性化制造提供参考。 关键词 光学制造；选区激光熔化；自由设计与制造；免组装机构；轻量化构件 中图分类号 Ｏ４３６ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５０．０８００２６ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｓｏｎｇ Ｃｈａｎｇｈｕｉ １，２ Ｙａｎｇ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ１， ２ Ｙｅ Ｚｉｈｅｎｇ１ Ｗａｎｇ Ｄｉ １１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｈｚｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ２ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｏｎ－Ｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５１０６４１，烄烆烌烎ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｇｉｖｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌｔｙ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｍｐｏｓｅ ｇｒｅａｔ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ（ＳＬＭ）ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｍｏｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐ ｏｔｅｎｔｉａｌ，ｗｈｉｃｈｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｄｉｒｅｃｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐａｒｔｓ ｆｒｏｍ ａｎｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ（ＣＡＤ）ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ＳＬＭ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅｒｅｌａｔｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｅ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｅｔａｌ ｐｉｅｃｅｓ ｗｉｔｈ ｎｏｎ－ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇ ｈｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｚｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆａｅｒｏｓｐ ａｃｅ，ｍｅｄｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ；ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｎｏｎ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇ ｈｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １ ４０．３３９０；３５０．３８５０；２３０．４０００ 收稿日期：２０１３－０３－０８；收到修改稿日期：２０１３－０４－０１；网络出版日期：２０１３－０７－ １１基金项目：国家自然科学基金（５１２７５１７９ ）作者简介：宋长辉（１９８６—） ，男，博士研究生，主要从事激光加工与激光快速成型等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｎｇ＿ｃｈａｎｇ ｈｕｉ＠１６３．ｃｏｍ导师简介：杨永强（１９６１—） ，男，博士，教授，博士生导师，主要从事激光材料加工、快速成型制造等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｅｙｑｙａｎｇ ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（通信联系人）１ 引 言 随着机械系统复杂性的不断增加，在现代结构理论模型的设计中，设计者需要统筹考虑结构新颖性、性能优良性和制造可行性。其中制造可行性强调在设计阶段就要充分考虑制造中的问题，其基本思想是从产品设计参数中提取与制造过程相关的信息进行分析，以改善设计。传统制造对于产品的形状与结构设计约 ０８００２６－ １
