激光選區(qū)熔化3D打印技術目錄TOC\h\h第1章緒論\h1.1金屬零件3D打印技術\h1.2激光選區(qū)熔化3D打印技術及其基本原理\h1.3基本工藝流程及影響因素\h1.4激光選區(qū)熔化3D打印技術最新進展\h第2章激光選區(qū)熔化成形熔池熱物理過程\h2.1激光與材料作用的物理基礎\h2.2SLM成形中的傳熱、傳質(zhì)及對流\h2.3微熔池熔化與凝固\h2.4單熔道成形及參數(shù)\h第3章激光選區(qū)熔化設備及其關鍵技術\h3.1設備組成\h3.2激光光路系統(tǒng)光學原理\h3.3伺服電動機及密封成形室\h3.4鋪粉裝置\h3.5氣體循環(huán)系統(tǒng)\h3.6控制系統(tǒng)\h3.7實時監(jiān)控反饋\h3.8商品化激光選區(qū)熔化設備\h第4章激光選區(qū)熔化成形工藝\h4.1激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)及其影響\h4.2SLM成形件主要性能指標\h4.3激光選區(qū)熔化成形不穩(wěn)定因素\h4.4SLM成形件常見缺陷及其成因\h第5章激光選區(qū)熔化成形材料\h5.1商品化金屬粉末材料\h5.2研究中的金屬粉末材料\h第6章面向激光選區(qū)熔化3D打印技術的設計約束及方法\h6.1激光選區(qū)熔化3D打印技術涉及的設計約束\h6.2面向激光選區(qū)熔化3D打印技術的設計方法\h6.3基于拓撲優(yōu)化方法的結構創(chuàng)新設計\h6.4基于有限元分析方法的結構創(chuàng)新設計\h6.5數(shù)學函數(shù)方法\h第7章激光選區(qū)熔化數(shù)據(jù)處理\h7.1數(shù)據(jù)處理流程\h7.2STL數(shù)據(jù)處理\h7.3金屬零件支撐添加\h7.4路徑規(guī)劃\h7.5激光選區(qū)熔化成形路徑規(guī)劃方法\h第8章激光選區(qū)熔化3D打印技術與傳統(tǒng)制造技術的結合\h8.1后處理\h8.2非金屬零件的復合加工\h8.3質(zhì)量檢驗和表征\h第9章基于SLM的定制化醫(yī)療器具設計、制造及應用\h9.1生物醫(yī)療器具需求分析及關鍵技術\h9.2商業(yè)化應用案例\h第10章復雜功能零件的設計、制造及應用\h10.1復雜功能零件需求分析及關鍵技術\h10.2大型設備開發(fā)\h10.3實時監(jiān)測及反饋\h10.4在工業(yè)領域產(chǎn)業(yè)化應用案例\h10.5復雜功能零件潛在的研究課題\h第11章激光選區(qū)熔化3D打印技術的前沿與發(fā)展\h11.1大范圍復雜金屬構件成形\h11.2激光選區(qū)熔化微成形\h11.3金屬零件的復合加工\h11.4多材料零件制造\h11.5材料組織性能定制化的零件制造\h11.6網(wǎng)絡化制造第1章緒論1.1金屬零件3D打印技術3D打?。╰hreedimensionalprinting）技術是一種快速成形技術，曾在20世紀80年代被提出[1]，但當時由于成本過高、技術不先進等原因，并沒有得到有效的推廣和普及。隨著科學技術日新月異的發(fā)展，金屬零件3D打印技術逐漸成為制造業(yè)不可或缺的一部分。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，3D打印正在快速改變著傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式。美國、德國等發(fā)達國家高度重視3D打印技術并予以積極推廣。不少專家認為，以具備數(shù)字化、網(wǎng)絡化、個性化、定制化等特點的3D打印技術為代表的新制造技術將推動第四次工業(yè)革命，英國《經(jīng)濟學人》雜志稱3D打印技術為“第四次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具”。3D打印主要流程如圖1—1所示。3D打印技術的源頭可以追溯到快速成形（rapidprototyping）技術，從三維計算機輔助設計發(fā)展開始，人們就希望方便地將設計直接轉(zhuǎn)化為實物。而3D打印技術，就是在計算機中將三維CAD模型分成若干層，通過3D打印設備在一個平面上按照三維CAD層圖形，將塑料、金屬甚至生物組織活性細胞等材料燒結或者黏合在一起，然后再一層一層地疊加起來。通過每一層不同圖形的累積，最后形成一個三維物體[2]。圖1—13D打印主要流程3D打印技術是增材制造的主要實現(xiàn)形式，增材制造與傳統(tǒng)的“去除型”制造方式有所區(qū)別，它不需要原坯與模具，直接根據(jù)計算機的圖形數(shù)據(jù)，利用材料的增減和網(wǎng)絡化的技術來改變材料的形狀，簡化制造的流程，縮短制造的時間，節(jié)約制造的材料，減少資金費用，降低風險。金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應用需求的不斷增多，3D打印直接制造金屬功能零件成為3D打印技術主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的3D打印方法主要有：激光選區(qū)熔化（selectivelasermelting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（electronbeamselectivemelting，EBSM）、激光近凈成形（laserengineerednetshaping，LENS）等。激光近凈成形是一種由美國Sandia國家實驗室首先提出的快速成形技術[3]，它的特點是能夠直接制造形狀結構復雜的金屬功能零件或模具，易于加工熔點高、難加工的材料，并且能夠?qū)崿F(xiàn)異質(zhì)材料零件的制造。激光近凈成形主要的構成系統(tǒng)包括三部分，即送粉器、送粉頭和保護氣路[4]。LENS系統(tǒng)同軸送粉器結構如圖1—2所示，送粉器包括粉末料箱和粉末定量送給機構，粉末的流量由步進電動機的轉(zhuǎn)速決定。為增加金屬粉末在自重作用下的流動性，將送粉器架設在2.5m的高度上。從送粉器流出的金屬粉末經(jīng)粉末定量送給機構平均分成4份并通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點所在位置，完成熔化堆積過程，全部的粉末路徑由保護氣體推動，保護氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而避免金屬粉末氧化。圖1—2LENS系統(tǒng)同軸送粉器結構示意圖電子束選區(qū)熔化[5]是金屬零件3D打印技術中與激光近凈成形制造技術最為相似的零件制造手段，其加工的熱源是高能電子束，通過操作偏轉(zhuǎn)線圈進行掃描。在真空環(huán)境下以電子束為熱源，以金屬粉末為成形材料，通過不斷在粉床上鋪展金屬粉末然后用電子束掃描熔化，使一個個小的熔池相互熔合并凝固，這樣不斷進行形成一個完整的金屬零件實體[6]。電子束選區(qū)熔化工藝主要包括送粉、鋪粉、熔化等工藝步驟[7]，在真空室中應該備有鋪送粉機構、粉末回收箱和成形平臺，應該具備電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括掃描控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和溫度檢測系統(tǒng)，如圖1—3所示。圖1—3電子束選區(qū)熔化系統(tǒng)示意圖激光選區(qū)熔化3D打印是使金屬粉末完全熔化，直接成形金屬零件。在高功率密度激光器激光束開始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然后激光束按當前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層的輪廓，接下來可升降系統(tǒng)下降一個粉層厚度的距離，滾動鋪粉輥再在已加工好的當前層上鋪金屬粉末，設備調(diào)入下一圖層進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。