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铺粉式金属3D打印服务
    发布时间: 2019-07-29 16:03    

铺粉式金属3D打印是金属增材制造技术中的一个重要分支。该技术以预置于粉末平台上的金属粉末为原料,以零件的三维数字模型为基础,利用激光或电子束等高能束,在三维模型离散出的一系列二维平面上,逐层熔融粉末,并最终制造出三维金属零件。目前应用最广泛的是利用激光作为能量源的铺粉式金属3D打印,又称为选择性激光熔融


铺粉式金属3D打印是金属增材制造技术中的一个重要分支。该技术以预置于粉末平台上的金属粉末为原料,以零件的三维数字模型为基础,利用激光或电子束等高能束,在三维模型离散出的一系列二维平面上,逐层熔融粉末,并最终制造出三维金属零件。目前应用最广泛的是利用激光作为能量源的铺粉式金属3D打印,又称为选择性激光熔融(Selected Laser Melting, SLM)。

SLM加工的基本流程主要包括:

1) 生成待制造金属零件的三维CAD模型,包括辅助支撑结构的模型;

2) 模型按某一取向进行离散化(切片),得到各截面的轮廓数据,并按一定规则生成轮廓内的填充扫描路径,保存成STL文件;

3) 计算机逐层读入扫描路径信息文件,控制激光束方向按照规划的路径进行扫描,熔融粉末床上相应位置的粉末,逐层生成零件,并通过控制激光功率、扫描速度等工艺参数来保证加工零件的成形质量和性能。


图一显示了一台典型的铺粉式金属3D打印机的构造,其各部分通过以下步骤协同工作:

3D打印
图一 













1) 打印开始前,粉末被存储在粉末备料缸内,打印平台(基板)放入粉末成型缸;

2) 打印开始,粉末备料缸向上运动,送出一定量粉末,铺粉刮刀将粉末向粉末成型缸方向刮送,在打印平台上铺展开,形成一层厚度均匀的粉末层;
3) 激光光源发出激光,经聚焦光路聚焦后,通过X-Y扫描振镜控制方向,根据STL文件中的扫描路径,扫描平台上的粉末层;
4) 激光能量使扫描路径上的粉末熔融,并与基板(或前次已成型层)形成冶金结合。
5) 完成一层粉末的激光扫描熔融后,打印平台下降一层粉末高度,重复步骤2-5),直至完成数字模型所有二维平面上扫描,即完成了整个三维产品的打印。
6) 打印完成后,将成型件从粉末成型缸中取出,通过后续加工使样件与基板分离,清除样件内外表面粉末。
7) 对于一些悬空结构,需要在三维模型中设计支撑结构,与主结构一起打印出来。打印完成后,需要去除支撑结构。



作为金属增材制造技术领域的主力军,SLM技术具有一些明显的优势特征:

1) 采用高质量单模激光器,聚焦光斑尺寸范围为50-200um,能量高度集中,能够熔化大部分金属材料,成型件致密度高(99%以上);

2) 激光扫描速度快,微小尺寸的熔池带来极快的冷却凝固速度,得到均匀细小的金相组织,相比于晶粒粗大的铸造组织,大大的提高了材料力学性能;

3) 采用53um以下粒径的粉末,单层粉末厚度控制在20-100µm,可实现精密成型,成型件表面质量好;

4) 整个工作腔被密闭于惰性气体环境中,以避免金属材料在高温下氧化,适用于钛合金等活跃金属

5) 通过支撑结构的设计,可以打印各种复杂形状产品,包括带有悬空部位的复杂曲面,含有内部流道的结构,镂空复杂形状等。


3D打印

图二 SLM技术制成的各种复杂形状金属零件

但是,SLM技术也存在一定的局限性。首先,由于激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制,SLM设备能够成形的零件尺寸范围有限,目前成熟的商业设备最大可做到800 x 400 x 500 mm3成型体积;其次,SLM工艺控制技术难度较高,需要具有冶金材料专业知识的技术人员,针对性的开发特定材料工艺包,其支撑结构的设计,也需要专业软件与有经验的技术员,以避免支撑结构不合理以及后期去除困难等问题;在实际工业应用中,SLM的设备昂贵,运行维护成本较高,成型效率又偏低,一般在100cm3/h以下,无法满足大部分产业的批量生产需求,因而更适合做个性化定制零件,以及小批量生产。

辉锐的SLM金属打印服务

辉锐公司自2016年开始为客户提供铺粉式金属3D打印服务,凭借公司在激光材料加工领域多年的生产研发经验,以及在冶金材料领域的知识人才储备,公司能够为客户提供包括前期建模,材料工艺包开发,打印成型及后续热处理加工在内的全套SLM打印服务。目前已开发了不锈钢,铝合金、钛合金、镍基高温合金、钨合金、硅化镁等10余种材料的SLM工艺,包括相应的后处理工艺。

表一列出了辉锐SLM工艺制成的几种常用材料样品的力学性能数据。


17-4PH

316L

In625

In718

AlSi7Mg

描述

马氏体硬质

不锈钢

不锈钢

镍基高温合金

镍基高温合金

铝合金

抗拉强度 (MPa

950±100

700±100

1100±50

1250±50

400±50

屈服强度 (MPa

600±50

600±50

800±50

1050±50

300±50

断后伸长率(%

30±5

48±2

35±5

10±2

8±2


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图三
 In718 SLM成型件力学性能及不同后续热处理工艺的影响




图四显示了不同后续热处理对镍基高温合金
In718SLM成型件的力学性能影响。


图四举例给出了辉锐SLM产品(In625),样品截面的金相组织。可以看到材料组织100%致密,晶粒细小,由细长的树枝晶组成。 


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图四 In626 SLM打印件截面金相组织,a),b)横截面,c),d)纵截面


辉锐SLM打印一站式服务与产品展示案例一
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支撑与打印姿态优化设计


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专用材料工艺包打印成型


3D打印

后处理及成型件检测


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辉锐
SLM打印一站式服务与产品展示 – 案例二


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零件3D模型拆解


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材料工艺包打印成型


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后处理及装配


3D打印3D打印



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