3 基金项目:国家科技型中小企业创新基金(项目编号:05C26214201059) 收稿日期:2007212214 第28卷第3期 应 用 激 光 Vol.28,No.32008年6月 A P PL I ED LAS ER J une 2008 选区激光熔化成形温度场模拟与工艺优化 3 章文献, 史玉升, 李佳桂, 伍志刚 (华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074) 提要 在金属粉末的选择性激光熔化成形过程中,需要解决球化、翘曲、变形等难题。对于一定的金属粉末,通过优化成形工艺参数可以克服以上难题。为此,利用ANSYS 有限元法对成形过程的熔池及温度场模拟,建立有限元模型,分析得出成形过程熔池的深度和宽度,预测并优化成形过程的工艺参数。通过实验验证,应用有限元法优化后的成形工艺参数能够成形出复杂金属零件。 关键词 选择性激光熔化; 有限元模型; 熔池; 温度场 Simulation of T emperature Field for Optimization of Processing P arameters of Selective Laser Melting Metal Powders Zhang Wenxian , Shi Yusheng , Li Jiagui , Wu Zhigang (S tate Key L aboratory of M aterial Processing and Die and Moul d Technology ,H uaz hong Universit y of Science and Technology ,W uhan ,H ubei 430074,China ) Abstract The phenomena such as balling effect ,warp ,and distortion may occur in the process of selective laser melting (SL M )metal powders.These difficulties can be solved by optimizing the processing parameters during the process for a special metal powders.To optimize the parameters ,the temperature field and molten pool dimensions during the SL M process are modeled and simulated with ANSYS finite element method.The analysis results are given and optimum processing parameters are verified by forming complex structure lattice iron parts with the SL M technology.K ey w ords Selective laser melting ; finite element model ; molten pool ; temperature field 选择性激光熔化(selective laser melting ,SL M )快速成形技术可以直接成形出高精度、综合机械性能好的金属零件。该技术基于离散-堆积成形原理,根据零件CAD 模型直接成形三维实体,成形过程中扫描选区内的金属粉末在激光辐照下完全熔化而获得近100%致密的金属零件[1]。目前,国外应用SL M 快速成形技术可直接制造模具、工具、生物移植物等,它们涉及机械制造、航空航天、生物医学等领域,具有很好的应用前景。 对于特定粉末材料的选择性激光熔化快速成形过程,其成形参数直接影响成形过程的顺利进行及成形零件的致密度、表面质量、成形精度等性能。因此,在成形工艺研究过程中要对成形工艺参数进行优化。然而,目前SLM 快速成形技术的成形工艺参数的优化主要在实验及经验的基础上进行总结,缺少系统科 学的优化理论来指导,不利于SLM 快速成形技术的机理及工艺研究。为此开展了有限元模拟SLM 快速成形过程的相关研究,目前主要有以下人员从事这方面的研究。Childs T.H.C 等人对无基板情况下的粉末单扫描成形截面形状以及面扫描成形层质量进行有限元模拟[2-5]。Shiomi M.等人应用有限元法模拟分析了无基板情况下的粉末面扫描成形层的二维温度场与残余应力[6]。Osakada K 等人也对无基板情况下的粉末面扫描时单层固化成形的应力分布应用有限元模拟进行分析,并提出解决单层固化成形时缺陷的方法[7,8]。因为以上研究主要是针对无基板情况下激光熔化过程中的单线扫描和单面扫描的粉床温度场和应力场的有限元模拟,其主要目的是向无基板下的选择性激光熔化快速成形技术方向发展。然而对于在基板上粉末的选择性激光成形过程的熔池及 — 581—
TC4是一种α＋β双相钛合金，具有优异的综合力学性能，使用温度范围较宽，合金组织和性能稳定，被广泛应用于航空、航天、造船、汽车等领域。因此，有关该产品的技术特点与应用上大家需要有所了解。 首先，钛合金本身所具有的高熔点、高熔融态活性以及大的变形抗力使得钛合金的传统机械加工具有一定的难度。随着新一代航天武器装备对其零部件服役性能的要求日益提高，钛合金材料薄壁复杂结构的制备技术成为航天制造业研究的热点之一。，因此，SLM成形Ti6Al4V构件得到了各国学者的关注，相关研究较为全面和深入。 一、TC4合金粉末的选择有关粉末质量影响因素：
二、TC4增材制造工艺选择，不同增材制造工艺对比