1.2激光選區(qū)熔化3D打印技術及其基本原理激光選區(qū)熔化是金屬3D打印領域的重要工藝，其發(fā)展經(jīng)歷了低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點粉末燒結、高熔點粉末直接熔化成形等階段。激光選區(qū)熔化3D打印技術是利用高能量的激光束，按照預定的掃描路徑，掃描預先鋪覆好的金屬粉末，將其完全熔化，再經(jīng)冷卻、凝固后成形的一種技術［8］。激光選區(qū)熔化3D打印技術具有以下幾個特點：（1）成形原料一般為單一組分金屬粉末，主要包括不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鈷鉻合金、高強鋁合金以及貴重金屬等;（2）采用細微聚焦光斑的激光束成形金屬零件，成形的零件精度較高，表面經(jīng)打磨、噴砂等簡單后處理即可達到使用精度要求;（3）成形件的力學性能良好，一般拉伸性能可超過鑄件水平，達到鍛件水平;（4）進給速度較慢，導致成形效率較低，零件尺寸會受到鋪粉工作箱的限制，不適合制造大型的整體零件。激光選區(qū)熔化3D打印技術的基本原理[9]是：先在計算機上利用Pro/E、UG、CATIA等三維造型軟件設計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設備按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件[10]。圖1—4所示為其成形原理圖。激光束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成形缸的基板上，激光束再按當前層的填充掃描線，選區(qū)熔化基板上的粉末，加工出當前層，然后成形缸下降一個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當前層上鋪好金屬粉末，設備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應[11]。圖1—4激光選區(qū)熔化成形原理圖作為金屬零件3D打印技術的重要組成部分，激光選區(qū)熔化成形可以進行金屬零件直接制造，不需要后處理。激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結合、高精度的近乎致密的金屬零件。因此，激光選區(qū)熔化成形是極具發(fā)展前景的金屬零件3D打印技術，其應用范圍已經(jīng)擴展到航空航天、微電子、醫(yī)療、珠寶首飾等行業(yè)。1.3基本工藝流程及影響因素1.3.1基本工藝流程激光選區(qū)熔化成形的基本工藝流程如圖1—5所示。首先利用CAD設計軟件在計算機中生成零件的三維CAD實體模型，然后根據(jù)工藝要求將模型按一定的厚度切片分層，即將零件的三維形狀信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，再對二維輪廓信息進行數(shù)據(jù)處理，加入加工參數(shù)，生成數(shù)控代碼輸入成形機，最后在計算機的控制下，激光選區(qū)熔化設備按照層面順序連續(xù)地以平面加工方式加工各個層面，通過逐層堆積形成三維實體零件。圖1—5激光選區(qū)熔化基本工藝流程圖激光選區(qū)熔化成形工藝過程主要包括：前期數(shù)據(jù)處理、激光選區(qū)熔化成形加工、后處理。1.前期數(shù)據(jù)處理1）三維模型設計要想采用激光選區(qū)熔化方法加工出實體零件，首先要將產(chǎn)品數(shù)字化。目前主要有兩種方法用來設計產(chǎn)品的三維模型：一是正向設計；二是逆向設計。正向設計也稱概念設計，即根據(jù)產(chǎn)品的功能、尺寸等要求，采用CAD軟件對產(chǎn)品進行三維建模。逆向設計也稱反求工程，即先對已有的產(chǎn)品進行三維掃描（比如利用三坐標測量儀、激光掃描儀掃描，以及CT掃描、MRI核共振成像等），然后將得到的掃描數(shù)據(jù)導入逆向工程軟件中進行處理，從而獲得三維模型。對于一些形狀比較復雜、尺寸難以測量且已有相應實體存在的產(chǎn)品，一般采用反求的方式來獲取三維模型。2）模型近似處理產(chǎn)品的三維模型建立好之后，需要對模型進行近似處理，即采用一系列的三角面片來逼近模型，三角面片由垂直于該三角面片的法向量以及三個頂點坐標來確定。三角面片大小可調(diào)，一般而言，三角面片越小，近似處理的模型精度越高，但同時也會大大增加處理時間，因此要選取合適的三角面片，近似處理后，文件格式轉(zhuǎn)變成STL格式。3）添加支撐在激光選區(qū)熔化成形過程中，金屬粉末熔化成液體再凝固成固體時會產(chǎn)生收縮，嚴重時會出現(xiàn)球化現(xiàn)象甚至翹曲變形，添加支撐是為了將零件固定住，防止其翹曲；同時，為了易于將零件從基板上取下來，一般在零件的最底端添加支撐。支撐的類型有點支撐、線支撐、網(wǎng)格支撐、輪廓支撐等。將近似處理后的三維模型的STL文件導入Magics軟件中，然后根據(jù)零件的形狀添加合適的支撐，添加的支撐要易于去除。4）分層處理由于激光選區(qū)熔化是逐層累疊出實體零件，因此在前期數(shù)據(jù)處理時，需要對模型進行分層處理，以獲得每一層的截面信息，具體分層厚度應綜合考慮成形精度和效率，減小分層厚度，能提高精度，但會降低效率。分層處理在Magics軟件中進行，分層厚度一般在0.02～0.04mm之間，分層處理后零件的文件格式轉(zhuǎn)化為CLI格式。5）路徑規(guī)劃對零件模型進行分層處理后，還需要對每一層輪廓進行掃描路徑規(guī)劃。在本書中，路徑規(guī)劃軟件由筆者所在實驗室自主開發(fā)，其提供的主要的掃描方式有“Z”形掃描、“S”形掃描、輪廓偏移掃描、正交掃描、層間錯開掃描等。應根據(jù)零件的性能和要求選取合適的掃描方式，設置合適的掃描間距。路徑規(guī)劃后零件的文件格式轉(zhuǎn)化為XDY格式。2.激光選區(qū)熔化成形加工將進行數(shù)據(jù)處理后的文件導入激光選區(qū)熔化設備中，設置好加工參數(shù)，通過人機交互軟件即可控制激光選區(qū)熔化設備加工出所設計的實體零件。在正式加工前，首先需要安裝好基板，調(diào)節(jié)好高度，關閉成形室后抽真空，然后通入保護氣體直至成形室內(nèi)氧含量（體積分數(shù)，后同）降至0.2%以下，打開氣體循環(huán)系統(tǒng)、激光器和掃描振鏡開關，即可開始加工。3.后處理由于激光選區(qū)熔化是在基板上成形出實體零件的，且在前期數(shù)據(jù)處理時添加了支撐，因此零件成形后需要將其從基板上取下來，并采用小刀、鉗子等工具將支撐去除。而且采用激光選區(qū)熔化3D打印技術加工出的零件可能在精度、表面粗糙度、力學性能等方面還達不到使用要求，需要對零件進行后續(xù)機械精加工、打磨、拋光、表面涂覆、熱處理等[12]，以提高零件的使用性能。1.3.2工藝影響因素激光選區(qū)熔化工藝有多達50多個影響因素，對成形效果具有重要影響的包括六大類：材料屬性、激光與光路系統(tǒng)、掃描特征、成形氛圍、成形幾何特征和設備因素。目前，國內(nèi)外研究人員主要針對以上幾大類影響因素進行工藝研究、應用研究，目的都是解決成形過程中出現(xiàn)的缺陷，提高成形零件的質(zhì)量。在工藝研究方面，激光選區(qū)熔化成形過程中的重要工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距和掃描策略等，通過組合不同的工藝參數(shù)，使成形質(zhì)量最優(yōu)。激光選區(qū)熔化成形件的主要缺陷有球化、翹曲變形。成形過程中上下兩層金屬粉末熔化不充分，由于表面張力的作用，熔化的液滴會迅速卷成球形，從而導致球化現(xiàn)象。為了避免球化，應該適當?shù)卦龃筝斎肽芰?。翹曲變形是指激光選區(qū)熔化成形過程中存在的熱應力超過材料的強度，而使材料發(fā)生塑性變形的一種現(xiàn)象。由于殘余應力的測量比較困難，目前對激光選區(qū)熔化工藝的翹曲變形的研究主要是采用有限元方法進行，然后通過實驗驗證模擬結果的可靠性。1.4激光選區(qū)熔化3D打印技術最新進展1.4.1激光選區(qū)熔化設備發(fā)展情況在國外，隨著“第四次工業(yè)革命”潮流的興起[13]，激光選區(qū)熔化3D打印技術成為研究的熱點。德國、法國、日本等國家在這方面的研究起步較早，技術較成熟。