3D打印成型工藝及材料3D打印技術研究所第4章選區激光熔化工藝及材料第4章選區激光熔化工藝及材料2

成型原理及工藝

成型系統3

概述14

成型材料6

典型應用

成型影響因素54.1

概述選區激光熔化技術思想來源于SLS技術并在其基礎上得以發展，但它克服了SLS技術間接制造金屬零部件的復雜工藝難題。得益于計算機的發展及激光器制造技未的逐漸成熟，德國Fraunhofer激光技術研究所（FraunhoferInstituteforLaserTechnology，FILT）最早深入的探索了激光完全熔化金屬粉末的成型，并于1995年首次提出了SLM技術。在其技術支持下，德國EOS公司于1995年底制造了第一臺設備。隨后，英國、德國、美國等歐美眾多公司開始相關研究。4.1

概述EOSINTM280設備德國EOSGmbH公司現在已經成為全球最大同時也是技術最領先的選區激光熔化增材制造系統的制造商。近年來，EOS公司的EOSINTM280增材制造設備是該公司最新開發的SLM設備，采用了“纖維激光”的新系統，可形成更加精細的激光聚焦點以及很高的激光能量，可以將金屬粉末直接燒結而得到最終產品，大大提髙了生產效率。4.1

概述美國3DSystems公司推出了sPro250SLM商用3D打印機，使用高功率激光器，根據CAD數據逐層熔化金屬粉末，以創建功能性金屬部件。該3D打印機能夠提供長達320mm（12.6英寸）的工藝金屬零件的成型，零件具有出色的表面光潔度、精細的功能性細節與嚴格的公差。sPro250商用3D打印機4.2

成型原理及工藝4.2.1成型原理選區激光熔化（SLM）成型技術的工作原理與選區激光燒結（SLS）類似。其主要的不同在于粉末的結合方式不同，SLS是通過低熔點金屬或粘結劑的熔化將高熔點的金屬或非金屬粉末粘結在一起，SLM技術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。為實現金屬粉末瞬間熔化，需要高功率密度的激光器，并且光斑聚焦至幾十微米，SLM技術目前都選用光纖激光器，激光功率從50W到400W，功率密度達5×106W/cm2以上。SLM技術成型效果圖4.2

成型原理及工藝4.2.1成型原理成型原理：首先，通過切片軟件對三維模型進行切片分層，把模型離散成二維截面圖形，并規劃掃描路徑，再轉化成激光掃描信息。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，隨后計算器根據激光掃描信息控制掃描振鏡偏轉，有選擇性的將激光束照射到加工區，得到當前二維截面的二維實體，然后成型區下降一個層厚，重復上述過程，逐層堆積得到產品原型。SLM技術原理圖4.2

成型原理及工藝4.2.2成型工藝為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術需要高功率密度激光器，光斑聚焦到幾十μm到幾百μm。SLM技術目前最常使用光束模式優良的光纖激光器，其激光功率在50w以上，功率密度達5×106W/cm2以上。在高激光能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經散熱冷卻后可實現與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術正是通過此過程，層層累積成型出三維實體的快速成型技術。在SLM成型過程中，提高粉末的成型性，就必須提高液態金屬的潤濕性。在成型過程中，若液態金屬成球，則說明液態金屬的潤濕性不好。液態金屬對固體金屬的潤濕性受工藝參數的影響，因此可優化工藝參數來提高特定粉末的潤濕能力。4.2

成型原理及工藝4.2.3工藝特點優點：（1）能將CAD模型直接制成終端金屬產品，只需要簡單的后處理或表面處理工藝。（2）適合各種復雜形狀的工件。（3）致密度幾乎能達到100％，機械性能與鍛造工藝所得相當。（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、鎳基高溫合金粉進行直接加工，解決在航空航天中應用廣泛的、組織均勻的高溫合金零件復雜件加工難的問題；還能解決生物醫學上組分連續變化的梯度功能材料的加工問題。4.2

成型原理及工藝4.2.3工藝特點缺點：（1）由于激光器功率和掃描振鏡偏轉角度的限制，SLM設備能夠成型的零件尺寸范圍有限；（2）由于使用到高功率的激光器以及高質量的光學設備，機器制造成本高，目前國外設備售價居高不下；（3）由于使用了粉末材料，成型件表面質量差，產品需要進行二次加工，才能用于后續的工作；（4）加工過程中，容易出現球化和翹曲。4.3

