选择性激光熔融(SLM)和直接金属激光烧结(DMLS)是属于粉末床熔融3D打印系列的两种金属增材制造工艺。
两种技术有很多相似之处:两者均使用激光扫描并选择性地融合(或熔化)金属粉末颗粒,将它们粘合在一起并逐层构建。同样,在两个过程中使用的材料都是颗粒状的金属。
SLM和DMLS之间的区别归结于颗粒粘结工艺的基础(以及专利):SLM使用具有单一熔化温度的金属粉末并完全熔化颗粒,而在DMLS中,粉末由熔点可变的材料组成在高温下在分子水平上融合。
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SLM工艺打印过程
一、首先用惰性气体(例如氩气)填充打印仓,以最大程度地减少金属粉末的氧化,
二、然后将其加热到最佳打印温度。在平台上一铺一薄层金属粉末,用激光扫描组件的横截面,将金属颗粒熔化(或融合)在一起,完成本层数据打印。
三、上一层打印完成后,打印平台向下移动一层厚度,并且刮刀跨平台移动,以将下一层粉末沉积到惰性打印室中。然后重新铺另一层金属粉末。逐层重复此过程,直到打印完成。
四、打印过程完成后,零件将完全封装在金属粉末中。金属3D打印中的支撑使用与零件相同的材料构建,并且始终需要缓解由于高处理温度而可能发生的翘曲和变形。
五、当料箱冷却至室温时,多余的粉末将被手动清除,零件通常经过热处理,同时仍附着在打印平台上,以消除残余应力。然后,通过线切割将组件从打印板上卸下,以备使用或进一步后处理。
SLM工艺的特征
在SLM中,几乎所有过程参数都是由机器制造商设置的。金属打印的层高一般控制在20到50微米之间,取决于金属粉末(流动性,粒度分布,形状等)的性质及最终打印组建的性能要求。
小型的金属3D打印设备的打印尺寸为100 x 100 x 100 mm,主要用于齿科和珠宝行业,目前市场上相对成熟的大型金属打印设备最大可打印尺寸为500 x 280 x 850 mm。金属3D打印机可以达到的尺寸精度约为±0.1毫米。
SLM中的金属粉末是高度可回收的:通常浪费少于5%。每次打印后,将未使用的粉末收集,筛分,然后用新鲜材料补足至下一次构建所需的水平。
金属打印中的支撑结构对于成功完成打印至关重要,只是支撑的打印会大大增加所需材料的数量,增加打印成本。
支撑结构和零件方向
由于金属的加工温度很高,因此在金属打印中始终需要支撑结构,并且支撑结构通常使用格子图案构建。
在金属3D打印的过程中,针对打印件的形状和性能要求添加必要的支撑是非常重要的环节,支撑结构主要起到三个方面的作用:
(1)为打印下一层提供了合适的平台。
(2)支撑锚定在打印平台上,防止打印件翘曲。
(3)它们充当散热器,将热量从零件带走,并使其以更可控的速率冷却。

选择性激光熔融(SLM)插图
零件通常以一定角度定向,以最大程度地减少翘曲的可能性,并在关键方向上最大化零件的强度。但是,这将增加所需的支撑量,拉长打印时间,提高打印成本。
使用激光随机扫描打印的模式也可以使翘曲最小化。这种打印方式可防止在任何特定方向上累积残余应力,并将为零件增加特征性的表面纹理。由于金属打印的成本很高,因此通常会在打印前使用仿真软件来模拟打印过程,提前发现可能出现的问题。拓扑优化算法不仅用于最大化机械性能和制造轻量化部件,还用于最小化支撑结构的需求和翘曲的可能性。
SLM工艺的优点和局限性
主要优点:
(1)金属3D打印工艺可用于制造传统制造方法无法生产的复杂形状的定制零件。
(2)可以对金属3D打印的零件进行拓扑优化,以使其性能最大化,同时将其重量和装配中的零件总数最小化。
(3)金属3D打印零件具有出色的物理性能,可用的材料范围包括难以加工的其他材料,例如金属超级合金。
主要缺点:
(1)与金属3D打印相关的材料和制造成本很高,因此这些技术不适用于可以通过传统方法轻松制造的零件。
(2)金属3D打印系统的构建尺寸受到限制,因为需要精确的制造条件和过程控制。
(3)现有的传统设计可能不适合金属3D打印,可能需要进行更改。