目前國外激光選區(qū)熔化設備生產(chǎn)商扎堆在德國。其中第一臺激光選區(qū)熔化設備由德國F&S公司與德國弗勞恩霍夫研究所（FraunhoferInstitute）合作研發(fā)，主要采用不銹鋼粉末材料[14]。2004年，F(xiàn)&S公司與英國MCP公司一起發(fā)布了第一臺商業(yè)化激光選區(qū)熔化設備MCPRealizer250，后來該設備升級為SLMRealizer250，2005年高精度SLMRealizer100又研發(fā)成功。自從MCP公司發(fā)布了SLMRealizer設備后，其他設備制造商（德國EOS公司和ConceptLaser公司）也以不同名稱發(fā)布了他們的設備，如直接金屬燒結（DMLS）設備和激光熔融（LC）設備[15]（激光選區(qū)熔化為直接金屬燒結、激光熔融等工藝的泛稱）。ConceptLaser公司2001年后發(fā)布了M3Linear以及M1Cusing，2010年用于加工活性鋁合金、鈦合金材料的M2Cusing系統(tǒng)面世。2003，EOS公司發(fā)布了EOSM270，它也是目前金屬成形領域最常見的裝機機型；2011年后EOS公司又陸續(xù)推出EOSM280、EOSM290（見圖1—6）。2008年，美國3DSystems公司與MTT公司開始在北美合作銷售激光選區(qū)熔化設備。在2008年9月，MTT公司發(fā)布了他們的新版設備SLM250和SLM125。2010年MTT公司部分被英國Renishaw收購，推出了AM250、AM125兩款改良機器[16]。同時法國Phenix（F）公司也以LaserSintering工藝推出PXL、PXM、PXS三款設備，目前該公司已經(jīng)被3DSystems公司收購。日本松浦機械制作所于2010年推出了金屬光造型復合加工機LUMEXAvance—25，如圖1—7所示，該機整合了激光選區(qū)熔化工藝與銑削加工工藝[17]。圖1—6EOSM290圖1—7LUMEXAvance—25在我國，華南理工大學增材制造實驗室自2002年開始從事激光選區(qū)熔化3D打印技術研究，并于2017年成立了廣州雷佳增材科技有限公司（簡稱廣州雷佳增材），專門致力于商業(yè)化激光選區(qū)熔化設備的研發(fā)。2004年該實驗室團隊在國內(nèi)激光選區(qū)燒結快速成形機基礎上研發(fā)了國內(nèi)第一臺激光選區(qū)熔化成形機DiMetal—240，隨后開發(fā)出DiMetal—100（見圖1—8）、DiMetal—280等成形機，并將研發(fā)的激光選區(qū)熔化設備系列化，目前已經(jīng)向市場提供DiMetal—50、DiMetal—100、DiMetal—300和DiMetal—500等機型。其研發(fā)的DiMetal系列設備采用1070~1090nm波長的連續(xù)式光纖激光器，聚焦的光斑直徑為20~100nm，光束質(zhì)量好，性能可靠，轉(zhuǎn)換效率高，最高掃描速度能夠達到7m/s，分層厚度為0.02~0.1mm，采用自主研發(fā)的控制軟件和路徑規(guī)劃軟件系統(tǒng)，加工過程中，使用氬氣作為保護氣體，控制成形室中氧含量在0.1%以下。圖1—8華南理工大學研發(fā)的DiMetal—1001.4.2激光選區(qū)熔化工藝研究激光選區(qū)熔化工藝的研究是影響激光選區(qū)熔化3D打印技術發(fā)展的最關鍵的因素之一。目前在激光選區(qū)熔化材料工藝方面的研究方向主要包括材料成分的復合、激光與材料的作用機理、微觀組織的演變（相變）、材料快速熔化快速凝固過程、熔池的流動和材料間的化學反應等。目前已經(jīng)比較成熟的商品化金屬材料有不銹鋼、馬氏體鋼、工具鋼、鈷鉻合金、鈦基合金、鋁合金、高溫鎳基合金等，而應用最多的是不銹鋼、鎳合金[18]、鈦合金[19]、鈷鉻合金[20]和貴重金屬［21］等，這些材料通過激光選區(qū)熔化成形，獲得的成形件致密度近乎100%，力學性能可以達到鑄件、鍛件水平。目前國外如EOS等公司已開始對激光選區(qū)熔化專用材料進行研發(fā)，同時開發(fā)一些科研型材料，如功能梯度材料等。Kruth等[22]進行了混合粉末(鐵、鎳)的成形工藝研究，對激光與粉末的逐層堆積制造凝固現(xiàn)象進行了探討，同時還采用優(yōu)化參數(shù)成形了金屬零件，其致密度最大可達91%，最大抗彎強度為630MPa，直接成形不經(jīng)過任何后續(xù)處理的成形件表面粗糙度達Ra10~30μm。Thijs等[23]針對Ti6Al4V材料成形，研究了成形掃描策略和掃描工藝參數(shù)對成形零件顯微組織的影響，最終將零件致密度優(yōu)化到996%。Rombouts等[24]研究了單質(zhì)化學元素，如氧、碳、硅、鈦和銅對鐵基材料成形質(zhì)量的影響。這些化學元素影響了一些物理現(xiàn)象，比如激光吸收、熱傳導、熔化的液態(tài)金屬潤濕和散布、氧化、對流等。Osakada等[25]用激光選區(qū)熔化3D打印技術制造了鎳合金、鐵合金和純鈦金屬零件，采用有限元模型作為分析工具，模擬了單層粉末熔化過程中應力分布情況，對鎳合金模具、純鈦骨和牙冠成形，采用后處理改善性能。Carte等[26]探究了激光選區(qū)熔化成形中掃描策略對耐高溫鎳合金材料的微粒結構和熔道形態(tài)的影響。Buchbinder等[27]針對激光選區(qū)熔化成形效率低的問題，研究了如何提高鋁合金AlSi10Mg成形效率，發(fā)現(xiàn)用1kW激光器掃描時，成形件致密度可以達到99.5%，成形效率由原來的5mm3/s提高到了大約21mm3/s,同時硬度達145HV，抗拉強度大約為400MPa，可以為輕量化結構提供足夠的強度。Bertrand等[28]研究了激光選區(qū)熔化成形純氧化釔、氧化鋯陶瓷，分析了陶瓷粉末材料的物性以及成形工藝參數(shù)與掃描策略對成形質(zhì)量的影響。此外研究人員針對多種材料的送粉方式、不同組分材料之間的結合特性進行了初步研究[29]，期望獲得可控梯度材料。如圖1—9、圖1—10所示，對于多種材料復合研究，關鍵是如何保證將多種組分材料粉末準確地預置到指定位置，目前通過激光選區(qū)熔化方法成形梯度材料的研究還停留在簡單的分層或者分區(qū)方法上，并不能夠獲得復雜或任意梯度分布復合材料零件。圖1—9X方向上多組分材料送粉裝置圖1—10多組分材料成形效果國內(nèi)華南理工大學[30]、南京航空航天大學[31]、華中科技大學[32]等前期在材料工藝方面進行了研究。華南理工大學對鐵合金、銅合金、鎳合金以及鈦合金等材料成形致密度和力學性能進行了拓展研究，目前典型材料包括316L不銹鋼[33]、Co212—C、Ti6Al4V[34]、銅合金粉末。在工藝上，通過工藝參數(shù)調(diào)控以及閉環(huán)反饋等提高成形質(zhì)量[35]等，同時針對激光選區(qū)熔化成形中常出現(xiàn)的不完全熔化、球化、翹曲變形三種現(xiàn)象進行了成因分析并提出了改善方法。通過一系列的工藝實驗，進一步探討成形工藝，最終提出了適合激光選區(qū)熔化成形的工藝方案[36]：采用具有細微聚焦光斑的中低功率激光束，以合適的掃描策略、合適的掃描工藝參數(shù)熔化選區(qū)內(nèi)的金屬粉末，直接制造高致密度金屬功能件。此外，南京航空航天大學顧冬冬也對多組分銅合金粉末（Cu—Cu10Sn—Cu8.4P）的關鍵工藝和基礎理論以及亞微米WC—Co顆粒增強銅基塊體復合材料的成形工藝、冶金機制及基礎理論進行了研究[37]。第2章激光選區(qū)熔化成形熔池熱物理過程2.1激光與材料作用的物理基礎激光是原子系統(tǒng)在受激放大過程中產(chǎn)生的一種高強度的相干光。利用激光的高能光束對材料進行有選擇掃描，使材料吸收能量后溫度迅速升高，即可實現(xiàn)金屬粉末材料的激光加工。在利用激光對固體材料進行加工的過程中，激光是作為一個熱源被利用的，激光與材料的相互作用是一個復雜的微觀物理過程，它包含激光輻射場與物質(zhì)的原子及分子非連續(xù)的或量子化的能量交換[38]。其統(tǒng)計結果體現(xiàn)為激光的反射、吸收、折射，材料的溫度升高、熔化、汽化乃至等離子體激發(fā)等宏觀物理現(xiàn)象。激光對金屬粉末的熱作用，主要是激光與物質(zhì)相互作用下的宏觀熱效應，在宏觀尺度下，實際材料被視為具有某種熱物性的連續(xù)介質(zhì)，激光與物質(zhì)的熱作用被視為激光能量在介質(zhì)表面連續(xù)被吸收，然后通過介質(zhì)再擴散的過程。