成型系統SLM的核心器件包括主機、激光器、光路傳輸系統等幾個部分。4.3

成型系統4.3.1主機主機是構成SLM設備的最基本部件。從功能上分類，主機又由機架(包括各類支架、底座和外殼等）、成型腔、傳動機構、工作/粉缸、鋪粉機構和氣體凈化系統等部分構成。4.3

成型系統4.3.2激光器激光器是SLM設備提供能量的核心功能部件，直接決定SLM零件的成型質量。SLM設備主要采甩光纖激光器，光束直徑內的能量呈髙斯分布。光纖激光器指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器。摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質，摻雜光纖固定在兩個反射鏡間構成諧振腔，泵浦光從反射鏡M1入射到光纖中；從反射鏡M2輸出激光。具有工作效率髙、使用壽命長和維護成本低等特點。主要工作參數有激光功率、激光波長、激光光斑、光束質量等。光纖激光器結構示意圖4.3

成型系統商品化光纖激光器主要有德國IPG和英國SPI兩家公司的產品，其主要性能見表。4.3.2激光器序號參數IPGSPI1型號SP-400C-W-S6-A-AYLR-400-WC-Y112功率400W400W3中心波長(1070±10)nm(1070±5)nm4出口光斑（5.0±0.7）mm（5.0±0.5）mm5工作模式CW/MODULATEDCW/MODULATED6光束質量<1.1<1.17調制頻率100KHz50KHz8功率穩定性<2%<3%9紅光指示波長630-680nm，1mW同光路指引10工作電壓200-240V200-240V11冷卻方式水冷，冷卻量2500W水冷，冷卻量1100W4.3

成型系統4.3.3光路傳輸系統振鏡掃描系統SLM成型致密金屬零件要求成型過程中固液界面連續，這就要求掃描間距更為精細。因此，所采用的掃描策略數據較多，數據處理量大，要求振鏡系統的驅動卡對數據處理能力強、反應速度快。振鏡掃描系統示意圖4.3

成型系統4.3.3光路傳輸系統2.聚焦系統常用的聚焦系統包括動態聚焦系統和靜態聚焦系統。動態聚焦是通過馬達驅動負透鏡沿光軸移動實時補償聚焦誤差。所采用的動態聚焦系統由聚焦物鏡、負透鏡、水冷孔徑光闌及空冷模塊等組成，其結構（a）所示。靜態聚焦鏡為f-θ鏡，如圖（b）所示，而非一般光學透鏡。對于一般光學透鏡，當準直激光束經過反射鏡和透射鏡后聚焦于像場，其理想象高y與入射角的正切成正比，因此，以等角速度偏轉的入射光在像場內的掃描速度不是常數。為實現等速掃描，使用f-θ鏡可以獲得y=f×θ關系式，即掃描速度與等角速度偏轉的入射光呈線性變化。聚焦系統結構示意圖4.3

成型系統4.3.3光路傳輸系統3.保護鏡起到隔離成型腔與激光器、振鏡等光學器件的作用，防止粉塵對光學器件的影響。選擇保護鏡時要考慮減少特定波長激光能量通過保護鏡時的損耗。SLM設備如果采用光纖激光器，則應選擇透射波長為1000nm左右的保護鏡片，同時還應考慮耐溫性能。激光穿透鏡片會有部分能量被吸收產生熱量，如果SLM成型時間較長，其熱積累有可能會損壞鏡片。4.4

成型材料4.4.1粉末材料分類可用于SLM技術的粉末材料主要分為三類：1.混合粉末混合粉末由一定比例的不同粉末混合而成。現有研究表明，SLM成型件機械性能受致密度、成型均勻度的影響，目前混合粉的致密度還有待提高；2.預合金粉末根據成分不同，可以將預合金粉末分為鎳基、鈷基、鈦基、鐵基、鎢基、銅基等，研究表明，預合金粉末材料成型件致密度可以超過95%；3.單質金屬粉末一般單質金屬粉末主要為金屬鈦，其成型性較好，致密度可達到98%。項目名稱及特性粉末種類鐵基、鈦及鈦基、鎳基、鋁基制備方法水霧化、氣霧化、旋轉電極法粒徑分布/um20-50氧含量/ppm≤1000用于SLM技術的金屬粉末種類及特性4.4