三、TC4成型参数的选择 采用激光选区熔化技术，零件成型过程中由于扫描速度快、熔池小且凝固快。因此，打印的工艺参数是影响零件组织、孔隙率和表面粗糙度的重要因素。 四、TC4零件成型支撑的选择 SLM是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。为保证复杂零件的成型质量，SLM工艺一般需要添加支撑结构，其主要作用体现在：1）承接下一层未成型粉末层，防止激光扫描到过厚的金属粉末层，发生塌陷； 2）由于成型过程中粉末受热熔化冷却后，内部存在收缩应力，导致零件发生翘曲等，支撑结构连接已成型部分与未成形部分，可有效抑制这种收缩，能使成型件保持应力平衡。 五、TC4激光选区熔化打印案例——卫星领域 早在2014年，空客公司就曾采用德国EOS设备成功制造过卫星支架，且采用增材制造手段，较传统的机加工，每颗卫星所需的三个支架的制造时间从一个月减少到不足五天。 在2016年，在两家法国航天公司的共同努力，采用Concept Laser X line 1000R设
·57· 选择性激光熔化激光快速成型铺粉装置设计 * 陈光霞① 曾晓雁② （①江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056；②华中科技大学武汉国家光电实验室激光部，湖北武汉430074） 摘 要：叙述了利用现有条件，自行设计、制造的一套铺粉装置的基本组成和工作原理；论述了铺粉装置设计 中的若干关键技术，如活塞导向装置设计、缸体结构设计，刮板的材料选择及结构设计等。该铺粉装 置已成功应用于实际加工，取得了良好的铺粉效果。 关键词：选择性激光熔化 铺粉装置 导向装置 刮板 Design on SLM Powder Coating Device CHEN Guangxia ①，ZENG Xiaoyan ② （①School of Electromechanical and Architectural Engineering ，Jianghan University ，Wuhan 430056，CHN ； ②Division of Laser Technology ，Wuhan National Laboratory for Optoelectronics ， Huazhong University of Science ＆Technology ，Wuhan 430074，CHN ） Abstract ：Working principle and function of main composes were introduced in this paper ，key technologies for de-signing the device were discussed ，such as designing on guide pistons ，cylinder block ，and scraper.The powder coating device is used successfully ，and the effect of the powder coating is well. Keywords ：SLM ；Powder Coating Device ；Guide Pistons Device ；Scraper 选择性激光熔化（SLM ）技术是近年来出现的最新 的快速成型技术之一， 其工作原理是应用分层制造思想，以粉末为材料，将CAD 模型转换为零件。其机械性能与锻造相当 ［1 3］ 。具有广泛的应用前景。要想将SLM 激光快速成型技术用于实际，必须先 拥有一套高精度的加工设备。国外的设备价格昂贵，不适合在国内推广。本文利用现有的加工制造条件，设计制造出一套经济实用的高精度的SLM 设备。铺粉装置是SLM 激光快速成型设备中的关键部件，铺粉的均匀性直接影响快速成型的成败。本文对SLM 铺粉装置的基本组成、工作原理以及设计中的关键技术进行了论述。 1铺粉装置的组成及工作原理 如图1所示，铺粉装置由送粉缸9、成型缸7、回收 缸4、缸体、线性导轨、刮板8等部分组成。工作原理为：成型缸活塞下移1个加工层厚，送粉缸的活塞上移2 3倍的铺粉层厚，推动金属粉末上移，同时回收缸下移1 2个层厚；刮板在滚珠丝杠带 动下快速将粉末刮到成型缸完成铺粉工作，多余的粉 末刮到粉末回收缸中；激光进行该层的加工扫描，加工完成后，成型缸活塞下移1个层厚，刮板回到初始位 置，准备下一层铺粉。如此往复，完成激光加工的铺粉操作。 铺粉装置包括送粉缸、成型缸和回收缸的上下运 *国家863高技术项目（2006AA03Z0446）支助
激光选区熔化（SLM）作为具有发展前景的金属零件3D打印技术，其成型材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵重金属等。通过激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件。因此，其应用范围已经扩展到航空航天、汽车、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。 SLM技术主要优势有：更好的表面质量、更好的性能、更宽泛的材料选择；主要待解决的问题：打印粉末成本高、成型速度慢、打印件受设备成型仓尺寸限制、需要添加支撑、需要后处理。 国内外对SLM技术研究热情较高。国外对SLM工艺进行开展研究的国家主要集中在德国、英国、日本、法国等。其中，德国是从事SLM技术研究最早与最深入的国家。第一台SLM系统是1999年由德国Fockele和Schwarze（F&S）与德国弗朗霍夫研究所一起研发的基于不锈钢粉末SLM成型设备。目前国外已有多家SLM设备制造商，例如德国EOS 公司、SLMSolutions公司、ConceptLaser公司和英国Renishaw公司等。华南理工大学于2003年开发出国内的第一套选区激光熔化设备DiMetal-240。发展至今，国内选区激光熔化设备主要研发及生产商有南京中科煜宸、湖南华曙高科、西安铂利特、无锡飞而康、北京隆源等。