在微觀尺度下，按照近代物理的觀點，激光在材料表面與材料的微觀粒子的相互作用是一個全量子化的能量交換過程。在一定的熱作用的空間和時間范圍內(nèi)，激光束中的高能光子流將和材料微觀粒子進行能量的交換，這種能量交換的量子化已經(jīng)基本不能被察覺到。高能激光束作用于金屬粉末材料時，粉末吸收大量的激光能量，根據(jù)激光參數(shù)(能量密度、波長等)、材料特征和環(huán)境條件等，將會產(chǎn)生諸如溫度升高、熔化和汽化等不同的現(xiàn)象[39]。激光與粉末材料的能量轉(zhuǎn)換遵循能量守恒定律：E0=E反射+E吸收+E透射（2—1）式中：E0為入射到材料表面的激光能量；E反射為被表面粉末材料反射的激光能量；E吸收為被表面粉末材料吸收的激光能量；E透射為激光透過表面粉末材料后仍保留的能量。將公式（2—1）兩邊同除以E0，則式（2—1）可轉(zhuǎn)化為1=E反射/E0+E吸收/E0+E透射/E0=R+α+T(2—2)式中：R為反射系數(shù)；α為吸收系數(shù)；T為透射系數(shù)。激光作用于金屬粉末材料時，由于粉末顆粒表面粗糙和顆粒間存在空隙，粉末層對于入射光線可以看作一個灰體[40]。由于多次反射效應，光線在粉末中的透射深度大于在塊體中的值，粉末系統(tǒng)吸收的能量也大于塊體吸收的。激光作用于粉末材料時，材料的吸收系數(shù)情況可根據(jù)比利時Leuven大學T.P.Kruth和X.Wang等人提出的光線追蹤模型來考慮。如圖2—1所示，當激光束作用在粉末上時，根據(jù)激光束在粉末顆粒上的碰撞、反射和吸收的幾何模擬仿真可計算出粉末吸收的能量。計算結果表明：粉末吸收的能量高于塊體吸收的，且吸收能量最多處不是粉末的表面，而是距表面一定深度處[41]。圖2—1光線追蹤示意圖2.2SLM成形中的傳熱、傳質(zhì)及對流SLM成形金屬粉末材料時涉及諸多復雜的熱物理現(xiàn)象，包括激光與粉末材料相互作用時的熱輻射、材料與外界的熱對流、粉末顆粒之間的熱傳導、氣相和固相顆粒間的熱傳導等，使得SLM工藝的熱物理過程與其他激光加工工藝大不相同。圖2—2展示了SLM工藝的傳熱方式。激光照射在粉床表面，能量被粉末材料吸收，部分熱量傳導至粉床內(nèi)部，部分在表面由于輻射傳熱或?qū)α鲹Q熱而外逸至周圍環(huán)境。在粉末內(nèi)部，多種熱傳導機理決定了熱量的傳導過程：顆粒內(nèi)部的熱傳導→通過接觸點附近氣體層的熱傳導→氣體內(nèi)熱傳導→穿過固體顆粒間接觸面的熱傳導→固體表面的輻射→鄰近孔隙間的輻射傳熱。圖2—2SLM物理模型材料的熱導率決定了光斑作用區(qū)域內(nèi)的粉末在吸收激光輻射能量后，熱量向粉層內(nèi)部及周圍區(qū)域擴散速度的快慢，對溫度場分布有顯著的影響。對金屬粉末而言，由于其普遍具有密度大、熔點高及熱導率高的特性，故其成形溫度也特別高，且溫度變化較大、較快。由于氣體熱導率遠低于金屬熱導率，顆粒間的接觸熱導率在粉床的有效熱導率中占主導地位。此外，金屬粉末不像聚合物那樣會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，而是發(fā)生熔化—凝固現(xiàn)象。當金屬表面的自由電子吸收了光子的輻射能后，躍遷到較高能級，然后與其他離子發(fā)生碰撞，將能量進行傳遞和分配，從而將光能轉(zhuǎn)化為熱能。因為在金屬中，電子平均自由碰撞時間間隔一般為10～13s，在10～13s時間間隔內(nèi)，電子要進行1010次碰撞，這足以使能量的分配和熱能的傳遞達到平均程度，也就是說在這樣短的時間內(nèi)，光能能完全轉(zhuǎn)變成熱能。由于激光輻射能量只有部分被粉末顆粒吸收，另一部分被顆粒間大量存在的孔隙所吸收，而孔隙的吸收率接近于黑體，故粉末材料比相應的實體材料表現(xiàn)出了更高的吸收率[42]。金屬粉末的熱導率低，熱導率是溫度和密度的函數(shù)[43]：K=KS(T)ρ/ρS(2—3）式中：KS為在溫度T時相應實體材料的熱導率；ρ為粉末密度；ρS為相應實體材料密度。在金屬粉末激光成形實驗中，粉末的密度一般只有相應實體材料密度的20%～40%，從式（2—3）可看出，其熱導率只有相應實體材料的20%～40%，也就是說，粉末的熱傳導比固體金屬熱傳導的速度慢。實際上，金屬粉末的實測熱導率要比由上式計算出的值低，如實際測量銅粉的熱導率為0.24W/（m·K），而密實金屬銅的熱導率為399W/（m·K），后者約為前者的1663倍。由于粉末的熱導率低，熔化金屬粉末比熔化金屬塊體需要更多的熱量，且需要花費更長的時間。2.3微熔池熔化與凝固SLM成形所采用的激光束直徑通常為100μm左右，激光器調(diào)制脈沖輸出脈寬為100～150μs,因此，在激光熔化金屬粉末材料的過程中，激光與材料相互作用的區(qū)域非常小，形成的熔池尺寸在100～200μm之間,稱為微熔池。在單一組分金屬粉末的激光直接熔化成形過程中，激光在任一金屬粉末顆粒上的持續(xù)輻照時間很短，一般在0.5～2.5ms之間[44]，因此粉末顆粒的熔化和凝固是在瞬間完成的。在如此短暫的熱循環(huán)過程中，一般只能通過粉末顆粒的黏性流動或者以熔化的方式來形成快速黏結。對單組分金屬粉末來說，即使是在接近熔點的溫度下，粉末黏度依然很高，故很難表現(xiàn)出有效的黏性流動來使成形件致密化，故熔化凝固機制是唯一可行的機制[45]。粉末顆粒在激光照射下，溫度升高，粉末原子振動幅度加大、發(fā)生擴散，接觸面上有更多的原子進入原子作用力的范圍，顆粒間的連接強度增大，即連接面上原子間的引力增大，形成黏結面，并且隨著黏結面的擴大，原來的顆粒界面處形成熔化連接界面。單組分金屬粉末的激光熔化成形過程一般可分為三個階段：第一個階段，部分顆粒表面局部熔化，粉末顆粒表面微熔液相使顆粒之間具有相互的引力作用，使表面局部熔化的顆粒黏結相鄰的顆粒，此時產(chǎn)生微熔黏結的特征；第二個階段，金屬粉末顆粒吸收能量進一步增加，表面部分熔化量相應增多，熔化的金屬粉末達到一定量以后形成金屬熔池，隨著激光束的移動，在以體積力和表面力為主的作用力的驅(qū)動下，熔池內(nèi)的熔體呈現(xiàn)相對流動狀態(tài)，同時產(chǎn)生粉末飛濺；第三個階段，熔體在熔池中對流，不僅加快金屬熔體的傳熱，而且還將熔池周圍的粉末黏結起來，進入熔池的粉末在流動力偶的作用下很快進入熔池內(nèi)部。沿激光移動方向的截面內(nèi)，熔池前沿的金屬顆粒不斷熔化，后沿的液相金屬持續(xù)凝固，隨著激光束向前運動，在光束路徑內(nèi)逐步形成連續(xù)的凝固線條，實現(xiàn)成形。2.4單熔道成形及參數(shù)在SLM單熔道成形過程中，基體將熔池分為上、下兩部分。在熔化的基體下方，固體質(zhì)點對液體質(zhì)點的作用力大于液體質(zhì)點之間的作用力，潤濕角為銳角，熔池截面呈扇形；而在基體上方，由于粉末固體質(zhì)點對液體質(zhì)點的作用力小于液體質(zhì)點之間的作用力，潤濕角傾向為鈍角，熔池的形狀傾向為球狀。熔池在上述上下兩種力的作用下，其形狀發(fā)生了變化，其截面成為近似橢圓形。圖2—3所示為單熔道成形的截面示意圖。圖2—3單熔道成形的截面示意圖從圖2—3可以看出，基體上方的熔池屬于粉末熔化凝固區(qū)，而基體下方的熔池屬于前一道熔池的重熔部分。雖然這兩部分的截面都呈近似橢圓形，但其形成的原因卻截然不同?；w上方的近似橢圓形截面熔池主要是由激光熔化粉末形成液態(tài)熔池的表面張力造成的，而基體下方的近似橢圓形截面熔池主要是由激光能量的高斯分布造成的。單熔道成形實驗（實驗參數(shù)見表2—1）主要為了獲取SLM成形的參數(shù)范圍，通過單熔道成形實驗可以知道熔池的過熔、未完全熔化及合理的能量輸入范圍，獲取激光功率、掃描速度的優(yōu)化范圍。經(jīng)過單熔道成形實驗，可獲取四種典型的單熔道形態(tài)，如圖2—4所示，這四種熔道的形態(tài)與單位時間內(nèi)能量輸入Ψδ（J·cm-3）密切相關，Ψδ的值可通過下式獲得：Ψδ=2P/πdv(2—4）式中：P為激光功率；d為光斑直徑；v為掃描速度。(1)當Ψδ>2.6×105J·cm-3，尤其是掃描速度很低而激光功率很高時，如激光功率P=150W,而掃描速度v=50mm/s時，獲得第一種熔道形態(tài)，如圖2—4(a)所示。