選擇性激光熔融(SLM)和直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)是屬于粉末床熔融3D打印系列的兩種金屬增材制造工藝。
兩種技術(shù)有很多相似之處:兩者均使用激光掃描并選擇性地融合(或熔化)金屬粉末顆粒,將它們粘合在一起并逐層構(gòu)建。同樣,在兩個(gè)過(guò)程中使用的材料都是顆粒狀的金屬。
SLM和DMLS之間的區(qū)別歸結(jié)于顆粒粘結(jié)工藝的基礎(chǔ)(以及專利):SLM使用具有單一熔化溫度的金屬粉末并完全熔化顆粒,而在DMLS中,粉末由熔點(diǎn)可變的材料組成在高溫下在分子水平上融合。
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SLM工藝打印過(guò)程
一、首先用惰性氣體(例如氬氣)填充打印倉(cāng),以最大程度地減少金屬粉末的氧化,
二、然后將其加熱到最佳打印溫度。在平臺(tái)上一鋪一薄層金屬粉末,用激光掃描組件的橫截面,將金屬顆粒熔化(或融合)在一起,完成本層數(shù)據(jù)打印。
三、上一層打印完成后,打印平臺(tái)向下移動(dòng)一層厚度,并且刮刀跨平臺(tái)移動(dòng),以將下一層粉末沉積到惰性打印室中。然后重新鋪另一層金屬粉末。逐層重復(fù)此過(guò)程,直到打印完成。
四、打印過(guò)程完成后,零件將完全封裝在金屬粉末中。金屬3D打印中的支撐使用與零件相同的材料構(gòu)建,并且始終需要緩解由于高處理溫度而可能發(fā)生的翹曲和變形。
五、當(dāng)料箱冷卻至室溫時(shí),多余的粉末將被手動(dòng)清除,零件通常經(jīng)過(guò)熱處理,同時(shí)仍附著在打印平臺(tái)上,以消除殘余應(yīng)力。然后,通過(guò)線切割將組件從打印板上卸下,以備使用或進(jìn)一步后處理。
SLM工藝的特征
在SLM中,幾乎所有過(guò)程參數(shù)都是由機(jī)器制造商設(shè)置的。金屬打印的層高一般控制在20到50微米之間,取決于金屬粉末(流動(dòng)性,粒度分布,形狀等)的性質(zhì)及最終打印組建的性能要求。
小型的金屬3D打印設(shè)備的打印尺寸為100 x 100 x 100 mm,主要用于齒科和珠寶行業(yè),目前市場(chǎng)上相對(duì)成熟的大型金屬打印設(shè)備最大可打印尺寸為500 x 280 x 850 mm。金屬3D打印機(jī)可以達(dá)到的尺寸精度約為±0.1毫米。
SLM中的金屬粉末是高度可回收的:通常浪費(fèi)少于5%。每次打印后,將未使用的粉末收集,篩分,然后用新鮮材料補(bǔ)足至下一次構(gòu)建所需的水平。
金屬打印中的支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于成功完成打印至關(guān)重要,只是支撐的打印會(huì)大大增加所需材料的數(shù)量,增加打印成本。
支撐結(jié)構(gòu)和零件方向
由于金屬的加工溫度很高,因此在金屬打印中始終需要支撐結(jié)構(gòu),并且支撐結(jié)構(gòu)通常使用格子圖案構(gòu)建。
在金屬3D打印的過(guò)程中,針對(duì)打印件的形狀和性能要求添加必要的支撐是非常重要的環(huán)節(jié),支撐結(jié)構(gòu)主要起到三個(gè)方面的作用:
(1)為打印下一層提供了合適的平臺(tái)。
(2)支撐錨定在打印平臺(tái)上,防止打印件翹曲。
(3)它們充當(dāng)散熱器,將熱量從零件帶走,并使其以更可控的速率冷卻。

零件通常以一定角度定向,以最大程度地減少翹曲的可能性,并在關(guān)鍵方向上最大化零件的強(qiáng)度。但是,這將增加所需的支撐量,拉長(zhǎng)打印時(shí)間,提高打印成本。
使用激光隨機(jī)掃描打印的模式也可以使翹曲最小化。這種打印方式可防止在任何特定方向上累積殘余應(yīng)力,并將為零件增加特征性的表面紋理。由于金屬打印的成本很高,因此通常會(huì)在打印前使用仿真軟件來(lái)模擬打印過(guò)程,提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題。拓?fù)鋬?yōu)化算法不僅用于最大化機(jī)械性能和制造輕量化部件,還用于最小化支撐結(jié)構(gòu)的需求和翹曲的可能性。
SLM工藝的優(yōu)點(diǎn)和局限性
主要優(yōu)點(diǎn):
(1)金屬3D打印工藝可用于制造傳統(tǒng)制造方法無(wú)法生產(chǎn)的復(fù)雜形狀的定制零件。
(2)可以對(duì)金屬3D打印的零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,以使其性能最大化,同時(shí)將其重量和裝配中的零件總數(shù)最小化。
(3)金屬3D打印零件具有出色的物理性能,可用的材料范圍包括難以加工的其他材料,例如金屬超級(jí)合金。
主要缺點(diǎn):
(1)與金屬3D打印相關(guān)的材料和制造成本很高,因此這些技術(shù)不適用于可以通過(guò)傳統(tǒng)方法輕松制造的零件。
(2)金屬3D打印系統(tǒng)的構(gòu)建尺寸受到限制,因?yàn)樾枰_的制造條件和過(guò)程控制。
(3)現(xiàn)有的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)可能不適合金屬3D打印,可能需要進(jìn)行更改。