航空航天零部件打印： 图1.涡轮增压器压缩机叶轮图2.叶轮图3.燃烧室机匣航空工业应用的3D打印主要集中在钛合金，铝锂合金，超高强度钢，高温合金等材料方面，这些材料基本都是强度高，化学性质稳定，不易成型加工，传统加工工艺成本高昂的类型，并且存在部分如下图所示的结构复杂的薄壁结构件。 汽车零部件打印： 近些年来，新能源汽车行业受到大力扶持与发展，其中零件的轻量化设计是减少能量损耗，提高汽车续航能力的一个重要因素。然而一些内部复杂的薄壁件采用传统制造工艺研发周期较长、加工难度较高。因此，3D打印技术逐渐走入研发人员的视野。图4为某汽车厂家打印的一个薄壁内流道结构件，该件使用过程中内壁需要承受一定的水压，因此，需要零件成型后致密性好。而SLM 3D打印零件通过工艺参数的优化，其致密度可以达到99%。 牙齿的打印： 市场现有的3D打印设备和生物相容性材料能够满足牙科产品的制造需求，例如SLM 技术打印的烤瓷牙金属冠的钴铬合金。目前，在牙科领域，3D打印不仅可以制造最终产品，还可以打印定制化的间接产品，例如牙科模型。这些产品往往对力学性能没有太高的要求，但确是最终产品制造和牙齿修复过程中的有力工具。这些直接亦或是间接应用产品需求将长期推动3D打印技术在牙科行业的增长与发展。
金属粉末选区激光烧结技术 摘要:激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术,是传统加工成形方法的重要补充。介绍了金属粉末激光快速成型技术的研究现状和发展前景。 关键词:金属粉末, 选择性激光烧结, 快速成型技术 金属粉末选区激光烧结技术(Selective laser sintering以下简称SLS)是一种快速成型技术(Rapid Prototyping Technology-RPT)属于先进制造技术范畴，机械工程学科非传统加工工艺(或称为特种加工)。是近年来迅速发展起来的一门高新技术，是光学、电子、材料、计算机等多学科的集成。SLS 技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989 年研制成功。可以自动迅速地从三维CAD模型直接制得形状复杂的金属零件或模型,其制造方法主要包括选择性激光烧结(SLS) 和激光熔覆制造两种技术。 1、选择性激光烧结(SLS) 技术 (1)SLS原理 选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成形的固化层层层叠加，生成所需形状的零件。首先由CAD产生零件模型，并用分层切片软件对其进行处理，获得各截面形状的信息参数，作为激光束进行二维扫描的轨迹；由激光发出的光束在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据有选择地对材料粉末层进行扫描，在激光辐照的位置上粉末烧结在一起，一层烧结完成后，再铺粉进行下一层扫描烧结，新的一层和前一层自然地烧结在一起，最终生成三维形状的零件。 (2)SLS的特点 ①SLS 过程与零件复杂程度无关，具有高度的柔性,在计算机的控制下可方便迅速地制作出传统加工方法难以实现的复杂形状的零件，是真正的自由制造。 ②产品的单价几乎与批量无关，特别适合于单件、小批量零件的生产。 ③生产周期短，从CAD 设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于新产品的开发。 ④与传统工艺方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造等功能，为传统制造方法注入了新的活力。 ⑤材料范围宽，任何受热粘结的粉末材料都有用作SLS原材料的可能性。 2、激光涂覆(熔覆)制造技术 (1)激光涂覆制造技术的原理 激光涂覆制造技术也称近形技术(LENS),是在激光熔覆技术和快速原型技术的基础上发展起来的一种新技术。首先由CAD 产生零件模型,用分层切片软件进行处理,获得各截面形状的信息参数,作为工作台进行移动的轨迹参数。工作台在计算机的控制下根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时,用激光涂覆的方法将材料进行逐层堆积,最终形成具有一定外形的三维实体零件。 (2)激光涂覆制造技术的特点
国内外典型的激光烧结粉末 2013.07.06
理论上讲，所有受热后能相互粘结的粉末材料或表面覆有热塑（固）性粘结剂的粉末材料都能用作SLS材料。 要求： 粉末材料有良好的热塑（固）性， 一定的导热性， 粉末经激光烧结后要有一定的粘结强度； 粉末的粒度不宜过大，否则会降低成型件质量；SLS材料还应有较窄的“软化-固化”温度范围，