成型材料

4.4.2金屬粉末材料特性（a）旋轉電極法（b）旋轉電極法（c）氣霧化法不同方法制備的Ti6Al4V粉末形象1.粉末堆積特性金屬粉末常用的制備方法有霧化法、旋轉電極法。霧化法是將熔融金屬霧化成細小液滴，在冷卻介質中凝固成粉末。工業上一般采用二流霧化法，即水霧化法和氣霧化法。旋轉電極法是以金屬或合金制成自耗電極，其端面受電弧加熱而熔融為液體，通過電極高速旋轉的離心力將液體拋出并粉碎為細小液滴，繼而冷凝為粉末的制粉方法。4.4

成型材料

4.4.2金屬粉末材料特性1.粉末堆積特性孔隙率與球形度和表面粗糙度的關系粉末裝入容器時，顆粒群的孔隙率因為粉末的裝法不同而不同。未搖實的粉末密度為松裝密度，經振動搖實后的粉末密度為振實密度。對于SLM而言，由于鋪粉輥垂直方向上的振動和輕壓作用，所以采用振實密度較為合理。粉末鋪粉密度越高，成型件的致密度也會越高。孔隙率的大小與顆粒形狀、表面粗糙度、粒徑及粒徑分布、顆粒直徑與床層直徑的比值、床層的填充方式等因素有關。一般說來孔隙率隨著顆粒球形度的增加而降低，顆粒表面越光滑，床層的孔隙率也越小。4.4

成型材料

4.4.2金屬粉末材料特性2.粒徑分布粒徑是用來表示粉末顆粒尺寸大小的幾何參數。不同粒徑的顆粒所占的分量，就是粒度分布。理論上可用多種級別的粉末，使顆粒群的孔隙率接近零，然而實際上是不可能的。由大小不一（多分散）的顆粒所填充成的床層，小顆粒可以嵌入大顆粒之間的空隙中，因此床層孔隙率比單分散顆粒填充的床層小。可以通過篩分的方法分出不同粒級，然后再將不同粒級粉末按照優化比例配合來達到高致密度粉床的目的。粒徑分布曲線4.4

成型材料

4.4.2金屬粉末材料特性3.粉末的流動性粉末的流動性是粉末的重要特性之一。粉末流動時的阻力是由于粉末顆粒相互直接或間接接觸而妨礙其他顆粒自由運動所引起的，這主要是由顆粒間的摩擦系數決定。由于顆粒間暫時粘著或聚合在一起，從而妨礙相互間運動。這種流動時的阻力與粉末種類、粒度、粒度分布、形狀、松裝密度、所吸收的水分、氣體及顆粒的流動方法等有很大關系。4.4

成型材料

4.4.2金屬粉末材料特性4.粉末的氧含量粉末的氧含量也是粉末的重要特性，特別需要注意粉末表面的氧化物或氧化膜。因為粉末表面的氧化膜降低了SLM成型過程中液態金屬與基板或已凝固部分的潤濕性，導致制件出現分層和裂紋，降低其致密度。此外，氧化物的存在還直接影響到零件的力學性能和微觀組織。因此，對用于SLM成型的金屬粉末其氧含量一般要求在1000ppm以下。4.4

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4.4.2金屬粉末材料特性SLM技術是激光與金屬粉末相互作用，從而產生金屬粉末熔化與凝固的過程，因此，金屬粉末對激光的吸收率非常重要。表4-3為幾種常見金屬材料對不同波長激光吸收率，可以看出激光波長越短，金屬對其吸收率越高。對于目前配有波長為1060nm激光器的SLM而言，Ag、Cu和Al等對激光的吸收率非常低，因此，SLM成型上述金屬時存在一定的困難。5.粉末對激光的吸收率

CO2（10600nm）Nd：YAG（1060nm）準分子（193-351nm）Al21018Fe43560Cu1870Mo44260Ni52558Ag1377幾種常見金屬對三種不同波長激光的吸收率4.4

