hmf250金屬激光選區(qū)熔化設備研制及成形性能研究-碩士學位論文

1、<p><b>　　碩士學位論文</b></p><p>　　HMF250金屬激光選區(qū)熔化設備研制及成形性能研究</p><p><b>　　學位申請人：</b></p><p>　　指導教師：教授 教授</p><p><b>　　學科名稱：機械工程</b><

2、;/p><p><b>　　年 月</b></p><p>　　論文題目：HMF250金屬激光選區(qū)熔化設備研制及成形性能研究</p><p><b>　　學科專業(yè)：機械工程</b></p><p><b>　　申 請 人：</b></p><p><

3、;b>　　指導教師：</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　激光選區(qū)熔化技術（Selective laser melting, SLM）是增材制造技術中最有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椙把丶夹g，能直接成形出復雜形狀、組織致密、力學性能優(yōu)良的金屬零件。但是該技術工藝中存在的一些關鍵難題如精度偏低、熱應力集中導致的翹曲變形等仍亟待解

4、決，而且目前國內市場過分依賴國外設備，國內設備還并不夠成熟。為此，本文自主設計研發(fā)了一套激光選區(qū)熔化設備，型號為HMF250，并進行完整的基礎工藝實驗，探究成形工藝規(guī)律，并對力學性能及精度進行研究。</p><p>　　本文構建了一套激光選區(qū)熔化設備HMF250，可實現低氧、高效、精確的成形過程。開發(fā)了高效柔性鋪粉方法，結合工藝實驗，針對設備硬件系統(tǒng)不足之處進行了改進優(yōu)化，采用柔性刮板的鋪粉方式，使成形零件的致密

5、性及力學性能有所提高。改進了設備硬件部分中的密封結構，實驗前的保護氣充入時間縮短至原有水平的1/3，高效穩(wěn)定的將氧含量控制在100 ppm以下，大幅度提高了成形效率。 </p><p>　　選用Ti6Al4V金屬粉末進行了激光選區(qū)熔化的基礎工藝實驗，提出了“非恒定降功率”的成形方式，并成功解決了由于熱應力集中而引起的翹曲問題。分別對單道單層、多道單層及多道多層成形過程進行了研究。分析了工藝參數對掃描線寬、線高的影

6、響規(guī)律，建立了搭接率模型，得出30%的搭接率為理想狀態(tài)。得出較為合適的鋪粉層厚與粉末的平均粒徑值成倍數關系的結論。建立了鋪粉層厚模型，提出了鋪粉層厚與零件切片層厚的關系。</p><p>　　針對成形零件的致密度及力學性能進行了研究，提出了一種新的掃描方式（DXYSTA掃描方式），并成形出致密度達到99%以上、拉伸強度達到1170MPa的零件。判斷出工藝參對致密度影響重要程度的次序為：掃描速度＞激光功率＞掃描間距

7、。發(fā)現拉伸強度、顯微硬度均與致密度呈正相關。本文認為，為兼顧零件質量與成形效率，成形零件無需完全致密。</p><p>　　本文進行了激光選區(qū)熔化成形零件的精度研究，采用尺寸補償可顯著的提高零件X、Y、Z三個方向的尺寸精度，尺寸偏差最小可以達到0.01mm。通過正交實驗獲得了影響激光選區(qū)熔化成形過程中成形零件尺寸變化的主要工藝參數較優(yōu)水平組合。</p><p>　　關 鍵 詞：激光選區(qū)熔化

8、；設備改進；成形工藝；致密度；精度</p><p><b>　　論文類型：應用研究</b></p><p>　　Title: Development of HMF250 Selective Laser Melting Machine and Research of Manufacturing Properties</p><p>　　Speci

9、ality:Mechanical Engineering</p><p>　　Applicant:Changchao Fan</p><p>　　Supervisor:Prof. Zhongmin Jin Prof. Dichen Li</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　S

10、elective lasr melting (SLM) is a promising advanced manufacturing technology, which can be used to directly manufacture metal parts with complex shape, compact structure and excellent mechanical properties directly. Howe

11、ver, some key problems still need to be solved such as low precision, the warpoing deformation caused by thermal stress concentration and so on. Moreover, most of the machine of selective laser melting are imported from

12、abroad. The developed domestic machine still need to be imp</p><p>　　In this paper, SLM system was constructed, which could realize the forming process of low oxygen, high efficiency and precision. A high ef

13、ficiency and flexible powder method was developed. To overcome the shortcomings of the SLM equipment, the hardware system was optimized. The density and mechanical properties of products were improved by a new coating me

14、thod using a flexible scraper. The sealing structure of the hardware part was improved, so the time for filling in the protection gas before t</p><p>　　The basic process experiment of selective laser melting

15、 was carried out with Ti6Al4V metal powder. The forming method of “non constant decreasing power” was proposed, and the warping problem caused by thermal stress was solved successfully. The forming processes of single ch

16、annel, multi-channel and multi-layer were studied. The influence of process parameters on the scanning line width and height was analyzed. The overlapping rate model was established and concluded that the suitable overla

17、pping</p><p>　　The density and mechanical properties of the formed parts were studied. A new scanning strategy (DXYSTA) was proposed, and the density reached to higher than 99%, and the tensile strength reac

18、hed to 1170 MPa. It was found that the importance to the influence of process parameters on the density effect was the scanning speed, the laser power, the scan spacing. The tensile strength and micro hardness were found

