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金属零件3D打印技术:SLM技术与SLS技术

Date: 2018-11-23
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3D打印技术正快速改变着传统的生产方式和生活方式,短短30年,3D打印技术已获得迅速发展,并受到世界各国广泛关注。随着3D打印技术成熟度及性能的不断提升,3D打印应用的材料也越来越广泛,特别是金属材料。我们知道SLM技术与SLS技术是主流的金属零件打印技术, 那么它们有何不同?



1989年,美国Texas大学C. Deckard提出激光选区烧结(SLS)技术,稍后组建DTM公司。1995年,德国Fraunhofer激光器研究所提出了激光选区熔化(SLM)技术,用它能直接成型出接近完全致密的金属零件。 SLM与SLS同为粉末打印技术,在打印过程上是基本一致的。打印开始前由铺粉车将粉末材料铺至打印平台,再由激光进行烧结或融化,实现一层的打印,每完成一层,成型平台会下降一个层厚的高度,随后铺粉车会重新铺粉,再由激光热作用成型,一层一层堆叠直至形成一个三维零件,为防止金属氧化,整个过程需要在惰性气体环境下进行。




金属零件3D打印技术:SLM技术与SLS技术


SLM成型原理图



金属零件3D打印技术:SLM技术与SLS技术


SLS成型原理图



虽然两种技术的原理都是利用的激光束的热作用,但由于SLM与SLS激光的作用对象不同,他们所使用的激光器也有所不同。SLM技术为了更好的融化金属,需要使用金属有较高吸收率的激光束,所以一般使用的是Nd-YAG激光器(1.064微米)和光纤激光器(1.09微米)等波长较短的激光束。SLS技术一般应用的是波长较长(9.2-10.8微米)的CO2激光器。




SLM技术打印金属

SLM技术通过激光器对金属粉末直接进行热作用,使其完全融化再经过冷却成型。SLM是极具发展前景的金属零件3D打印技术,SLM成型材料多为单一组分金属粉末,包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴铬合金和贵重金属等。激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道,可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度近乎致密金属零件。


金属零件3D打印技术:SLM技术与SLS技术


利用SLM技术打印的金属件



SLS技术打印金属

SLS技术通过激光对材料粉末进行照射,将其中的特殊添加材料融化使之达到粘结剂的作用,从而将金属粉末结合成型,实现金属打印。用于SLS烧结的金属粉末主要有三种:单一金属粉末、金属混合粉末、金属粉加有机物粉末。相应地,SLS技术在成型金属零件时,有三种方式:




单一金属粉末烧结

单一金属粉末的烧结:例如铁粉,先将铁粉预热到一定温度,再用激光束扫描、烧结。烧结好的制件经热等静压处理,可使最后零件的相对密度达到99.9%。




金属混合粉末烧结

金属混合粉末的烧结:主要是两种金属的混合粉末,其中一种粉末具有较低的熔点,另一种粉末的熔点较高。例如青铜粉和镍粉的混合粉。先将金属混合粉末预热到某—温度.再用激光束进行扫描,使低熔点的金属粉末熔化(如青铜粉),从而将难熔的镍粉粘结在一起。烧结好的制件再经液相烧结后处理,可使最后制件的相对密度达到82%。




金属粉末与有机黏合剂粉末的混合体

金属粉末与有机黏合剂粉末的混合体:将金属粉末与有机黏合剂粉末按一定比例均匀混合,激光束扫描后使有机黏合剂熔化,熔化的有机黏合剂将金属粉末黏合在一起(如铜料和有机玻璃粉)。烧结好的制件再经高温后续处理,一方面去除制件中的有机黏合剂,另一方面提高制件的力学强度和耐热强度。




金属零件3D打印技术:SLM技术与SLS技术


利用SLS技术打印的金属件




除此之外,激光烧结过程中先是用灯管加热或者金属板热辐射的方式,将粉材加热到超过结晶温度,大概170摄氏度左右,利用被熔化的材料实现黏结成型,所以实体存在孔隙,力学性能差,部分零件要使用的话还要经过高温重熔。SLM是激光选区熔化,顾名思义也就是在加工的过程中用激光使粉体完全熔化,不需要黏结剂,成型的精度和力学性能都比SLS要好,然而因为SLM没有热场,它需要将金属从20℃的常温加热到上千度的熔点,这个过程需要消耗巨大的能量。



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