第一種熔道形態(tài)規(guī)則連續(xù)，熔道寬度最大，在熔道附近存在很大范圍的無粉區(qū)，而且無粉區(qū)的范圍與P/v的值密切相關。(2)當1.3×105J·cm-3<Ψδ≤2.6×105J·cm-3時，取激光功率P=100W,掃描速度v=200mm/s，獲得第二種熔道形態(tài)，如圖2—4(b)所示。第二種熔道形態(tài)仍然規(guī)則連續(xù)，但熔道的寬度明顯比第一種熔道寬度小，最主要的是在熔道周圍的粉末仍然在原來的位置。(3)當0.7×105J·cm-3<Ψδ≤1.3×105J·cm-3時，取激光功率P=100W,掃描速度v=280mm/s，獲得第三種熔道形態(tài)，如圖2—4(c)所示，跟第一、二種熔道相比，第三種熔道形態(tài)不規(guī)則也不連續(xù)。(4)當Ψδ≤0.7×105J·cm-3，特別是掃描速度很高，而激光功率比較低時，如激光功率P=50W,而掃描速度v=240mm/s時，獲得第四種熔道形態(tài)，如圖2—4(d)所示。第四種熔道形態(tài)更不規(guī)則也更不連續(xù)，甚至偶爾發(fā)生球化現(xiàn)象。圖2—4四種典型單熔道形態(tài)及對應截面（a）第一種熔道形態(tài);（b）第二種熔道形態(tài);（c）第三種熔道形態(tài);（d）第四種熔道形態(tài)從單熔道成形實驗可知：激光能量輸入高，容易獲得光滑、連續(xù)的單熔道。但高激光功率密度會使材料汽化，一方面會減少熔池內(nèi)的材料質(zhì)量，另一方面易吹走熔池周圍的粉末，在下一道熔池掃描時，將沒有足夠的粉末來保證熔池的豐滿。能量輸入大，熔池的寬度和深度都大，如第一種熔道形態(tài)的熔池寬度達到光斑直徑的2~3倍，熔池潤濕角為銳角；當激光能量輸入下降時，熔池不能夠達到汽化點，熔池連續(xù)且周圍的粉末不會汽化或被吹走，此種條件下成形的熔池寬度為光斑直徑的1~2倍，熔池潤濕角變大；隨著能量輸入繼續(xù)下降，只有光斑中心及附近的能量足以熔化金屬粉末，掃描速度高使得熔池冷卻速度更快，熔池形狀呈現(xiàn)偶爾的斷續(xù)狀，此時熔池寬度、熔池深度都小，潤濕角超過90°，熔池寬度為光斑直徑的50%~80%；當激光能量下降到不足以熔化更多粉末，即掃描速度太高時，熔道更加不連續(xù)，斷裂嚴重，對基體潤濕性差，甚至發(fā)生球化現(xiàn)象。圖2—4中也給出了四種單熔道的截面圖，可以看出四種熔道潤濕角分別為銳角、接近直角、鈍角以及接近180°。熔池的潤濕角越小，越有利于熔道間、層與層之間的搭接。所以，第一種與第二種熔道較適合于高致密度金屬零件成形。第3章激光選區(qū)熔化設備及其關鍵技術3.1設備組成激光選區(qū)熔化設備是集合了光學、電氣與機械技術的綜合性結構系統(tǒng)。圖3—1展示了激光選區(qū)熔化設備硬件的總體設計結構圖。整個設備結構部分主要由四大模塊組成：激光光路系統(tǒng)、振鏡掃描系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)以及氣體循環(huán)系統(tǒng)。從方案設計過程來看，激光光路系統(tǒng)、振鏡掃描系統(tǒng)與氣體循環(huán)系統(tǒng)需要與設備總體工作參數(shù)相吻合，只需要產(chǎn)品符合工作要求，而鋪粉系統(tǒng)則需要根據(jù)設計要求完成結構設計與參數(shù)設定，因此鋪粉系統(tǒng)設計是整體設備設計中最為主要的設計任務。圖3—1激光選區(qū)熔化設備硬件模塊圖除了以上幾大主要系統(tǒng)之外，激光選區(qū)熔化設備組成還包括放置所有儀器的機柜箱。機柜箱一般需要考慮防漏電、防漏水、防震動，以及固定方便等方面的功能。顯示窗口應該充分考慮美觀性與實用性。還有其他一些輔助設備，如照明設備、保證成形過程中不會出現(xiàn)意外的門鎖控制以及安全警報裝置等。激光光路系統(tǒng)的核心組成是激光器與擴束裝置。激光器是激光選區(qū)熔化設備中最為核心的組成部分。如果希望最終打印件的致密度較高，就必須要選用高功率激光器；要想得到很高的零件打印精度，就必須將掃描光斑的直徑控制在100μm以內(nèi)。傳統(tǒng)CO2激光器所產(chǎn)生的是波長為10.6μm的光束，但是金屬粉末對這類波長的光的吸收率很差，大約90%的能量會被表面反射。所以在激光選區(qū)熔化設備中一般不會選擇這類CO2激光器。近年來幾乎所有的激光選區(qū)熔化設備都在采用光纖激光器，其因具有電光轉(zhuǎn)換比高、光斑聚焦穩(wěn)定、性能可靠、體積小、重量輕等優(yōu)點，在金屬3D打印中具有很高的使用價值。激光選區(qū)熔化成形過程中，振鏡掃描系統(tǒng)如果能夠既迅速又準確地進行目標點坐標運算，使得激光光斑能精確定位在加工面的需求位置，那么整個成形系統(tǒng)就能夠以極高的效率運行。在振鏡掃描系統(tǒng)中，反射鏡主要由X鏡片和Y鏡片以及驅(qū)動這兩個鏡片的電動機組成。X、Y鏡片是激光光束完成光路反射的基礎，其控制電動機是關鍵。就目前來說，整個振鏡掃描系統(tǒng)主要還是從德國、美國等國家購買，不僅流程煩瑣、時間長，而且成本也非常高。鋪粉系統(tǒng)主要由升降工作臺、送粉裝置和鋪粉裝置組成。升降工作臺作為零件成形過程的工作區(qū)域，其上安裝著成形缸、送粉缸、鋪粉裝置。成形缸是零件最終成形的地方，送粉缸負責將加工原材料運輸?shù)焦ぷ髅嫔?，再通過鋪粉裝置將其平整地鋪在激光掃描區(qū)域上。氣體循環(huán)系統(tǒng)通過不斷地維持氣體的流動，并且讓這些氣體經(jīng)過物理、化學處理，保證了在激光選區(qū)熔化成形的整個過程中，密閉工作空間一直保持低氧、干燥的環(huán)境。這樣能夠在很大程度上降低危險性，也可延長精密儀器的壽命。3.2激光光路系統(tǒng)光學原理一個完整的激光光路系統(tǒng)通常由激光器、擴束鏡、聚焦系統(tǒng)組成。現(xiàn)有的聚焦系統(tǒng)主要有兩種，一種是靜態(tài)聚焦系統(tǒng)，一種是動態(tài)聚焦系統(tǒng)[46]。一般而言，選擇不同的聚焦系統(tǒng)依據(jù)的是所需要的掃描區(qū)域的大小。靜態(tài)聚焦采用的是F—θ聚焦的方式。相對靜態(tài)聚焦而言，動態(tài)聚焦就顯得復雜很多，如圖3—2所示。光束經(jīng)由激光發(fā)生器發(fā)射之后，再通過擴束鏡的擴張，變成寬度較大的平行光，在穿過物鏡之前該平行光需要經(jīng)過一個可以在Z軸方向自由調(diào)節(jié)距離的動態(tài)聚焦系統(tǒng)進行聚焦，然后再通過振鏡掃描系統(tǒng)的物鏡的反射到達所需要加工的工作區(qū)域。圖3—2動態(tài)聚焦示意圖在激光選區(qū)熔化成形過程中，對最終的零件質(zhì)量起到關鍵性作用的兩個參數(shù)就是光斑大小和能量密度。從理論上來說，越小的光斑直徑所能夠達到的掃描精度也越高，而能量密度大的就能加工一些高熔點的金屬，加工掃描的效率也較高。激光質(zhì)量M2是激光器的一個關鍵參數(shù)，同時光路的設計和聚焦光斑的確定也和這個參數(shù)有直接關系，其數(shù)學表達式為M2=πθD1/4λ（3—1）式中：θ為光束的遠場發(fā)散角；D1為光束的束腰半徑。激光光束在進入某個透鏡之前與出透鏡之后，束腰半徑和遠場發(fā)散角的乘積是恒定的，即D1θ1=D2θ2（3—2）式中：D1和θ1是進入透鏡組之前的束腰半徑和遠場發(fā)散角；D2和θ2是進入透鏡組之后的束腰半徑和遠場發(fā)散角。所以在工作區(qū)域內(nèi)最終得到的掃描光斑的直徑Dj可以通過計算得到：Dj=M2×（4λ/π）×（f/D）（3—3）式中：λ為光束的波長；f為光束在完成對激光的聚焦前經(jīng)過的透鏡的焦距；D為完成對激光的聚焦前經(jīng)過的透鏡的直徑。從式（3—3）中我們也可以發(fā)現(xiàn)，最終得到的掃描工作面上的光斑直徑不僅與激光質(zhì)量和激光波長有關，而且與最后聚焦前最后一個透鏡的焦距和直徑有關，所以在選定激光系統(tǒng)的透鏡時，最后一個透鏡的選擇至關重要。而在光束被聚焦的時候，另外一個需要考慮的參數(shù)就是光束在掃描工作面上的聚焦深度h。當激光在平面上進行掃描時，它并不是呈現(xiàn)為一個點，而是一個橫截面，真正的交點在工作面上邊或者下邊。