成型材料

4.4.3常用的金屬粉末材料

鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度以及良好的生物相容性等優點，在航空航天、化工、核工業、運動器材及醫療器械等領域得到了廣泛的應用。Ti6Al4V（TC4）是最早使用于SLM工業生產的一種合金，現在對其研究主要集中于疲勞性能和裂紋生長行為與微觀組織之間的關系。通過激光交替掃描策略制備出TC4合金試樣，發現SLM成型TC4合金過程中的裂紋主要為冷裂紋，具有典型的穿晶斷裂特征。1.鈦合金4.4

成型材料2.鋁合金鋁合金具有優良的物理、化學和力學性能，在許多領域獲得了廣泛的應用，但是鋁合金自身的特性（如易氧化、高反射性和導熱性等）增加了選區激光熔化制造的難度。目前SLM成型鋁合金中存在氧化、殘余應力、孔隙缺陷及致密度等問題，這些問題主要通過嚴格的保護氣氛，增加激光功率（最小為150W），降低掃描速度等來改善。4.4.3常用的金屬粉末材料4.4

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4.4.3常用的金屬粉末材料3.不銹鋼不銹鋼具有耐化學腐蝕、耐高溫和力學性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉，是最早應用于3D金屬打印的材料。華中科技大學、南京航空航天大學、中北大學等院校在金屬3D打印方面研究比較深入。現研究主要集中在降低孔隙率、增加強度以及對熔化過程的金屬粉末球化機制等方面。4.4

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4.4.3常用的金屬粉末材料4.高溫合金高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力環境下長期工作的一類金屬材料。其具有較高的高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。高溫合金主要用于高性能發動機，在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料的使用量占發動機總質量的40％～60％。現代高性能航空發動機的發展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高。而3D打印技術在高溫合金成型中成為解決技術瓶頸的新方法。4.4

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4.4.3常用的金屬粉末材料5.鎂合金鎂合金作為最輕的結構合金，由于其特殊的高強度和阻尼性能，在諸多應用領域鎂合金具有替代鋼和鋁合金的可能。例如鎂合金在汽車以及航空器組件方面的輕量化應用，可降低燃料使用量和廢氣排放。鎂合金具有原位降解性并且其楊氏模量低，強度接近人骨，優異的生物相容性，在外科植入方面比傳統合金更有應用前景。4.5成型影響因素4.5.1

