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輝銳應用介紹 | 03鋪粉3D打印材料與工藝
來源: | 作者:pmo33de7c | 發布時間: 2019-05-30 | 276 次瀏覽 | 分享到:

鋪粉式金屬3D打印是金屬增材制造技術中的一個重要分支。該技術以預置于粉末平臺上的金屬粉末為原料,以零件的三維數字模型為基礎,利用激光或電子束等高能束,在三維模型離散出的一系列二維平面上,逐層熔融粉末,并最終制造出三維金屬零件。目前應用最廣泛的是利用激光作為能量源的鋪粉式金屬3D打印,又稱為選擇性激光熔融(Selected Laser Melting, SLM)。

SLM加工的基本流程主要包括:

1) 生成待制造金屬零件的三維CAD模型,包括輔助支撐結構的模型;

2) 模型按某一取向進行離散化(切片),得到各截面的輪廓數據,并按一定規則生成輪廓內的填充掃描路徑,保存成STL文件;

3) 計算機逐層讀入掃描路徑信息文件,控制激光束方向按照規劃的路徑進行掃描,熔融粉末床上相應位置的粉末,逐層生成零件,并通過控制激光功率、掃描速度等工藝參數來保證加工零件的成形質量和性能。


圖一顯示了一臺典型的鋪粉式金屬3D打印機的構造,其各部分通過以下步驟協同工作:


圖一 













1) 打印開始前,粉末被存儲在粉末備料缸內,打印平臺(基板)放入粉末成型缸;

2) 打印開始,粉末備料缸向上運動,送出一定量粉末,鋪粉刮刀將粉末向粉末成型缸方向刮送,在打印平臺上鋪展開,形成一層厚度均勻的粉末層;

3) 激光光源發出激光,經聚焦光路聚焦后,通過X-Y掃描振鏡控制方向,根據STL文件中的掃描路徑,掃描平臺上的粉末層;

4) 激光能量使掃描路徑上的粉末熔融,并與基板(或前次已成型層)形成冶金結合

5) 完成一層粉末的激光掃描熔融后,打印平臺下降一層粉末高度,重復步驟2-5),直至完成數字模型所有二維平面上的掃描,即完成了整個三維產品的打印。

6) 打印完成后,將成型件從粉末成型缸中取出,通過后續加工使樣件與基板分離,清除樣件內外表面粉末。

7) 對于一些懸空結構,需要在三維模型中設計支撐結構,與主結構一起打印出來。打印完成后,需要去除支撐結構。


圖二  3D打印設備


作為金屬增材制造技術領域的主力軍,SLM技術具有一些明顯的優勢特征:

1) 采用高質量單模激光器,聚焦光斑尺寸范圍為50-200um,能量高度集中,能夠熔化大部分金屬材料,成型件致密度高(99%以上);

2) 激光掃描速度快,微小尺寸的熔池帶來極快的冷卻凝固速度,得到均勻細小的金相組織,相比于晶粒粗大的鑄造組織,大大的提高了材料力學性能;

3) 采用53um以下粒徑的粉末,單層粉末厚度控制在20-100μm,可實現精密成型,成型件表面質量好;

4) 整個工作腔被密閉于惰性氣體環境中,以避免金屬材料在高溫下氧化,適用于鈦合金等活躍金屬

5) 通過支撐結構的設計,可以打印各種復雜形狀產品,包括帶有懸空部位的復雜曲面,含有內部流道的結構,鏤空復雜形狀等。


 

圖三 SLM技術制成的各種復雜形狀金屬零件

但是,SLM技術也存在一定的局限性。首先,由于激光器功率和掃描振鏡偏轉角度的限制,SLM設備能夠成形的零件尺寸范圍有限,目前成熟的商業設備最大可做到800 x 400 x 500 mm3成型體積;其次,SLM工藝控制技術難度較高,需要具有冶金材料專業知識的技術人員,針對性的開發特定材料工藝包,其支撐結構的設計,也需要專業軟件與有經驗的技術員,以避免支撐結構不合理以及后期去除困難等問題;在實際工業應用中,SLM的設備昂貴,運行維護成本較高,成型效率又偏低,一般在100cm3/h以下,無法滿足大部分產業的批量生產需求,因而更適合做個性化定制零件,以及小批量生產。

輝銳的SLM金屬打印服務

輝銳公司自2016年開始為客戶提供鋪粉式金屬3D打印服務,憑借公司在激光材料加工領域多年的生產研發經驗,以及在冶金材料領域的知識人才儲備,公司能夠為客戶提供包括前期建模,材料工藝包開發,打印成型及后續熱處理加工在內的全套SLM打印服務。目前已開發了不銹鋼,鋁合金、鈦合金、鎳基高溫合金、鎢合金、硅化鎂等10余種材料的SLM工藝,包括相應的后處理工藝。

表一列出了輝銳SLM工藝制成的幾種常用材料樣品的力學性能數據。

 

17-4PH

316L

In625

In718

AlSi7Mg

描述

馬氏體硬質不銹鋼 

不銹鋼 

鎳基高溫合金

鎳基高溫合金 

鋁合金

抗拉強度 (MPa

950±100

700±100

1100±50

1250±50

400±50

屈服強度 (MPa

600±50

600±50

800±50

1050±50

300±50

斷后伸長率(%

30±5

48±2

35±5

10±2

8±2


圖四顯示了不同后續熱處理對鎳基高溫合金
In718SLM成型件的力學性能影響。




圖四
In718 SLM成型件力學性能及不同后續熱處理工藝的影響




圖五舉例給出了輝銳
SLM產品(In625),樣品截面的金相組織。可以看到材料組織100%致密,晶粒細小,由細長的樹枝晶組成。
 

 

圖五 In626 SLM打印件截面金相組織,a),b)橫截面,c),d)縱截面

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