一般來說，聚焦深度可以從激光光束的束腰處向兩邊增大5%左右，所以其計算式可以表示為h=±（0.08πDj/λ）（3—4）從式（3—4）中我們可以看出，激光的聚焦深度h與激光的波長以及最后的光斑直徑有關。當選擇透鏡的聚焦方式時，采用波長為1.064μm的激光束，如果使用的是簡單的振鏡前靜態(tài)聚焦，那么就不能讓整個工作面上聚焦的離焦誤差在聚焦深度的范圍內(nèi)。正因為如此，所以在激光選區(qū)熔化設備中，一般選用動態(tài)聚焦或者Fθ透鏡的方式。激光系統(tǒng)中的擴束鏡一般有兩個重要的作用：第一，顧名思義，是擴大激光束的直徑。激光選區(qū)熔化設備是利用激光束的高能量來工作的，所以在一定的功率下，光束直徑越小，功率密度就越大。因此若直接使這樣細小的激光束在光學器件間傳播，光路上的光學器件很有可能產(chǎn)生一定的熱應力，從而對這些儀器造成一定的損傷，甚至可能會直接使之破壞，所以擴束首先對光學器件起到了保護作用。第二，能夠壓縮光路的發(fā)散角，使其衍射效率降低。激光在被擴束時，它的發(fā)散角和擴束比是成反比的，所以經(jīng)過擴束之后，激光束在被聚焦之后光斑直徑可以變得更小，這就更能夠提高能量的集中程度，提高成形效率。一般來說，激光的擴束有兩種方法：伽利略法（見圖3—3）和開普勒法（見圖3—4）。圖3—3伽利略法擴束示意圖圖3—4開普勒法擴束示意圖通常情況下，擴束鏡都是由兩個相互之間具有特殊位置的透鏡所組成的。伽利略法和開普勒法的不同之處就在于，伽利略法是采用了一個凹透鏡和一個凸透鏡，而開普勒法則是使用了兩個凸透鏡。但不論是采用開普勒法還是采用伽利略法，所構成的擴束鏡都是共焦結構。但是相對而言，采用伽利略法的擴束鏡更為合理，也更為簡單，能夠獲得20倍以上的放大倍率，而被放大了n倍的激光光束的發(fā)散角則會相應地縮小為原來的1/n倍，從而達到減小聚焦光斑直徑、提高能量效率、加快成形速度的目的。3.3伺服電動機及密封成形室伺服電動機驅(qū)動進給系統(tǒng)是以機床移動部件的位移和速度為控制對象的自動控制系統(tǒng)。由于伺服電動機具有運行平穩(wěn)、摩擦阻力小、靈敏度高、啟動無顫動、低速無爬行和能夠精密控制進給量等優(yōu)勢，在機床進給系統(tǒng)中有較為廣泛的應用。伺服電動機主要根據(jù)負載條件來選擇，加載在電動機軸上的負載主要有負載轉(zhuǎn)矩和負載慣量兩種，其中負載轉(zhuǎn)矩主要占電動機轉(zhuǎn)矩的10%～30%，轉(zhuǎn)子慣量JM一般不小于負載慣量JL，兩者的匹配關系與電動機類型有關[47]。電動機轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量的匹配關系如表3—1所示。激光選區(qū)熔化成形是采用高能量激光束將金屬粉末完全熔化，熔化液冷卻后凝固成金屬零件，所以，如果是在大氣環(huán)境下進行燒結，成形件極易被氧化。如果氧化現(xiàn)象出現(xiàn)，被加工件的表面粗糙度、加工精度、內(nèi)部性能都將受到很大的影響。表面氧化將使成形件的表面粗糙度增加，內(nèi)部氧化則會使得成形件的力學性能降低。因此，為了避免缺陷，提高成形件的成功率，加工過程要在超低氧含量環(huán)境下進行。一般采用氬氣作為保護氣體。氬氣為惰性氣體，不會與金屬粉末發(fā)生反應，而且氬氣比空氣比重大，可以更加接近成形件表面，能夠很好地起到防止零件氧化的效果。同時，為了操作方便，為設備安裝了照明裝置。另外，因為加工原料為微米級的金屬粉末，加工過程中容易發(fā)生粉末飛濺現(xiàn)象，所以將成形室設計為全密閉結構。3.4鋪粉裝置鋪粉裝置作為激光選區(qū)熔化設備中最重要的機械部件，應能鋪出粉末均勻分布而且致密性好的粉層，這對最終的零件成形質(zhì)量具有關鍵性的影響。如果說制備質(zhì)量好的粉末是制造一個高精度成形件的前提，那么鋪粉裝置能否得到好的利于工藝加工的粉層則是決定最終零件成形質(zhì)量的關鍵。激光選區(qū)熔化設備的鋪粉裝置無外乎兩種，一種是用圓筒進行滾動式鋪粉的滾筒式鋪粉裝置，另一種是利用一個類似于刀具一樣的刮刀刮過粉末得到加工粉層的刮刀式鋪粉裝置。滾筒式鋪粉裝置如圖3—5所示。電動機帶動滾筒在工作平臺上從左向右移動，同時滾筒自身也在不停地做著旋轉(zhuǎn)運動。激光選區(qū)熔化成形所采用的原材料是金屬粉末，金屬粉末顆粒之間是分離的，雖然很小，但是顆粒與顆粒之間仍然存在著一定的間隙。由于這些間隙的存在，松散粉末的相對密度只有30%左右。采用滾筒式鋪粉方式能夠通過滾筒的轉(zhuǎn)動將這些松散的粉末壓緊，盡量減少金屬粉末間的間隙數(shù)量，從而能夠最大限度地提高粉層的致密度，但是這種鋪粉方式也存在著一些不足。首先，這種結構在滾動壓緊的過程中需要消耗大量的粉末，而且用這種方式所鋪的粉層的厚度一般在50～250μm，粉層厚度過大，不利于成形層與前一層搭接。其次，在滾壓的過程中滾筒表面很容易沾上金屬粉末，隨之而來的后果就是這些附著在滾筒上的粉末會使得被碾壓過的地方出現(xiàn)凹坑，從而破壞粉層表面的平整性，這對最終零件表面的打印效果有很大影響。此外，不同的粉末所需要的滾動平移速度和轉(zhuǎn)動速度是不一樣的，所以面對不同的粉末材料的時候就需要重新測試，優(yōu)化設置參數(shù)。圖3—5滾筒式鋪粉裝置示意圖刮刀式鋪粉裝置如圖3—6所示。這種刮刀式鋪粉裝置結構非常簡單，只需要電動機帶著刮刀沿著鋪粉方向移動過去就可以了。整個過程中對速度和高度等的控制相較于滾筒式的要更為簡單。刮刀式鋪粉裝置的基板與工作平面平行，需要鋪粉時控制基板下降一個層厚的距離，形成下凹式的結構。當刮刀帶著粉末移動時，粉末掉落至凹槽內(nèi)，得到一個層厚的粉層，激光啟動，完成掃描后繼續(xù)下降一個層厚距離，刮刀繼續(xù)刮粉，依此循環(huán)。這種運動方式的好處就在于粉末能夠借助刮刀的擠壓以及刮板和成形缸四壁的擠壓得到具有較高致密度的粉層，解決了傳統(tǒng)刮刀式鋪粉形成的粉層致密度不夠的問題。由于激光選區(qū)熔化過程中的加工層厚很小，所以驅(qū)動刮刀完成左右移動的電動機需要有較高的穩(wěn)定性，而對于運動精度和復位精度等則要求不高，同時考慮到在零件制造時成形室內(nèi)的溫度會比較高，所以在選擇驅(qū)動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)時也要采用耐高溫的材料。圖3—6刮刀式鋪粉裝置示意圖刮刀式鋪粉裝置采用螺紋式刀具結構，以便在需要的時候進行刀具的更換和清理。在刀具材料的選擇上，通常有兩種方案。第一種是采用金屬質(zhì)地的材料作為刀具的材料，而且一般來說是具有極高硬度的材料。在激光選區(qū)熔化中加工層厚一般都比較小，大約為50μm，鋪粉過程中很有可能會出現(xiàn)某一層面上由于金屬顆粒過大而形成一個小凸點的情況，而且小凸點的高度高于粉層厚度，這會影響下一層激光的掃描，形成連鎖反應。如果選擇金屬刀具，當刮刀經(jīng)過這個小凸點的時候，會將這個凸點刮平，從而避免后續(xù)加工的缺陷累積。但是選擇金屬刮刀的缺點也很明顯，其在不斷來回左右刮擦過程中會對工作平臺表面產(chǎn)生磨削，時間一長會導致加工層厚等參數(shù)出現(xiàn)誤差。第二種則是選擇橡膠作為刮刀材料，這樣能夠最大限度地降低不斷刮擦對工作面的影響，但是刮刀對小凸點的處理能力也會相應地降低。3.5氣體循環(huán)系統(tǒng)鑒于激光選區(qū)熔化工藝對氧含量的高度敏感性，減少成形過程中材料與氧氣的接觸顯得十分重要，對于激光選區(qū)熔化設備，成形室的氣體循環(huán)系統(tǒng)顯得十分關鍵。因此開發(fā)者對已有激光選區(qū)熔化設備進行改進，增加了氣體循環(huán)系統(tǒng)，如圖3—7所示。圖3—7激光選區(qū)熔化設備氣體循環(huán)系統(tǒng)在此系統(tǒng)中，吸氣和充氣保持一點壓差，確保通氣的時候可以保持一定的壓力，而吸氣的時候可以保證氣體沿著壓力小的管道流出。吸氣管道中還安裝了消聲器，以減輕氣體循環(huán)過程中由于壓差而產(chǎn)生的噪聲。成形室內(nèi)的保護氣體通過進氣管道并被循環(huán)驅(qū)動器泵至過濾器，在過濾器中將氣體中夾雜的煙塵、粉末和飛濺顆粒等攔截下來，并對保護氣體做進一步凈化，最后將其通過吸氣管道泵入成形室內(nèi)，從而完成保護氣體的循環(huán)、凈化和利用。該系統(tǒng)不但結構簡單，而且由于整個系統(tǒng)是閉合的，氣體損失少，效率高。