原理性誤差1.分層厚度及離焦量在大部分情況下，層厚的選擇受限于所使用的粉末粒度和鋪粉精度。若分層厚度過大，難以使得底層粉末熔化，同時也無法對前一層進行部分重熔，導致層與層之間結合很差，強度較低，因此分層厚度一定要在激光熔化深度范圍內；當所選擇的層厚小于粉末顆粒直徑時，在鋪粉過程中，只能將小顆粒直徑的粉末鋪在成型平面上，而當使用的粉末顆粒直徑較大時，則會導致沒有鋪上粉末，會導致后一層鋪粉厚度非常大；同時激光掃描過程中，對前一層的重熔就會使得已熔化層再次吸附粉末熔化，使得壁厚增大；需要指出的是較小層厚會影響成型效率。因此，要選者合理的分層厚度。4.5成型影響因素4.5.1原理性誤差1.分層厚度及離焦量在離焦量為-3mm到+3mm范圍內，離焦量對單道熔池的寬度影響較小；但是，盡管激光光斑直徑對熔池的寬度影響不大，實驗過程中發現離焦量對熔深有顯著的影響；小的聚焦光斑明顯穿透能力更強。在薄壁件成型中，層與層之間的熔合顯得極為重要，如果熔深不夠，層與層之間搭接不良，那么容易造成側面不連續而出現孔洞。而且在實驗過程中發現離焦量的變化會引起激光聚焦后能量大幅度衰減，導致無法較好地利用激光，為保證熔深及激光能量，在成型過程中將離焦量設置為0。4.5成型影響因素4.5.1原理性誤差2.鋪粉設備現今采用的鋪粉方式主要分為柔性鋪粉和剛性鋪粉，其中與粉末直接接觸鋪平粉末的部件是極為關鍵的。在金屬粉末直接成型零件的過程中，由于成型表面經過激光掃描熔化后總會有一些不平整，有些凸起部分大于鋪粉厚度，這就會導致鋪粉裝置與已成型表面屢屢摩擦，這在大面積零件成型時會導致鋪粉極不平整，進而導致隨后的成型表面變差，或許在幾十層乃至上百層后可以恢復，即便如此，在致密度方面已經非常差，所以在大多數情況下采用柔性鋪粉設備。4.5成型影響因素4.5.2工藝性誤差1.掃描速度在激光功率一定的情況下，如選擇較快的掃描速度，那么激光輻照時間就較短，而要使粉末獲得同樣的激光束的能量，就必須增加激光功率。但是，由于激光輻照時間過短，會使粉末在燒結過程中出現“飛濺”現象，使得粉末飛離作用區，粉末材料減少，進而影響成型件的質量。然而如果掃描速度過小，激光能量密度太大，金屬粉末發生嚴重氧化現象，甚至燃燒、碳化。由于金屬粉末的封裝密度較低，在粉末空隙間存有大量的空氣，即使再另加保護氣的情況下，氧化現象仍舊不可避免。在10W的功率下，當速度小于0.5mm/s時，金屬粉末就會發生燃燒現象。4.5成型影響因素4.5.2工藝性誤差2.激光功率激光功率主要影響激光作用區內的能量密度。在SLM中，在掃描速度一定時，若激光功率低，則無法完全熔化掃描線的粉末，使得粉末無法完全熔化或處于燒結態，這些都會使得成型零件中孔隙增多，降低致密度和力學性能，在成型零件時容易形成孔洞；激光功率過高，引起激光作用區內激光能量密度過高，大的熔池表面積使固液界面的表面張力也相對較大，易產生或加劇粉末材料的劇烈汽化或飛濺現象，形成多孔狀結構，致使表面不平整，甚至翹曲、變形。4.5成型影響因素4.5.2工藝性誤差3.掃描間距圖1加工掃描方式示意圖掃描間距是指相鄰兩激光束掃描行之間的距離。它的大小直接影響到傳輸給粉末能量的分布、成型件的精度。如圖1所示，采用平行線掃描方式進行選區熔化成型。在不考慮材料本身熱效應的前提下，單一激光束以一定參數對金屬粉末掃描，在熱擴散的影響下，會形成一條熔化線，如圖2所示。其中h為材料的熔融深度，W為熔融寬度；如果激光束反復掃描時，熔化線組成的截面如圖3所示，可以通過熔融寬W、重疊量Dw與掃描間距d的關系，探討合適的掃描間距參數。圖2熔化線截面圖

圖3重疊熔化線截面圖4.5成型影響因素4.5.2工藝性誤差（1）當Ｗ/2＜d＜Ｗ時，掃描線的激光能量疊加后，分布基本上是均勻的，此時粉末熔化深度一致，成型件密度均勻，是比較合適的情況；（2）當d＞W時，掃描區域彼此分離，激光掃描線和線之間沒有連接成片或沒有重疊的部分，其相鄰區域總的激光能量小于粉末熔化需要的能量，不能使相鄰區域的粉末熔化，導致相鄰兩條熔化區域之間粘結不牢，成型件的表面凸凹不平，嚴重影響制件的強度；（3）當d/2＜W時，掃描線大部分重疊。此時相鄰區域的激光能量可以使該區域的粉末部分重復熔化。激光總能量的分布呈現波峰波谷，能量分布不均勻，因此粉末熔化成型效率降低，并能引起制件較大的翹曲和收縮，甚至引起材料的汽化、變形。3.掃描間距4.6典型應用空客公司在A300/A310飛機上廚房、盥洗室和走廊等連接鉸鏈上應用了增材制造結構件，并在其最新的A350XWB型飛機上應用了Ti6Al4V增材制造結構件，且已通過EASA及FAA的適航認證。空客公司采用SLM技術制造的Ti6Al4V結構件1.航空航天領域4.6典型應用GE公司采用增材制造技術制造了Leap噴氣發動機的金屬燃料噴嘴，通過這一技術，將噴