19、 to have a positive correlation with the density. It is not necessary to obtain fully co</p><p>　　This paper studied the accuracy of SLM parts. Size compensation can significantly improve the precision in X,

20、 Y and Z axis. The size deviation could reach to 0.01mm. The process parameters of the optimal level combination which had influence on the forming components size changes in the process of selective laser melting was ob

21、tained by orthogonal experiment.</p><p>　　KEY WORDS: Selective laser melting; Machine optimization; Forming process; Density; Accuracy</p><p>　　TYPE OF THESIS: Application Research</p>&l

22、t;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景及研究意義1</p><p>　　1.1.1 研究背景1</p><p>　　1.1.2 研究目的及意義2</p><p>　　1.2 SL

23、M技術國內外研究現狀4</p><p>　　1.2.1 SLM設備研究現狀4</p><p>　　1.2.2 SLM技術工藝研究現狀6</p><p>　　1.3 研究內容及技術路線7</p><p>　　1.3.1 研究內容7</p><p>　　1.3.2 技術路線9</p><p&

24、gt;　　2 激光選區(qū)熔化成形設備的構建及改進10</p><p><b>　　2.1 引言10</b></p><p>　　2.2 硬件系統(tǒng)10</p><p>　　2.2.1 光路系統(tǒng)11</p><p>　　2.2.2 鋪粉系統(tǒng)12</p><p>　　2.2.3 氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)

25、13</p><p>　　2.2.4 冷卻系統(tǒng)14</p><p>　　2.3 軟件系統(tǒng)14</p><p>　　2.3.1 數據處理系統(tǒng)14</p><p>　　2.3.2 工藝控制系統(tǒng)14</p><p>　　2.4 激光選區(qū)熔化成形設備的改進15</p><p>　　2.4.1

26、 柔性鋪粉刮板的改進設計16</p><p>　　2.4.2 密封結構的改進設計18</p><p>　　2.4.3 成形基板的設計與選取21</p><p>　　2.5 分析與討論23</p><p>　　2.6 本章小結25</p><p>　　3 激光選區(qū)熔化成形工藝研究27</p>&

27、lt;p><b>　　3.1 引言27</b></p><p>　　3.2 實驗方法27</p><p>　　3.2.1 實驗材料27</p><p>　　3.2.2 方案設計28</p><p>　　3.2.3 數據測量28</p><p>　　3.3 單道單層成形工藝研究29

28、</p><p>　　3.3.1 工藝參數對單道表面形貌的影響29</p><p>　　3.3.2 工藝參數對單道掃描線寬、線高的影響30</p><p>　　3.4 多道單層成形工藝研究32</p><p>　　3.4.1 多道熔化成形原理32</p><p>　　3.4.2 搭接率模型的建立33</

29、p><p>　　3.4.3 搭接率對表面形貌的影響34</p><p>　　3.4.4 掃描方式對單層厚度的影響36</p><p>　　3.5 多道多層成形工藝研究38</p><p>　　3.5.1 鋪粉層厚對成形質量的影響38</p><p>　　3.5.2 實體零件成形時的翹曲問題40</p>

30、<p>　　3.6 分析與討論42</p><p>　　3.6.1 單道表面形貌及線寬、線高的研究42</p><p>　　3.6.2 多道表面形貌及單層厚度的研究43</p><p>　　3.6.3 鋪粉層厚模型的建立與研究44</p><p>　　3.7 本章小結44</p><p>　　4

31、 激光選區(qū)熔化致密度及力學性能研究46</p><p><b>　　4.1 引言46</b></p><p>　　4.2 致密度研究46</p><p>　　4.2.1 致密度測量及方法46</p><p>　　4.2.2 工藝參數對致密度的影響47</p><p>　　4.2.3 工藝

32、參數正交優(yōu)化51</p><p>　　4.2.4 能量密度對致密度的影響52</p><p>　　4.3 力學性能研究53</p><p>　　4.3.1 拉伸性能研究53</p><p>　　4.3.2 顯微硬度研究55</p><p>　　4.4 分析與討論56</p><p>

33、　　4.4.1 工藝參數與致密度的關系56</p><p>　　4.4.2 力學性能與致密度的關系58</p><p>　　4.5 本章小結59</p><p>　　5 激光選區(qū)熔化精度研究60</p><p><b>　　5.1 引言60</b></p><p>　　5.2 激光選區(qū)熔

34、化精度實驗與結果60</p><p>　　5.2.1 激光選區(qū)熔化精度闡述60</p><p>　　5.2.2 精度正交試驗及結果60</p><p>　　5.3 分析與討論63</p><p>　　5.3.1 因素的顯著性評價與極差分析63</p><p>　　5.3.2 四因素較優(yōu)水平組合的選取65&l

35、t;/p><p>　　5.3.3 基于尺寸補償的成形件精度優(yōu)化65</p><p>　　5.4 實體零件成形樣件67</p><p>　　5.5 本章小結68</p><p>　　6 結論與展望70</p><p><b>　　6.1 結論70</b></p><p>

36、;<b>　　6.2 展望71</b></p><p><b>　　致 謝72</b></p><p><b>　　參考文獻73</b></p><p>　　攻讀學位期間取得的研究成果76</p><p><b>　　聲明</b></p&g

37、t;<p><b>　　CONTENTS</b></p><p>　　1 Preface1</p><p>　　1.1 Background and Research Signifaicance1</p><p>　　1.1.1 Background1</p><p>　　1.1.2 Rese

