? 成型原理

選區(qū)激光熔化（SLM）成型技術的工作原理與選區(qū)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(xiàn)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μm，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。

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(guī)劃掃描路徑，再轉(zhuǎn)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(qū)，隨后計算器根據(jù)激光掃描信息控制掃描振鏡偏轉(zhuǎn)，有選擇性的將激光束照射到加工區(qū)，得到當前二維截面的二維實體，然后成型區(qū)下降一個層厚，重復上述過程，逐層堆積得到產(chǎn)品原型。

SLM技術原理圖

? 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技術目前常使用光束模式優(yōu)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(jīng)散熱冷卻后可實現(xiàn)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(tài)金屬的潤濕性。在成型過程中，若液態(tài)金屬成球，則說明液態(tài)金屬的潤濕性不好。液態(tài)金屬對固體金屬的潤濕性受工藝參數(shù)的影響，因此可優(yōu)化工藝參數(shù)來提高特定粉末的潤濕能力。

工藝優(yōu)點

（1）能將CAD模型直接制成終端金屬產(chǎn)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(yī)學上組分連續(xù)變化的梯度功能材料的加工問題。

? 成型系統(tǒng)

SLM的核心器件包括主機、激光器、光路傳輸系統(tǒng)等幾個部分。

1、主機

主機是構成SLM設備的基本部件。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(tǒng)等部分構成。

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(zhì)量。SLM設備主要采用光纖激光器，光束直徑內(nèi)的能量呈高斯分布。光纖激光器指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質(zhì)，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。具有工作效率高、使用壽命長和維護成本低等特點。主要工作參數(shù)有激光功率、激光波長、激光光斑、光束質(zhì)量等。

光纖激光器結構示意圖

3、光路傳輸系統(tǒng)

（1）振鏡掃描系統(tǒng)

SLM成型致密金屬零件要求成型過程中固液界面連續(xù)，這就要求掃描間距更為精細。因此，所采用的掃描策略數(shù)據(jù)較多，數(shù)據(jù)處理量大，要求振鏡系統(tǒng)的驅(qū)動卡對數(shù)據(jù)處理能力強、反應速度快。

振鏡掃描系統(tǒng)示意圖

（2）聚焦系統(tǒng)

常用的聚焦系統(tǒng)包括動態(tài)聚焦系統(tǒng)和靜態(tài)聚焦系統(tǒng)。動態(tài)聚焦是通過馬達驅(qū)動負透鏡沿光軸移動實時補償聚焦誤差。所采用的動態(tài)聚焦系統(tǒng)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(tài)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(jīng)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(zhuǎn)的入射光在像場內(nèi)的掃描速度不是常數(shù)。為實現(xiàn)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(zhuǎn)的入射光呈線性變化。

聚焦系統(tǒng)結構示意圖

（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(chǎn)生熱量，如果SLM成型時間較長，其熱積累有可能會損壞鏡片。

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