激光3D打印之金屬打印(SLM)成型的原理及系統(tǒng)

? 成型原理

選區(qū)激光熔化（SLM）成型技術(shù)的工作原理與選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）類似。其主要的不同在于粉末的結(jié)合方式不同，SLS是通過低熔點(diǎn)金屬或粘結(jié)劑的熔化將高熔點(diǎn)的金屬或非金屬粉末粘結(jié)在一起，SLM技術(shù)是將金屬粉末完全熔化，因此其要求激光功率密度要大大高于SLS。

為實(shí)現(xiàn)金屬粉末瞬間熔化，需要高功率密度的激光器，并且光斑聚焦至幾十μm，SLM技術(shù)目前都選用光纖激光器，激光功率從50W到400W，功率密度達(dá)5×106W/cm2以上。

成型原理：首先，通過切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行切片分層，把模型離散成二維截面圖形，并規(guī)劃掃描路徑，再轉(zhuǎn)化成激光掃描信息。掃描前，刮板將送粉升降器中金屬粉末均勻平鋪到激光加工區(qū)，隨后計(jì)算器根據(jù)激光掃描信息控制掃描振鏡偏轉(zhuǎn)，有選擇性的將激光束照射到加工區(qū)，得到當(dāng)前二維截面的二維實(shí)體，然后成型區(qū)下降一個(gè)層厚，重復(fù)上述過程，逐層堆積得到產(chǎn)品原型。

SLM技術(shù)原理圖

? 成型工藝

為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術(shù)需要高功率密度激光器，光斑聚焦到幾十μm到幾百μm。SLM技術(shù)目前常使用光束模式優(yōu)良的光纖激光器，其激光功率在50w以上，功率密度達(dá)5×106W/cm2以上。在高激光能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經(jīng)散熱冷卻后可實(shí)現(xiàn)與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術(shù)正是通過此過程，層層累積成型出三維實(shí)體的快速成型技術(shù)。

在SLM成型過程中，提高粉末的成型性，就必須提高液態(tài)金屬的潤(rùn)濕性。在成型過程中，若液態(tài)金屬成球，則說明液態(tài)金屬的潤(rùn)濕性不好。液態(tài)金屬對(duì)固體金屬的潤(rùn)濕性受工藝參數(shù)的影響，因此可優(yōu)化工藝參數(shù)來提高特定粉末的潤(rùn)濕能力。

工藝優(yōu)點(diǎn)

（1）能將CAD模型直接制成終端金屬產(chǎn)品，只需要簡(jiǎn)單的后處理或表面處理工藝。

（2）適合各種復(fù)雜形狀的工件。

（3）致密度幾乎能達(dá)到100％，機(jī)械性能與鍛造工藝所得相當(dāng)。

（4）獲得的金屬零件具有很高的尺寸精度以及很好的表面粗糙度值。

（5）能以較低的功率熔化高熔點(diǎn)金屬，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能，而且可供選用的金屬粉末種類也大大拓展了。

（6）能采用鈦粉、鎳基高溫合金粉進(jìn)行直接加工，解決在航空航天中應(yīng)用廣泛的、組織均勻的高溫合金零件復(fù)雜件加工難的問題；還能解決生物醫(yī)學(xué)上組分連續(xù)變化的梯度功能材料的加工問題。

? 成型系統(tǒng)

SLM的核心器件包括主機(jī)、激光器、光路傳輸系統(tǒng)等幾個(gè)部分。

1、主機(jī)

主機(jī)是構(gòu)成SLM設(shè)備的基本部件。從功能上分類，主機(jī)又由機(jī)架(包括各類支架、底座和外殼等）、成型腔、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作/粉缸、鋪粉機(jī)構(gòu)和氣體凈化系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

2、激光器

激光器是SLM設(shè)備提供能量的核心功能部件，直接決定SLM零件的成型質(zhì)量。SLM設(shè)備主要采用光纖激光器，光束直徑內(nèi)的能量呈高斯分布。光纖激光器指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質(zhì)，摻雜光纖固定在兩個(gè)反射鏡間構(gòu)成諧振腔，泵浦光從反射鏡M1入射到光纖中；從反射鏡M2輸出激光。具有工作效率高、使用壽命長(zhǎng)和維護(hù)成本低等特點(diǎn)。主要工作參數(shù)有激光功率、激光波長(zhǎng)、激光光斑、光束質(zhì)量等。

光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

3、光路傳輸系統(tǒng)

（1）振鏡掃描系統(tǒng)

SLM成型致密金屬零件要求成型過程中固液界面連續(xù)，這就要求掃描間距更為精細(xì)。因此，所采用的掃描策略數(shù)據(jù)較多，數(shù)據(jù)處理量大，要求振鏡系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)卡對(duì)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快。

振鏡掃描系統(tǒng)示意圖

（2）聚焦系統(tǒng)

常用的聚焦系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)和靜態(tài)聚焦系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)聚焦是通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)負(fù)透鏡沿光軸移動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償聚焦誤差。所采用的動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)由聚焦物鏡、負(fù)透鏡、水冷孔徑光闌及空冷模塊等組成，其結(jié)構(gòu)（a）所示。靜態(tài)聚焦鏡為f-θ 鏡，如圖（b）所示，而非一般光學(xué)透鏡。對(duì)于一般光學(xué)透鏡，當(dāng)準(zhǔn)直激光束經(jīng)過反射鏡和透射鏡后聚焦于像場(chǎng)，其理想象高y與入射角的正切成正比，因此，以等角速度偏轉(zhuǎn)的入射光在像場(chǎng)內(nèi)的掃描速度不是常數(shù)。為實(shí)現(xiàn)等速掃描，使用f-θ 鏡可以獲得y=f×θ關(guān)系式，即掃描速度與等角速度偏轉(zhuǎn)的入射光呈線性變化。

聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（3）保護(hù)鏡

起到隔離成型腔與激光器、振鏡等光學(xué)器件的作用，防止粉塵對(duì)光學(xué)器件的影響。選擇保護(hù)鏡時(shí)要考慮減少特定波長(zhǎng)激光能量通過保護(hù)鏡時(shí)的損耗。SLM設(shè)備如果采用光纖激光器，則應(yīng)選擇透射波長(zhǎng)為1000nm左右的保護(hù)鏡片，同時(shí)還應(yīng)考慮耐溫性能。激光穿透鏡片會(huì)有部分能量被吸收產(chǎn)生熱量，如果SLM成型時(shí)間較長(zhǎng)，其熱積累有可能會(huì)損壞鏡片。

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