38、arch Purpose and Significance2</p><p>　　1.2 Research Status of SLM Technology4</p><p>　　1.2.1 Research Status of SLM Machines4</p><p>　　1.2.2 Research Status of SLM Technology

39、 Process6</p><p>　　1.3 Research Contents and Technical Approach7</p><p>　　1.3.1 Research Contents7</p><p>　　1.3.2 Technical Approach9</p><p>　　2 Construction an

40、d Improvement of SLM Machine10</p><p>　　2.1 Forward10</p><p>　　2.2 Hardware System10</p><p>　　2.2.1 Layser System11</p><p>　　2.2.2 Powder Control System12</

41、p><p>　　2.2.3 Gas Circulation Purification System13</p><p>　　2.2.4 Cooling System14</p><p>　　2.3 Software System14</p><p>　　2.3.1 Data Processing Module14</p>

42、;<p>　　2.3.2 Process Control Module14</p><p>　　2.4 Improvement of SLM Machine15</p><p>　　2.4.1 Improved Design of the Flexible Scraper16</p><p>　　2.4.2 Improved Design

43、 of Sealing Structure18</p><p>　　2.4.3 Design and Selection of Forming Substrate21</p><p>　　2.5 Analysis and Discussion23</p><p>　　2.6 Brief Summary25</p><p>　　3

44、 Research of SLM Process27</p><p>　　3.1 Forward27</p><p>　　3.2 Experimental Method27</p><p>　　3.2.1 Experimental Material27</p><p>　　3.2.2 Conceptual Design28

45、</p><p>　　3.2.3 Data Measurement28</p><p>　　3.3 Research of Single Channel Forming Technology29</p><p>　　3.3.1 Effects of Process Parameters on the Surface Morphology of Single

46、 Channel29</p><p>　　3.3.2 Effects of Process Parameters on Single Channel Scanning Line Width and Line Height30</p><p>　　3.4 Research of Multi-channel Single Layer Forming Technology32</

47、p><p>　　3.4.1 Principle of Multi-channel Melting32</p><p>　　3.4.2 Establishment of Overlap Ratio Model33</p><p>　　3.4.3 Effects of Overlap Ratio on Surface Morphology34</p>

48、<p>　　3.4.4 Effects of Scanning Strategy on Single Layer Thickness36</p><p>　　3.5 Research of Multi-channel Multi-layer Forming Technology38</p><p>　　3.5.1 Effects of Powder Layer Th

49、ickness on Forming Quality38</p><p>　　3.5.2 The Warpage of Solid Forming40</p><p>　　3.6 Analysis and Discussion42</p><p>　　3.6.1 Research on Surface Morphology Line Width and L

50、ine Height of Single Channel42</p><p>　　3.6.2 Research on Multi-channe Surface Morphology and Thickness43</p><p>　　3.6.3 Establishment and Research on the model of powder layer thickness44&

51、lt;/p><p>　　3.7 Brief Summary44</p><p>　　4 Research on the Density and Mechanical Properties of SLM46</p><p>　　4.1 Forward46</p><p>　　4.2 Research on the Density46

52、</p><p>　　4.2.1 Measurement and Method of Density46</p><p>　　4.2.2 Effects of Process Parameters on the Density47</p><p>　　4.2.3 Orthogonal Optimization of Process Parameters5

53、1</p><p>　　4.2.4 Effects of Energy Density on the Density52</p><p>　　4.3 Research on Mechanical Properties53</p><p>　　4.3.1 Research on Tensile Property53</p><p>

54、　　4.3.2 Research on Micro Hardness55</p><p>　　4.4 Analysis and Discussion56</p><p>　　4.4.1 Relatonship Between Process Parameters and Density56</p><p>　　4.4.2 Relationship Be

55、tween Mechanical Properties and Density58</p><p>　　4.5 Brief Summary59</p><p>　　5 Research on the Accuracy of SLM60</p><p>　　5.1 Forward60</p><p>　　5.2 Accuracy

56、 Experiment and Results of SLM60</p><p>　　5.2.1 Accuracy Elaboration of SLM60</p><p>　　5.2.2 Accuracy Orthogonal Test and Results of SLM60</p><p>　　5.3 Analysis and Discussion

57、63</p><p>　　5.3.1 Significant Evaluation and Range Analysis of Factors63</p><p>　　5.3.2 Selection of the Combination of the Four Factors65</p><p>　　5.3.3 Optimization of Accura

58、cy Based on Dimension compensation65</p><p>　　5.4 Fabrication of Multi-overlapped Parts67</p><p>　　5.5 Brief Summary68</p><p>　　6 Conclusions and Suggestions70</p><

59、;p>　　6.1 Conclusions70</p><p>　　6.2 Suggestions71</p><p>　　Acknowledgements72</p><p>　　References73</p><p>　　Achievements76</p><p>　　Declarations

60、</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究背景及研究意義</b></p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　　金屬增材制造技術是近20年來發(fā)展起來的一項新型增材制造技術，可以根據金屬零件的三維數字模型，直接快速成形出具有冶

61、金結合組織且高精度的金屬零件結構，具有無模具、短周期、低成本、高性能和快速響應等能力[1]。該技術基于“離散”+“堆積”成形思想，綜合利用CAD技術、數控技術、激光加工技術和材料技術，在一臺設備上快速而精確的完成復雜形狀零件的整體制造，解決傳統(tǒng)加工方法難以制造的復雜零件，實現從零件設計到三維實體原型制造一體化[2,3]。在制作復雜形狀零件或小批量定制化零件時相對傳統(tǒng)工藝更有優(yōu)勢。作為增材制造技術體系中最有潛力的技術，金屬增材制造技術是先