在成形之前，通過將系統(tǒng)抽真空降低成形室內(nèi)的氣壓，然后充入保護氣體，使氧含量降到0.05%以下，就可以啟動該系統(tǒng)。然后配合氧濃度檢測系統(tǒng)，控制系統(tǒng)自動進行檢測、反饋，維持成形室內(nèi)的低氧狀態(tài)，從而減少保護氣體的消耗，降低激光選區(qū)熔化成形成本，改善激光選區(qū)熔化設備的操作性能和提高其智能化程度[48]。3.6控制系統(tǒng)激光選區(qū)熔化控制系統(tǒng)控制著整個加工過程，控制系統(tǒng)的好壞將影響加工速度、加工精度和加工效率，并直接影響成形質(zhì)量，是激光選區(qū)熔化設備的核心。其控制難點在于要協(xié)調(diào)各個硬件之間的關系，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。激光選區(qū)熔化控制系統(tǒng)的控制對象主要有激光光路系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)兩大部分，通過對這兩部分的控制，實現(xiàn)激光選區(qū)熔化控制系統(tǒng)的功能要求。激光光路系統(tǒng)的控制主要包括激光器和振鏡的控制，機械傳動系統(tǒng)控制主要包括工作平臺的升降動作控制和鋪粉裝置的動作控制。以采用滾筒式鋪粉裝置的激光選區(qū)熔化設備為例，其控制系統(tǒng)硬件組成如圖3—8所示。圖3—8激光選區(qū)熔化控制系統(tǒng)硬件組成框圖3.7實時監(jiān)控反饋針對激光選區(qū)熔化控件系統(tǒng)的研究還比較少，從目前公開的信息來看，商品化激光選區(qū)熔化設備相對科研型設備增加了人性化操作功能，如粉末的自動過篩或者重復利用、氧含量的實時監(jiān)測等。Arcam公司的EMB設備因?qū)Τ尚问覂?nèi)的真空度及溫度控制要求嚴格，所以需要對氧含量、預熱溫度進行嚴格的監(jiān)測，對成形過程熔池的物理信號進行實時監(jiān)測[49]，將監(jiān)測所得信息反饋給控制系統(tǒng)并快速調(diào)整激光功率、掃描速度等加工參數(shù)。相應的光路硬件組成和熔池圖像分別如圖3—9(a)和(b)所示。該技術主要應用于成形室內(nèi)氧含量變化、激光功率變化異常時對機器進行智能調(diào)整，而最重要的應用是懸垂結構成形，使成形質(zhì)量得到了有效改善。圖3—9光路硬件組成和激光選區(qū)熔化成形過程熔池圖像(a)光路硬件組成;(b)經(jīng)過處理后的熔池圖像1—光電二極管；2—CMOS相機；3—光纖激光器；4—掃描儀；5、6—45°反射鏡3.8商品化激光選區(qū)熔化設備3.8.1主要商品化激光選區(qū)熔化設備德國的EOS公司是全球金屬3D打印領域的領導者之一，生產(chǎn)了多種商品化激光選區(qū)熔化設備。目前其市場銷售主力機型為M290。2016年EOS公司發(fā)布了M4004機型，該機器通過四個400W激光器和400mm×400mm×400mm的最大成形尺寸將生產(chǎn)率提升了四倍。這四個400W激光器每個都有250mm×250mm的構建區(qū)域，可同時制造四個部件。ConceptLaser公司的激光選區(qū)熔化設備包括M1Cusing、M2Cusing、M3Linear、Mlab、X-1000R等，其中X-1000R最大成形尺寸為630mm×400mm×500mm，目前該產(chǎn)品在激光選區(qū)熔化設備中成形尺寸仍是最大的。此外，國外主要的激光選區(qū)熔化設備還有3DSystems公司與MTT公司在北美合作銷售的系列激光選區(qū)熔化設備，日本松浦機械制作所在2010年研發(fā)的LUMEXAvance-25等[50]。早期國內(nèi)研究激光選區(qū)熔化設備的高校主要有華南理工大學和華中科技大學，2012年后國內(nèi)有50余家高校和研究所進入該領域。華南理工大學增材制造實驗室開發(fā)了DiMetal-240（2004年）、DiMetal-280（2007年）、DiMetal-100（2012年）、DiMetal-50（2016年）等系列化設備（現(xiàn)生產(chǎn)廠家為廣州雷佳增材），其中部分型號已經(jīng)商業(yè)化。國內(nèi)公司西安鉑力特增材技術股份有限公司（簡稱西安鉑力特）、湖南華曙高科技有限責任公司（簡稱華曙高科）、武漢華科三維科技有限公司（簡稱華科三維）、北京易加三維科技有限公司（簡稱易加三維）、江蘇永年激光成形技術有限公司（簡稱江蘇永年激光）等公司也紛紛推出商品化設備。國內(nèi)外激光選區(qū)熔化設備主要機型如表3—2、表3—3所示。3.8.2大范圍激光選區(qū)熔化設備德國EOS公司研制的EOSM系列金屬粉末燒結系統(tǒng)，可對模具鋼、鈦合金、鎳鐵合金等金屬粉末直接燒結成形。利用該設備制造模具，可實現(xiàn)復雜的熱流道設計，其中EOSM400能成形的最大尺寸為400mm×400mm×400mm。ConceptLaser公司發(fā)明了LaserCusing專利技術，用于降低成形過程中的殘余應力，并于2015年4月推出了市場上獨有的雙激光頭機型，生產(chǎn)效率提高65%，M2Cusing雙激光頭能成形尺寸為250mm×250mm×280mm的零件。國內(nèi)杭州先臨三維科技股份有限公司研發(fā)的EaScan系列三維掃描儀，將三維數(shù)字化與3D打印技術融合創(chuàng)新，可測量復雜曲面、柔性樣品工件等，其EaScan-D設備單面測量最大尺寸為400mm×300mm。華曙高科生產(chǎn)的FAＲSOON系列設備，是激光行業(yè)獲獎產(chǎn)品，其中FAＲSOON402系列最大成形尺寸為400mm×400mm×450mm，提供了單向和雙向兩種掃描方式，掃描速度為7.6～12.7m/s。近年來，各大公司均在設備精度上尋找突破口，目前成形零件尺寸不斷增大，所用材料種類不斷增多，但設備精度依然關系著各大公司的前景。其設備在相同的工藝參數(shù)下，是否可以生產(chǎn)精度更高的產(chǎn)品，決定了其能否占據(jù)市場競爭優(yōu)勢地位。3.8.3激光選區(qū)熔化復合加工設備激光選區(qū)熔化3D打印技術能夠直接制造冶金結合良好、組織致密度高、尺寸精度高和力學性能良好的功能零件。設想利用現(xiàn)有的激光選區(qū)熔化設備與傳統(tǒng)的高精密銑削數(shù)控系統(tǒng)，構成一個復合加工整體系統(tǒng)，激光選區(qū)熔化成形完金屬零件后，采用高精密銑削刀具對支撐進行拆除，并直接對其進行表面處理而不需要將其取出，金屬零件的成形精度會在現(xiàn)有水平的基礎上大大提高，激光選區(qū)熔化3D打印技術在未來制造工業(yè)中的應用會更廣泛。激光選區(qū)熔化3D打印技術雖然具有很多的優(yōu)勢，但它也有制造成本高、成形件表面質(zhì)量差等缺陷。若是能將激光選區(qū)熔化3D打印技術和傳統(tǒng)機加工方法結合起來，同時發(fā)揮二者的優(yōu)勢，將使制造技術提升一個臺階。目前日本松浦機械制作所開發(fā)的金屬光造型復合加工機LUMEXAvance25將金屬激光成形和高速、高精度的切削加工結合在一起，實現(xiàn)了復合加工。LUMEXAvance-25設備可在一臺裝置內(nèi)交替進行金屬激光成形和采用立銑刀進行切削精加工，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)機加工方法相當?shù)某叽缇群捅砻娲植诙?，還能夠加工出傳統(tǒng)加工方法無法成形的復雜形狀零件。此外，采用這種復合加工技術，LUMEXAvance-25還能夠使產(chǎn)品制造周期大幅縮短，使一個金屬零件從設計到加工的工期縮短61.5%。這種技術必然是今后激光選區(qū)熔化設備發(fā)展的一種趨勢。第4章激光選區(qū)熔化成形工藝4.1激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)及其影響針對激光選區(qū)熔化過程中工藝參數(shù)（如激光功率、掃描速度、掃描間距、掃描方式等）對成形及缺陷的影響規(guī)律開展研究，具有一定理論意義和應用價值[51]。