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SLM激光选区熔化金属3D打印技术详解
激光选区熔化金属3D打印技术(Selective laser melting, SLM)和EBSM/EBM(电子束熔融金属3D打印技术)有着类似的技术原理,都是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,两者的区别是热源不同。
激光选区熔化技术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。
技术原理
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。SLM设备所采用的光纤激光器,转换效率高、性能可靠、寿命长、光束模式接近基模等,优势明显。高质量的激光束能被聚集成极细微的光束,并且其输出波长短。
扩束镜的作用是是扩大光束直径,减小光束发散角,减小能量损耗。
扫描振镜由计算机进行控制的电机驱动,作用是将激光光斑精确定位在加工面的任一位置。通常使用专用平场F-?扫描透镜来避免出现扫描振镜单元的畸变,达到聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。
机械单元主要包括铺粉装置、成型缸、粉料缸、成型室密封设备等。铺粉质量是影响SLM成型质量的关键因素,目前SLM设备中主要有铺粉刷和铺粉滚筒两大类铺粉装置。成型缸与粉料缸由电机控制,电机控制的精度也决定了SLM的成型精度。
控制系统包括激光束扫描控制和设备控制系统两大部分。激光束扫描控制是计算机通过控制卡向扫描振镜发出控制信号,控制X/Y扫描镜运动以实现激光扫描。
设备控制系统完成对零件的加工操作。主要包括以下功能:
系统初始化、状态信息处理、故障诊断和人机交互功能;
对电机系统进行各种控制,提供了对成型活塞、供粉活塞、铺粉滚筒的运动控制;
对扫描振镜控制,设置扫描振镜的运动速度和扫描延时等;
设置自动成型设备的各种参数,如调整激光功率,成型缸、铺粉缸上升下降参数等。
提供对成型设备五个电机的协调控制,完成对零件的加工操作。
SLM金属3D打印设备的运作过程,和3D打印技术也类似。在已有的3D模型切片数据的轮廓数据基础上,生成填充扫描路径,设备将按照这些填充扫描线,控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料,逐步堆叠成三维金属零件。
激光束开始扫描前,铺粉装置先把金属粉末平推到成型缸的基板上,激光束再按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的粉末,加工出当前层,然后成型缸下降一个层厚的距离,粉料缸上升一定厚度的距离,铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末。设备调入下一层轮廓的数据进行加工,如此层层加工,直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有惰性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技术继承了3D打印技术的优势,但也有着不少劣势,包括:
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;
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,目前国外设备售价在500万以上;
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;
加工过程中,容易出现球化和翘曲;
典型企业
德国EOS公司
成立于1989年,全称是“EOS GmbH Electro Optical systems”,由Dr.Hans Langer和Dr.Hans Steinbichler合伙建立,他们合伙发明了基于SLS和SLA的快速成型RP(Rapid Prototyping)和增量制造AM(Additive Manufactuing)技术。经过二十多年的快速发展,德国EOS已经成为欧洲最大的3D打印设备研发和制造企业,也是全球少数的掌握SLA/SLM/FDM/SLS/DMLS等多项3D打印核心技术的企业之一。
2011年EOS销售收入1.25亿美金,有350多名雇员,全球30多个国家安装了1100套系统,这和3D Systems和Stratasys公司当年的规模相当。
EOS M290是全球装机量最大的金属3D打印机,采用直接粉末烧结成型技术,利用红外激光器对各种金属材料,如模具钢、钛合金、铝合金以及CoCrMo合金、铁镍合金等粉末材料直接烧结成型。
德国ReaLizer
ReaLizer 2004年正式成立,注册专利为选择性激光熔融——Selective Laser Melting(SLM?),公司主要产品:SLM 50桌面型金属3D打印机,以及SLM 100、SLM
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