62、進制造技術的一個重要發(fā)展方向[4]。</p><p>　　該技術原理，簡而言之即為“離散”+“堆積”。堆積，即指將材料進行堆積的過程，采用不同的材料，通過不同的工藝方法，將“材料單元”“逐步”地堆積成具有一定結構形狀以及功能的三維零件。離散，是為了獲得堆積的“材料單元”和“逐步”的信息，需將CAD三維模型進行一維、二維、三維的離散，如圖1-1所示。</p><p>　　圖 1-1 三維模

63、型的離散</p><p>　　依照金屬粉末不同的堆積成形方式，金屬增材制造技術主要分為三類：（1）利用激光作為熱源，掃描熔化鋪設于粉末床的金屬粉末，如激光選區(qū)熔化技術(Selective Laser Melting, SLM)；（2）利用激光作為熱源，掃描熔化由噴嘴送出的金屬粉末流，如激光近凈成形技術(Laser Engineered Net Shaping, LENS)；（3）利用電子束作為熱源，掃描熔化鋪設于

64、粉末床的金屬粉末，如電子束選區(qū)熔化技術(Electron Beam Selective Melting, EBSM)。</p><p>　　激光選區(qū)熔化技術(Selective Laser Melting, SLM)作為金屬增材制造技術中的一個分支，以快速成形出高性能復雜的金屬零件為目的，是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椙把丶夹g。與其他金屬增材制造技術相比，SLM技術最大的優(yōu)勢是可以高效制造精度高且致密度近乎為100%的金屬

65、零件。SLM技術基于一般的快速成形材料逐層堆積的成形方式，在激光束的熱作用下，將鋪設在粉末床中的待成形金屬粉末進行選區(qū)掃描熔化，最終逐層堆疊成形為具有復雜形狀、冶金結合且組織致密的金屬零件。SLM技術擁有制件效率高、綜合成本低，所加工樣件致密度高和力學性能好等優(yōu)勢。首先，激光選區(qū)熔化技術與其他制造工藝相比，有獨特的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的金屬成形工藝如切削、鑄造相比，SLM技術成形過程中無需工裝模具與刀具，提高了效率，節(jié)約了成本，提高了效率；與選

66、區(qū)激光燒結技術相比，SLM技術直接熔化待成形金屬粉末，無需通過低熔點金屬粉末熔化后粘結高熔點粉末，克服了選區(qū)激光燒結技術制造金屬零件的復雜工藝過程，而且制造的金屬零件力學性能不像選區(qū)激光燒結技術一樣受低熔點金屬的影響，生產的制件內部冶金結合較為理想，零件精度也有所提高。其次，快速成形</p><p>　　激光選區(qū)熔化技術的成形原理是基于分層疊加制造原理，通過激光束逐層熔化已鋪設在成形缸粉床上的待成形金屬粉末而成形

67、出具有復雜結構、組織較為致密的金屬零件。SLM設備主要由激光器、掃描光路系統(tǒng)、鋪粉裝置、供粉缸、成形缸以及計算機系統(tǒng)組成，如圖1-2所示。其工作過程為：首先利用計算機建立CAD模型，通過相應的分層軟件對CAD模型進行分層切片處理，將生成的零件實體的層截面信息傳給控制計算機儲存于STL文件中；然后利用鋪粉系統(tǒng)將粉末鋪展在成形工作臺上，掃描系統(tǒng)根據分層切片信息控制激光束作用于待成形區(qū)域的粉末，粉末發(fā)生融化，黏結熔化在一起，形成零件的一個截面

68、。一層掃描加工完畢后，成形工作臺在活塞缸內活塞作用下下降一個層厚距離；鋪粉系統(tǒng)將粉末鋪展在已成形層之上，掃描系統(tǒng)控制激光束對新鋪好的粉末進行掃描加工，重復以上成形過程，如此循環(huán)，直至所有切片層被掃描加工，一個完整的三維實體零件生成。</p><p>　　圖 1-2 SLM設備工作原理圖[5]</p><p><b>　　研究目的及意義</b></p>

69、<p>　　近年來，隨著“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”的提出，增材制造技術作為其中重要的一個技術分支被更多的人所重視。其中，金屬零件的直接成形更是被包括航空航天、醫(yī)療、汽車等眾多行業(yè)所青睞。</p><p>　　激光選區(qū)熔化技術作為快速成形技術中的一項重要分支，越來越得到人們的重視，尤其是在金屬材料應用領域，面對傳統(tǒng)加工工藝很難完成甚至根本無法完成的復雜結構、輕量化定制化產品，SLM技術具有獨特的

70、優(yōu)勢與特點，很好的起到了“互補”的作用。SLM技術的優(yōu)點可以歸納為以下幾點：</p><p>　?。?）可成形材料種類較多。從SLM成形原理上講，凡是在熱源的熱作用下，能夠粘結熔化于一體的粉末材料都可以作為SLM技術的待成形材料，如鈦合金粉末、不銹鋼粉末、鐵基合金粉末、鎳基合金粉末等。</p><p>　　（2）可成形幾乎具有任意復雜幾何形狀的零件。無論零件復雜程度如何，均可實現快速成形，

