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選擇性激光熔化 (SLM)
選擇性激光熔化 (SLM)
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選擇性激光熔化 (SLM)

SLM技術是3D打印的一部分,廣泛應用于金屬快速成型。 客戶在選擇 SLM 進行制造之前應該了解什么?

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Selective Laser Melting (SLM)


什么是 3D 打印中的選擇性激光熔化?


選擇性激光熔化 (SLM) 是一種特殊的 3D 打印技術,它使用高功率密度激光將金屬粉末完全熔化和熔合,從而產生接近全密度(相對密度高達 99.9%)的近凈形狀零件。




加工工藝


SLM技術是選擇性激光熔化的簡稱,是金屬粉末的快速成型技術。 SLM可以直接成型接近全致密的金屬零件,無需粘合劑。 因此,該技術也被稱為直接金屬激光燒結,簡稱DMLS。 SLM制作的原型的精度和機械性能優于SLS,因此在3D打印中越來越受歡迎。



SLM 流程如何運作?


SLM技術需要使金屬粉末完全熔化,直接形成金屬零件,因此需要大功率激光。 在大功率激光束開始掃描之前,水平粉輥需要先將金屬粉末散布在加工室的基板上。 然后激光束根據當前層的輪廓信息有選擇地熔化基板上的粉末,得到當前層加工的零件輪廓。 之后,提升系統將下降一層厚度的距離。 撒粉輥將金屬粉末重新撒布在加工層上,設備進入下一層工序。 每一層都像這樣處理,直到整個部分完成。 為了防止金屬在高溫下與其他氣體發生反應,整個加工過程需要在真空或氣體保護的處理室中進行。

Guide before choosing SLM for metal 3D printing?cid=53

SLM的優勢是什么?


SLM技術的激光束可以快速熔化金屬粉末并獲得連續的熔化路徑。 可瞬間獲得幾乎致密的、高精度、完全冶金結構、幾乎任意形狀的金屬零件。 SLM標準的金屬密度達99%以上,具有很好的力學性能,可與傳統工藝相媲美。 此外,SLM加工的零件如有需要可進行焊接。 可用材料的類型也將不斷增加。 下面列出了 SLM 的更多優點。


1.直接金屬激光燒結。 金屬零件可以直接通過SLM制造,無需中間工序。 形狀復雜的功能部件也可直接制作。


2.高品質激光束。 SLM激光光束質量好,包含微聚焦光斑,可以直接生產精度高、表面粗糙度好的功能部件。


3.完全融化。 所有金屬粉末將完全熔化。 直接制造的金屬功能部件具有冶金結構、高密度和良好的力學性能,無需后處理。


4.多種可用材料。 粉末原料可以是單料也可以是多組份料,不需要特別配制。


5.Low-batch友好。 適合功能零件的加工,特別適用于單件或小批量生產。


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SLM技術的局限是什么?


目前,SLM技術存在諸多限制。


SLM的局限性可以分為粉末擴散缺陷和印刷加工缺陷。 例如,散粉缺陷中存在一些不規則的粉末層。 關于印刷加工的缺陷,有飛濺、起球、氣孔、表面質量差、裂紋、幾何變形等。



1.打球


球化或成球是金屬基粉末床制造過程中獨特的冶金缺陷。 當液態金屬在表面張力的作用下凝固成球形時,就會發生球化。 激光束的高能量密度和低能量密度都會導致這種現象。 如果能量太低,金屬粉末將不會完全熔化并導致球化。 如果能量過高,液態金屬會濺到未熔化的金屬粉末上,形成球化。 球化會影響下一層的鋪粉質量、構件的表面質量,還會導致熔合不良、夾渣等缺陷。 此外,球化會降低部件的抗拉強度和抗疲勞性。 減少和避免球化的有效方法是優化打印過程并找到最佳參數組合。

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2.毛孔


氣孔是SLM構件最主要的缺陷類型,是對SLM構件力學性能影響最大的缺陷之一。也是業界和學術界關注的焦點之一。在SLM過程中,材料的快速熔化和凝固以及熔池的劇烈波動都會導致氣孔的產生。氣孔的大小、數量、形態和位置對部件的力學性能有重要影響。較高的孔隙率會縮短成型零件的疲勞壽命。靠近表面的氣孔對成型件疲勞性能的影響比其他位置大。根據氣孔的形成機理,可分為與原料有關的氣孔和激光作用引起的氣孔。


氣孔的產生過程非常復雜,與工藝參數密切相關。合理的印刷工藝和針對材料使用頻率的不間斷工藝優化,仍然是避免氣孔出現的重要條件。


3.幾何變形


在SLM過程中,由于部件的幾何特征、熱量積累、應力集中等原因,會形成不同程度的幾何缺陷。 較輕的程度可能會導致變形,導致尺寸誤差,嚴重的導致結構不完整,甚至加工過程失敗。


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SLM組件的幾何精度會影響組件的裝配和性能。 研究發現,不同的掃描方式會對溫度場產生重要影響,進而影響部件的殘余應力分布和幾何變形; 激光光斑、功率和掃描速度會影響尺寸精度和表面質量,提高元件的幾何精度將極大地促進SLM技術的工業應用。


結論


SLM工藝的主要缺陷是成球、翹曲變形和氣孔。 而且SLM零件的機械性能不如CNC加工的金屬零件。 同時,處理速度很慢,價格也很貴。 精度和表面質量也受到限制。



應用領域


目前,SLM技術主要應用于工業領域,在復雜模具、個性化醫療零件、航空航天、汽車等領域具有顯著的技術優勢。


1. 航空航天


傳統航空航天部件的加工時間很長,在銑削過程中需要去除高達 95%(體積分數)的昂貴材料。 使用SLM方法成型航空金屬零件,可以大大節省成本,提高生產效率。 Ti-6Al-4V(Ti64)具有密度低、強度高、加工性好、機械性能優良、耐蝕性好等特點。 它是航空航天零件中應用最廣泛的材料之一。

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2、生物醫學領域


SLM技術在醫療行業的應用越來越廣泛。 逐漸地,SLM被用于制造骨科植入物、定制修復體和修復體、個性化定制正畸托槽和牙齒修復體。 例如,316L不銹鋼脊柱手術導板可以通過SLM技術成型。 SLM成型可以制作個性化的膝關節假體。


心血管支架的傳統制造工藝以微管生產和激光微切割為基礎。 現在,SLM技術可用于形成鈷鉻合金心血管支架。 如Ti-6Al-4V人工髖臼殼采用SLM技術成型,通過對SLM工藝中的工藝參數進行分析優化,提高了假體髖臼殼的成型效果。


3、模具行業


SLM技術在模具行業的應用主要包括成型沖壓模具、鍛造模具、鑄造模具、擠壓模具、拉絲模具和粉末冶金模具。 例如,Armillotta 等人已經使用 SLM 技術形成了帶有隨形冷卻通道的壓鑄模具。 實驗結果表明,隨形冷卻的存在減少了噴霧冷卻的次數,提高了冷卻速度。 同時冷卻效果更均勻,提高了鑄件表面質量,縮短了循環時間,避免了縮孔現象。


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