几种典型的粉末烧结快速成型材料 1、蜡粉 （1）用途：烧结制作蜡型，精密铸造金属零件。 （2）传统的熔模精铸用蜡（烷烃蜡、脂肪酸蜡等），其熔点较低，在60℃左右，烧熔时间短，烧熔后没有残留物，对熔模铸造的适应性好，且成本低廉。 （3）但存在以下缺点： ?对温度敏感，烧结时熔融流动性大，使成型不易控制； ?成型精度差，蜡模尺寸误差为±0.25mm； ?蜡模强度较低，难以满足具有精细、复杂结构铸件的要求；?粉末的制备十分困难。
2、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯、工程塑料(ABS) （1）特点： 聚苯乙烯(P S)属于热塑性树脂，熔融温度100℃，受热后可熔化、粘结，冷却后可以固化成型，而且该材料吸湿率很小，仅为0.05%，收缩率也较小，其粉料经过改性后，即可作为激光烧结成型用材料。 （2）用途： 烧结成型件经不同的后处理工艺具有以下功能：第一，结合浸树脂工艺，进一步提高其强度，可作为原型件及功能零件。第二、经浸蜡后处理，可作为精铸蜡模使用，通过熔模精密铸造，生产金属铸件。
3、尼龙粉末（PA） （1）用途： 粉末粒径小，制作模型精度高，用于CAD数据验证；因为具有足够的强度可以进行功能验证。 （2）特点： 烧结温度—粉末熔融温度180℃； 烧结制件不需要特殊的后处理，即可以具有49MPa的抗拉伸强度。 （3）其它：尼龙粉末烧结快速成型过程中，需要较高的预热温度，需要保护气氛，设备性能要求高。
金属粉末的激光快速成型技术 姓名： 班级： 学号：
金属粉末的激光快速成型技术 金属粉末激光快速成形技术，又称激光直接金属快速成形技术，它是在快速原型RP（RapidPrototyping）技术和激光熔覆技术基础上发展起来的一项先进制造技术，能将计算机生成的三维模型直接制造出来，实现结构复杂、高性能金属零件的无模具快速成形。该技术不仅可用于直接快速制造具有一定机械强度、能承受较大力学载荷的金属零件，也可用于零件上具有复杂形状、一定深度制造缺陷、误加工或服役损伤的修复和再制造，以及大量投产前的设计修改，显著地缩短了产品研发周期、降低生产成本，同时能提高材料的利用率、降低能耗. 快速成型技术(RP,RapidPrototyping)是从1987年开始发展起来的一种先进制造技术。该技术最初用来制造铸造用模型，后来发展到制造原型零件，主要用于模型或零件的直观检验,其关键是要求形状准确,而对其力学性能没有太高的要求，所采用的成型材料主要有液体光敏树脂、蜡、纸等替代材料。目前，美国、日本、德国已相继开发出多种快速成型技术，如液体光敏树脂固化、熔融沉积成型、实体叠层制造、分层固化、选择性激光烧结、3D喷射印刷等技术。该技术在无需任何硬质工模具的情况下，可直接从计算机三维设计制造出实体零件，在机械制造等众多领域已得到广泛应用。 近年来，快速成型技术有了新的发展，已开始在金属材料、的制备上得到应用, 其主要目标是快速制造出满足使用性能的致密的金属零件。传统的快速成型方法成型金属零件时，多采用树脂包覆的金属粉末作为原材料，通过激光扫描使树脂熔化将金属粉末固结在一起；也可采用喷射粘结剂的方法将松散的金属粉末粘结成型。在成型后要经过脱粘、浸渗塑料、低熔点金属或铜来加强，可制成镶块用在塑料注射模和压铸模中。如脱粘后经热等静压处理也可制成致密金属零件，但难以保证零件的尺寸精度。目前，金属零件的快速成型方法主要有间接激光烧结、直接激光烧结和液滴喷射沉积，其中直接激光烧结技术是目前快速制备致密金属零件的主要技术。 快速成型技术是一种基于离散/堆积成型原理的新型数字化成型技术。该技术利CAD软件设计出零件的三维实体模型，然后根据具体工艺要求，按照一定的厚度对模型进行分层切片处理，将其离散化为一系列二维层面，再对二维层面信息进行数据处理并加入加工参数，生成数控代码输入成型机，控制成型机的运动顺序完成各层面的成型
激光选区熔化成形NiTi形状记忆合金技术基础研究 Ni-Ti系形状记忆合金拥有丰富的相变过程、优异的形状记忆效应和超弹性性能以及良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性,近年来,被广泛应用于航空航天、机械制造、工业自动化、仪器仪表及生物医学等领域。其成形方法主要分为熔铸机加法和粉末冶金法,前者在熔炼和机械加工过程中容易引入C、O等杂质元素且合金冷加工性能差,后者则需借助模具生产显著增加制造成本且零件力学性能较差,而激光选区熔化技术结合增材和熔融的特点可以有效解决NiTi合金成形的难题。考虑到Ni-Ti原子比会显著影响近等原子比NiTi合金的马氏体相变和形状记忆性能,Ni、Ti混合粉末作为原材料可快速调节NiTi合金相关性能,然而国内外关于Ni、Ti混合粉末的激光选区熔化成形的相关研究几乎没有。因此,本文对激光选区熔化成形NiTi 形状记忆合金的成形质量、Ni-Ti反应过程、组织特征和演变机制、相变行为以及形状记忆效应进行了深入研究。主要结果总结如下:本文首先研究了 SLM制造的NiTi合金试样的成形质量。NiTi复合粉末SLM成形的单熔覆道具有明显的分层特征,且成分分布不均匀,通过横向搭接重熔可提高成分均匀性。通过单因素实验获得关键工艺参数激光功率和扫描速度的优化的区间分别为160-200 W和5-25 m/min,此外还需将线能量密度E控制在0.38-1.44 J/mm之间方可获得外观无缺陷的NiTi合金试样。宏观裂纹是NiTi合金SLM成形的重要缺陷,主要来源于激光加工过程中的热应力诱导下微观裂纹沿富镍区的扩展。此外,NiTi合金试样成分会偏离设计成分,其中钛元素的损失明