71、尤其對于具有復雜內部型腔結構或者多孔型結構，SLM技術都有著明顯的優(yōu)勢。</p><p>　　（3）生產開發(fā)周期短、成本低。尤其對于具有復雜結構的零件，可以直接通過增材制造快速成形出近乎終端的制件，制件只需經過簡單的后處理即可達到零件使用要求。整個生產流程數字信息化，實現了無?；?、免安裝的生產，這一特點尤其適合新產品的開發(fā)工作。</p><p>　?。?）成形零件精度高、致密度好，具有良好

72、的力學性能。SLM技術直接成形后的綠件表面粗糙度一般在15~50µm，通過工藝優(yōu)化和后處理等處理后，金屬制件的表面粗糙度可控制在8µm以下[6]，尺寸精度可達0.1mm，且致密度可達98%以上[7]，與傳統(tǒng)鑄造工藝無幾，力學性能更是可以達到甚至超過鍛件工藝水平。</p><p>　?。?）技術應用范圍廣?？蓮V泛應用于生物醫(yī)學、航空航天、汽車、電子產品、藝術設計等眾多領域。</p>

73、<p>　　激光選區(qū)熔化技術也有不足之處。首先，現階段工業(yè)級的SLM打印機造價較為昂貴，金屬粉末材料也價格不菲，高昂的成本制約著技術普及廣泛的應用。其次，SLM技術成形工藝復雜，影響因素較多，包括粉末材料特性、工藝參數、光路掃描系統(tǒng)、成形環(huán)境以及設備調試因素等。不同因素作用會直接影響最終成形零件的成形性能，成形性能包括：致密度、精度、表面粗糙度、力學性能、硬度和表面質量等。此外，SLM技術對專業(yè)人員的技術要求較高。鑒于此，為

74、了實現SLM技術能夠制造出高成形性能并能直接滿足使用要求的金屬零件，需要對SLM成形系統(tǒng)的設備、材料以及不同的工藝參數進行不斷的優(yōu)化，同時還需加強SLM技術的基礎理論研究，從而能夠成形出滿足人們要求的優(yōu)異產品。</p><p>　　為了更好的推進SLM技術的發(fā)展，不斷提高成形零件的致密度等成形性能，首先需要對成形系統(tǒng)的硬件組成部分和軟件控制部分進行全面的認識，掌握其在激光選區(qū)熔化成形過程中所起到的作用。硬件組成部

75、分的協調運動穩(wěn)定性以及軟件控制部分的穩(wěn)定性是保證成形過程穩(wěn)定進行的基礎和前提。為此，結合工藝實驗需求及結果反饋對硬件組成部分和軟件控制部分不斷優(yōu)化完善，以消除軟件控制誤差和硬件系統(tǒng)誤差對零件成性性能的影響，提高實驗的穩(wěn)定性和可重復性，提高實驗效率。</p><p>　　SLM技術國內外研究現狀</p><p><b>　　SLM設備研究現狀</b></p>

76、<p>　　SLM設備的優(yōu)良運行直接影響著成形工藝的結果，因此，國內外眾多科研機構、高校及公司均對SLM設備進行開發(fā)調試，甚至投入商業(yè)使用。</p><p>　　在國外，德國、英國、日本等國家的多個生產商對SLM設備的研發(fā)較為深入，且均已推出了商業(yè)化的SLM設備。其中，已經已經實現產業(yè)化，推出自己成熟產品的公司主要有德國EOS[8]、德國SLM Solutions、德國MCP、德國Concept L

77、aser、德國Phenix公司、英國Renishaw公司和日本Matsuura公司等。</p><p>　　德國對SLM技術研究最早也最深入，世界上第一臺SLM設備是在1999年由德國Fraunhofer研究所推出的基于不銹鋼粉末成形的SLM設備。德國EOS公司的EOSINT M290快速成形設備是該公司針對SLM技術所最新開發(fā)的激光選區(qū)熔化設備，采用性能優(yōu)良的400W的Yb光纖激光器，聚焦光斑直徑為100-50

78、0µm，可保證成形零件的質量及精度，而且此類激光器的波長較短（1060nm），可以保證在成形過程中金屬粉末很好的吸收激光輻射所產生的能量，可實現激光告訴掃描，減少成形時間，提高效率。該設備成形零件最大體積可達250mm×250mm×325mm，加工掃描速度可達7m/s，鋪粉層厚常用為20-100µm[9]。其產品和成形零件如圖1-3所示。</p><p>　　(a) 德國E

79、OSINT M290設備 (b) 設備成形零件</p><p>　　圖 1-3 德國EOSINT M290設備及成形零件[10]</p><p>　　歐洲知名的Rapid Tooling方案提供商德國MCP公司，推出的SLM設備Realizer采用400W的光纖激光器，聚焦光斑直徑為70-200µm，加工掃描速度最大可達5m/s，成形零件尺寸最

80、大可達到300mm×300mm×300mm，該設備能成形致密度近乎為100%的金屬零件，成形后的零件只需要進行簡單的后處理如噴砂或拋光就可直接投入使用。該設備的鋪粉系統(tǒng)采用刮板機構，可實現加工時單層厚度為20-100µm[11]，保證成形零件的精度可靠，可成形材料包括不銹鋼、鈦合金、鈷鉻鉬合金等金屬材料。</p><p>　　德國Concept Laser公司的SLM設備M3所采用的

81、激光器為半導體泵浦單模Nd:YAG激光器，功率為100-200W，其光學系統(tǒng)使用F-θ聚焦鏡與數控激光頭，零件可成形尺寸最大為300mm×350mm×300mm，加工時單層厚度可達到30µm，提高成形零件的精度，且表面精度好[12]。此外，德國SLM Solutions公司長期專注于SLM技術，其推出的SLM 3D金屬打印機最大成形空間達到500mm×280mm×325mm，可以同時裝備

82、兩個1000W激光器，利用高精度激光束可以完成包括鈦、鋼、鋁、金在內的金屬粉末的快速成形制造。英國Renishaw公司新推出的RenAM 500M設備配備了500W的激光器，可成形零件最大尺寸為250mm×250mm×350mm。日本的Matsuura公司的SLM設備采用500W的脈沖式CO2激光器，其波長為10.6µm，聚焦光斑大小為600µm[9]。日本的Osakada實驗室利用自制SLM實驗

83、平臺對鈦金屬粉末進行成形實驗，可以得到致密度為92%的金屬零件。</p><p>　　比利時魯汶大學也對SLM技術進行了較為深入的研究，并自制研發(fā)了SLM設備，該設備采用300W的Nd:YAG激光器，激光波長為1064nm。光學系統(tǒng)利用掃描振鏡，其掃描速度可達5m/s。工作臺運動精度高，單層鋪粉層厚最低可達到10µm。鋪粉系統(tǒng)采用輥筒式鋪粉。通過向成形室通入保護氣體或抽真空的方式來防止成形零件發(fā)生氧化

84、[13]。</p><p>　　在國內，由于SLM技術的自身優(yōu)勢逐漸被各行各業(yè)所重視，近年來部分高校和科研單位也都針該技術進行了研究以及SLM設備的研制，如華中科技大學、華南理工大學等。</p><p>　　華中科技大學從2003年開始進行SLM技術的研究，并在SLM系統(tǒng)制造技術上不斷取得突破和創(chuàng)新。目前，該中心先后推出了兩套SLM設備：HRPM-Ⅰ和HRPM-Ⅱ[14]。這兩套SLM設備

85、主機構成基本相同，均由YAG激光器、掃描振鏡、可升降工作臺及預熱裝置組成，性能參數見表1-1。針對國外SLM設備制造大尺寸零件仍有困難的現狀，從預熱裝置、激光掃描方式等方面進行了創(chuàng)新，成功解決了大尺寸SLM零件容易產生變形的問題。這兩套設備的主要區(qū)別為激光器與送粉裝置，HRPM-Ⅰ采用雙缸下送粉方式，設備大，送粉時間長，影響成形效率。HRPM-Ⅱ采用上送粉方式，可提高成形效率[15]。</p><p>　　表 1

86、-1 華中科技大學HRPM系統(tǒng)主要參數</p><p>　　華南理工大學自制開發(fā)出一套商業(yè)化設備DiMetal-100，采用具有小焦距光斑（20-60µm）、輸出功率為200W的半導體泵浦Nd:YAG激光器，選用德國Scan Lab公司的振鏡系統(tǒng)，最高掃描速度可達7m/s，該設備可成形致密度近乎99%的金屬零件，表面粗糙度Ra在5-30µm之間，具有很高的尺寸精度[4]。</p>

87、<p>　　針對SLM設備的研制，可以表明：</p><p>　?。?）現階段國外研制的工業(yè)級的SLM設備相對較為成熟，但是造價較為昂貴，且配套使用的金屬粉末材料也價格不菲，高昂的成本無法滿足國內市場的普及與需求，制約著國內針對該技術的廣泛應用。</p><p>　?。?）國內自主設計研制的SLM設備造價相對國外設備較為低廉，但是設備性能還有所不足，所成形的零件并不能夠完全保

88、證質量，這就抑制了國內制造企業(yè)的市場競爭力，提高了國內制造SLM成形件的費用。</p><p>　　因此，在國內自主開發(fā)研制較為成熟的SLM設備，實現可快速高效成形高質量高性能的成形零件，對建立國家快速成形技術標準、提高國內針對SLM技術的市場競爭力、降低現有成形件成本具有重要的意義。</p><p>　　SLM技術工藝研究現狀</p><p>　　現階段，針對激光

89、選區(qū)熔化技術的研究主要是探究成形工藝參數對SLM成形過程的影響規(guī)律，以及對成形零件質量、性能與精度的評估。所研究的成形工藝參數主要包括：激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉層厚與掃描方式等。金屬粉末的直接成形是一個快速熔化后冷卻凝固的過程，工藝參數的不同組合會對金屬粉末熔化凝固的過程產生不同的影響，進而影響并改變最終成形零件的質量和性能。</p><p>　　Tang等人[16]研究了激光功率、掃描線間距、掃描速度

90、、鋪粉層厚等工藝參數對金屬成形零件質量的影響規(guī)律。研究發(fā)現，隨著激光功率的增加，成形零件的抗拉強度增大，但是零件尺寸精度和表面粗糙度卻逐漸變差；隨著掃描速度的增加，成形零件的抗拉強度逐漸減小，但是零件尺寸精度和表面粗糙度卻有所改善。在激光功率與掃描速度固定不變的情況下，隨著掃描間距的不斷增大，成形零件的抗拉強度減小，表面粗糙度變差，但是零件的尺寸精度逐漸變好；隨著鋪粉層厚的不斷增大，成形零件的抗拉強度減小，表面粗糙度變差，但是對零件的尺

91、寸精度影響并不明顯。Averyanova M.等人[17]對單道與單層成形過程進行分析，進而優(yōu)化了SLM成形工藝，較為詳細的研究了工藝參數對成形質量的影響，并得出較好的表面質量所對應的工藝參數。王黎[18]研究了SLM工藝參數對單道及單層成形表面粗糙度的影響。華中科技大學的彭昌吻[19]采用正交試驗研究了SLM成形過程中，工藝參數對成形零件表面粗糙度的影響，成形零件致密度達到96.8%以上。華南理工大學的王迪[20]等人研究了不同的激光

92、能量輸入條件下成形件表面狀態(tài)，并將其分為條蟲狀、過熔狀、粒秋狀、</p><p>　　Kruth等人[13]對金屬粉末在成形過程中的受熱變形和球化現象進行了分析，研究表明，采用合適的掃描方式可以改善受熱變形和球化現象，并使用優(yōu)化的工藝參數對混合粉末進行成形，經過工藝研究，得到成形金屬零件的致密度可達91%，抗彎強度可達630MPa。Singh等人[22]對成形過程中工藝參數對收縮率造成的影響做了研究，分析認為掃描

93、間距是減小收縮最重要的影響因素。Spierings A.B.等人[23]研究發(fā)現不同金屬粉末粒徑對成形零件的致密度、表面粗糙度及力學性能均有所影響，其中粒徑較細的金屬粉末成形出的零件表面質量高、力學性能好。Yasa等人[24-27]研究了表面重熔對成形零件表面粗糙度的影響，并提出表面重熔具有提高成形零件致密度和改善表面質量的作用，并用此方法制作出了表面質量好的成形零件。表面重熔的原理即為鋪上一層粉末后，利用激光熱源對粉末進行兩次掃描熔化

94、，可以極大減少成形零件內部孔隙，提高致密度及力學性能。但是由于每一層都進行兩次掃描，勢必增加成形時間，從而了降低成形效率。因此，對于只需要提高表面質量的成形零件，可以在成形零件的最后幾層甚至最上表面進行表面重熔處理。</p><p>　　Abe等人[28]研究了激光功率、掃描速度對成形零件性能的影響，并成形出致密度達92%以上的實體零件；Santos等人[29]進一步研究工藝參數對成形零件的微觀結構、疲勞強度和硬

95、度等性能的影響，顯微硬度高于鍛造件，通過調整掃描間距和鋪粉層厚，成形零件的致密度可達98%以上。Song B.等人[30]分析了不同工藝參數對成形零件的微觀硬度、致密度和表面粗糙度的影響，并成形出致密度為98%的FeAl合金零件。Sun等人[31]研究了激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描方式對致密度的影響，并成形出致密度高于95%的鈦合金零件。</p><p>　　以上研究，可以發(fā)現：</p>&l

96、t;p>　?。?）工藝參數如激光功率、掃描速度、掃描方式、掃描間距及鋪粉層厚對成形零件表面形貌、精度、致密度性能等均有所影響，但是在不同實驗平臺上利用不同金屬材料成形所得出的結論并非完全一致，即針對不同SLM設備、不同金屬材料，需要進行完整的基礎工藝試驗，探究出針對該設備、特定材料所適應的成形工藝規(guī)律。</p><p>　　（2）雖然針對成形零件致密度、力學性能的研究較多，但是并非所有成形零件均能達到完全致

97、密，在實際應用中，達到力學性能要求即可，但是相對應所需要的致密度是多少并沒有完全確定。</p><p>　?。?）熱應力集中造成的翹曲現象、精度偏低等問題仍然是金屬增材制造技術發(fā)展的一個難題。</p><p><b>　　研究內容及技術路線</b></p><p><b>　　研究內容</b></p><

98、;p>　　本文的研究內容主要包括以下四個方面：</p><p>　　1）激光選區(qū)熔化成形設備的構建及改進</p><p>　　自主設計研發(fā)一套成形設備—激光選區(qū)熔化(SLM)系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。SLM硬件系統(tǒng)需要包含光路系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，為工藝實驗提供硬件支撐；SLM軟件系統(tǒng)主要由數據處理系統(tǒng)和工藝控制系統(tǒng)，對SLM軟件系統(tǒng)中的工藝控制系統(tǒng)進行開發(fā)

99、優(yōu)化，使其能夠滿足不同工藝實驗要求。結合工藝實驗不斷對成形設備進行優(yōu)化改進，達到改善零件成形質量和提高成形效率的目的。</p><p>　　2）激光選區(qū)熔化成形工藝研究</p><p>　　分析研究激光選區(qū)熔化成形基礎工藝實驗，包含單道單層、多道單層及多道多層的成形工藝。研究單道單層成形工藝實驗中激光功率、掃描速度對單道表面形貌及單道掃描線寬、線高的影響規(guī)律；針對多道單層成形工藝，建立搭接

100、率模型，探究針對不同工藝實驗所廣泛適合的搭接率值，并通過實際工藝實驗進行驗證，以期為后續(xù)多層成形實驗提供指導；研究鋪粉層厚對成形質量的影響規(guī)律；針對實體零件成形時的翹曲現象，提出新的解決方案。</p><p>　　3）激光選區(qū)熔化致密度及力學性能研究</p><p>　　針對成形零件致密度及力學性能進行實驗分析，研究激光功率、掃描速度、掃描間距等工藝參數對致密度的影響規(guī)律，并對其原因進行具

101、體分析；探索工藝參數對致密度影響重要程度的次序；結合工藝實驗，將致密度提高至99%以上；探索體能量密度、顯微硬度與致密度的關系；分析拉伸性能與致密度的關系。</p><p>　　4）激光選區(qū)熔化精度研究</p><p>　　研究激光選區(qū)熔化成形零件的精度，分析鋪粉層厚、掃描速度、掃描間距、激光功率等工藝參數對金屬粉末材料成形過程中產生的長、寬、高三方向尺寸變化而引起的尺寸精度的影響，利用極

102、差分析法分析四個不同影響因素對收縮率的影響顯著水平，并給出四個影響因素較優(yōu)水平的組合，為后期的實驗研究做鋪墊。</p><p><b>　　技術路線</b></p><p>　　本文所采用的技術路線如圖1-4所示：</p><p>　　圖 1-4 技術路線圖</p><p>　　激光選區(qū)熔化成形設備的構建及改進<

103、/p><p><b>　　引言</b></p><p>　　激光選區(qū)熔化技術應用發(fā)展的基礎是擁有高精度和可靠性的成形設備，目前國外的少數生產商所開發(fā)的設備較為成熟，但造價昂貴，國內設備尚在研發(fā)階段，精度和可靠性均有所不足，嚴重制約著國內該技術的發(fā)展。而且在保證成形質量、精度、性能的同時，如何提高效率是現在普遍關注的重點問題。</p><p>　　因

104、此，本課題自主設計研發(fā)一套激光選區(qū)熔化(SLM)設備——HMF250金屬成型機，通過結合理想鋪粉速度下的柔性鋪粉方式以及密封的成形環(huán)境，可以高效穩(wěn)定的進行成形零件的制作。該設備由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成：硬件系統(tǒng)是進行工藝實驗以及開展相應研究的基礎，軟件系統(tǒng)協調控制相應的硬件系統(tǒng)按照預訂軌跡運動，直接決定著成形零件的質量、精度、性能及成形效率。本章首先對成形設備的組成進行系統(tǒng)的構建，其次結合工藝實驗，對成形設備進行改進設計，并進行驗證分析

105、。 </p><p><b>　　硬件系統(tǒng)</b></p><p>　　本文自主設計制造了激光選區(qū)熔化成形設備——HMF250金屬成形機，整個設備的總體結構設計如圖2-1所示。</p><p>　　圖 2-1 激光選區(qū)熔化成形系統(tǒng)總體結構設計圖</p><p>　　該設備主要應用于醫(yī)療領域，同時也在航空航天、汽車等領域

106、開展研究。人工假體制造，要求成形零件精度達標，成形零件力學性能符合臨床使用標準，該設備針對市場上現有的激光選區(qū)熔化成形設備的不足進行改進，使設備更加貼近市場需求。</p><p>　　SLM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由光路系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成，通過這些系統(tǒng)的相互配合，完成零件制作的過程。</p><p><b>　　光路系統(tǒng)</b></p>

107、;<p>　　光路系統(tǒng)的主要構成單元有激光器、擴束準直單元、振鏡單元和聚焦單元。激光從激光器中發(fā)射出來，經過擴束鏡擴束達到振鏡入口要求，后經聚焦單元匯聚到工作平臺上。在工件加工成形的過程當中，激光需要以穩(wěn)定的輸出功率和掃描速度選區(qū)熔化成形平臺中鋪設好的待成形金屬粉末[32]，并要求激光熔化的垂直區(qū)域略微大于單一鋪粉層厚，以實現上下兩層較好的熔于一體。因此需要保證激光光束具有較高的能量密度[33]。激光功率大小和激光光斑直徑

108、是影響能量密度的兩個重要因素，功率偏大、光斑直徑偏小，均可實現高能量密度。然而功率過大會導致激光的熱影響區(qū)域過大，從而影響零件成形質量。因此減小激光光斑，在可行范圍內盡量使用較低的激光功率，才能保證成形件的加工質量。本課題選用的400W的IPG光纖激光器，如圖2-2。</p><p>　　圖 2-2 IPG光纖激光器</p><p>　　激光主要作用是為成形設備提供熔化金屬的能量源，為了

109、提高激光能量密度和成形精度，通過聚焦手段把激光器發(fā)出的激光聚焦成直徑很小的光斑。并且為了能很好地控制激光按預定軌跡掃描，該成形機采用振鏡來控制激光束的運動，其運動速度可達3000mm/s，聚焦控制激光采用F-Theta鏡聚焦，原理如圖2-3所示。由于激光器發(fā)出的激光經準直后光斑直徑為5mm，不符合振鏡20mm入口光斑要求，因此在振鏡前方配置4倍擴束鏡，經過F-Theta鏡聚焦，聚焦后的激光束光斑直徑跟F-Theta鏡焦距成正比，以此來調

110、節(jié)激光光斑的大小。</p><p>　　圖 2-3 F-Theta鏡聚焦示意圖</p><p><b>　　鋪粉系統(tǒng)</b></p><p>　　鋪粉式激光成形的送粉方式主要有上送粉和下送粉兩種，如圖2-4所示。該設備主要針對鈦合金等金屬粉末成形，其對成形室的氧含量、氮含量要求較高，因此采用結構簡單、密封效果較好的下送粉結構。</p&g