通過研究激光功率、掃描速度、掃描間距、金屬粉末層厚等對金屬零件整體成形質(zhì)量的影響，研究人員發(fā)現(xiàn)：隨著激光功率的增加，成形的金屬零件的抗拉強度變大了，但是表面粗糙度和尺寸精度卻變差了；隨著掃描速度的提高，抗拉強度減小，但尺寸精度和表面粗糙度卻得到了改善；在相同的掃描速度和激光功率下，隨著掃描間距的增大，金屬零件的抗拉強度減弱了，表面粗糙度變差了，但尺寸精度卻有所改善；在相同的掃描速度和激光功率下，隨著金屬粉末層厚的增大，金屬零件的抗拉強度減弱了，表面粗糙度變差了，但尺寸精度的變化不大。成形件致密度、表面質(zhì)量受掃描速度影響最大，以致密度為指標，掃描速度極差值達14.9%，掃描速度對致密度的影響最顯著。隨著掃描速度的降低，成形件的致密度逐漸增加，這是因為掃描速度低，激光停留在粉末表面的時間相對延長，使得熔化的粉末有充足的時間與周圍的粉體發(fā)生熱交換，在表面張力和毛細管力的作用下填充固相間的孔隙，從而提高成形件致密度。但掃描速度過低易使局部液相過多，產(chǎn)生根瘤現(xiàn)象，而且成形件表面粗糙度會隨著掃描速度的降低而變差，所以，在實際的成形過程中要綜合考慮成形致密度與表面質(zhì)量的要求,選擇合適的掃描速度。掃描間距主要影響成形件成形過程中的溫度分布，掃描間距越小，內(nèi)應力越大，溫度梯度越大，越容易導致成形件的翹曲變形。層間結合強度主要取決于加工層厚度與激光功率，加工層薄，前一層重熔量相對較多，粉末熔化后浸潤已熔化層，隨前一道掃描線生長，不易發(fā)生球化現(xiàn)象。而粉末層厚增加會導致球化傾向增加[52]，降低零件的尺寸精度和表面粗糙度。激光功率大，穿透能力強，使得層與層之間結合好。激光功率小容易使部分粉末不完全熔化，層與層間搭連率低，從而降低成形件強度。因此，適當增加激光功率可使粉末充分熔化，在毛細管力作用下填補孔隙，提高致密度[53]。4.2SLM成形件主要性能指標4.2.1力學性能下面以SLM成形316L不銹鋼零件來說明激光選區(qū)熔化成形件的力學性能。我們采用了兩種測試方案。第一種：采用SLM方法加工力學性能測試件的毛坯，再經(jīng)機加工得到力學性能測試件的幾何尺寸。圖4—1所示為力學性能測試件幾何尺寸，圖4—2所示為測試件在拉伸前后的比較。整個實驗過程為：首先通過SLM方法成形7mm×7mm×90mm長方塊，再將該長方塊線切割加工成如圖4—1所示尺寸的測試件；在電子萬能試驗機CMT5105上分別測試使用層間錯開掃描策略制作的測試件的力學性能，以及沒有使用層間錯開掃描策略制作的測試件的拉伸力學性能。圖4—1測試件幾何尺寸圖4—2SLM測試件拉伸前與拉伸后比較當使用層間錯開掃描策略時，測試件的抗拉強度為636MPa，斷后伸長率為15%～20%，與熔模鑄造件性能(抗拉強度為517MPa，斷后伸長率為39%)相比，抗拉強度顯著提高，斷后伸長率減小，斷后伸長率的減小主要與熔池快速凝固有關。當沒有使用層間錯開掃描策略時，抗拉強度為468MPa，斷后伸長率為9%～12%，低于熔模鑄造的拉伸力學性能。根據(jù)分析，在不使用層間錯開掃描策略的條件下，熔道之間的搭接缺陷容易導致裂紋。第二種：通過SLM方法直接成形力學性能測試件，而不進行后續(xù)的機加工。分別采用SLM方法制作沿著拉伸方向堆積成形的測試件（見圖4—3）和垂直于拉伸方向堆積成形的測試件（見圖4—4）。圖4—3沿拉伸方向堆積成形的測試件圖4—4垂直于拉伸方向堆積成形的測試件通過SLM方法直接成形的力學性能測試件分為圓柱狀和板狀兩種。板狀測試件因拉伸時發(fā)生扭轉(zhuǎn)，抗拉強度較低，測試結果如表4—1所示。從結果可以看出，SLM成形件的抗拉強度顯著高于鑄造件的，垂直于拉伸方向堆積成形的測試件抗拉強度高于沿拉伸方向堆積成形的測試件抗拉強度。垂直于拉伸方向堆積成形的測試件斷后伸長率較高，但比熔模鑄造件的低20%以上，而沿拉伸方向堆積成形測試件的斷后伸長率低于鑄造件40%以上，原因可能是沿著拉伸方向堆積成形時，層與層之間疊加造成的不穩(wěn)定因素(如夾渣、飛濺、氣孔等缺陷)導致抗拉強度與斷后伸長率下降。4.2.2殘余應力在SLM成形中，極細小的激光光斑照射在粉末上，使粉末熔化并凝固成實體，由于快熱快冷的成形特點，在材料內(nèi)將形成高達108K/s的溫度梯度，從而產(chǎn)生較大的熱應力，并且高溫會使材料的屈服強度降低，當應力大于材料的屈服極限時，材料就會發(fā)生翹曲變形，使得零件與基板、零件與支撐結構或者層與層之間發(fā)生開裂，導致成形失敗。SLM成形過程中局部熱輸入造成的不均勻溫度場必然引起局部熱效應，在激光快速掃描的條件下，一方面，材料及基材產(chǎn)生極大的溫度梯度，熔池及其周圍材料被快速加熱、熔化、凝固和冷卻，這部分材料在加熱過程中產(chǎn)生的體積膨脹和冷卻過程中產(chǎn)生的體積收縮均受到周圍較冷區(qū)域的限制。另一方面，溫度的升高會導致金屬材料的屈服強度降低，使得部分區(qū)域的熱應力大于材料的屈服極限，形成塑性熱壓縮，材料冷卻后就比周圍區(qū)域窄小，從而在成形層中形成殘余應力。SLM激光掃描過程可分為受熱膨脹過程和冷卻收縮過程。如圖4—5(a)所示，激光照射到材料表面的某一點時，熱量會通過熱傳導的方式向材料的四周傳遞，形成極大的溫度梯度。圖4—5(b)所示是對應該點處厚度方向上的溫度分布圖，tp為材料的完全塑性溫度，溫度高于tp的表層金屬不會有殘余應力產(chǎn)生。tn為標準室溫，tm為材料的熔化溫度，溫度高于tm時材料處于熔化狀態(tài)。由圖4—5(b)所示溫度分布圖可知，金屬層Ⅰ的溫度超過了tp，金屬層Ⅰ處于沒有殘余應力作用的完全塑性狀態(tài)，其不會對周圍材料的體積變化產(chǎn)生阻礙作用；金屬層Ⅱ的溫度處在tn和tp之間，該層材料受熱之后體積膨脹，但是其膨脹要被處于室溫狀態(tài)的金屬層Ⅲ阻礙，由于膨脹受到阻礙，從而在金屬層Ⅱ內(nèi)產(chǎn)生殘余壓縮應力，相應地，金屬層Ⅲ則產(chǎn)生殘余拉伸應力。如圖4—5(c)所示的階段1。激光從該點移開后，成形面的溫度開始下降。當金屬層Ⅰ的溫度低于tp時，金屬層Ⅰ將從完全塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌耆苄誀顟B(tài)。在冷卻階段，金屬層Ⅰ體積收縮，但其收縮將受到金屬層Ⅱ的阻礙，故在金屬層Ⅰ中就會產(chǎn)生殘余拉伸應力，相應地，金屬層Ⅱ內(nèi)的殘余壓縮應力增大，金屬層Ⅲ內(nèi)的殘余拉伸應力減小。如圖4—5(c)所示的階段2。在鋪下一層粉末的時間內(nèi)，零件內(nèi)部的溫度進一步降低，金屬層Ⅰ的體積繼續(xù)收縮，且其收縮仍將受到內(nèi)層材料的阻礙，從而使金屬層Ⅰ內(nèi)的拉伸應力進一步增大，而金屬層Ⅱ內(nèi)的殘余壓縮應力則逐漸擴展到金屬層Ⅰ和金屬層Ⅲ內(nèi)（見圖4—5(c)所示的階段3），直到零件內(nèi)部溫度分布均勻。圖4—5SLM成形過程中溫度和應力變化(a)激光照射在材料上的溫度梯度；(b)高度方向溫度分布；(c)高度方向應力演變續(xù)圖4—54.2.3表面粗糙度表面粗糙度是成形件表面質(zhì)量的重要表征參數(shù)，其大小影響著成形件的磨損性能和幾何尺寸，進而影響零件的使用壽命。SLM成形是在熔道與熔道之間搭接成形零件，成形面由單熔道組成。成形所用粉末材料的特性決定了單熔道的幾何尺寸，進而制約了成形件的表面粗糙度。隨著對SLM成形件的精度和使用壽命要求的不斷提高，基于成形粉末特性的表面粗糙度研究成為熱點。通過SLM成形件表面粗糙度計算公式可以看出，成形件的表面粗糙度理論上受熔道寬度、掃描間距和鋪粉厚度三個因素的影響。零件表面粗糙度的實際測量值與理論計算值出現(xiàn)較大偏差的原因：（1）SLM是一個復雜多變的過程，極小的環(huán)境擾動都會引起熔池表面的較大變化，進而影響零件整體的表面粗糙度。在進行表面粗糙度理論建模時，由所假設的條件不能完全模擬出成形過程中的單熔道形態(tài)和熔道搭接情況，只能較為理想地假設實際加工過程。在理論計算時，假設熔道形狀為規(guī)則曲線，而實際加工過程中，熔道是不穩(wěn)定的。液態(tài)金屬存在黏性，在流動過程中受到摩擦力和表面張力的雙重作用，使得熔道不連續(xù)，熔道與熔道連接區(qū)域容易出現(xiàn)斷層，存在斷層的部分在下一層鋪粉過程中高度會明顯低于其他部分，隨著這種情況的累積，成形層表面粗糙度不斷增大。（2）加工過程中粉末的飛濺也是影響SLM成形件表面粗糙度的一個重要因素。SLM加工過程中由于溫度急速升高，極易產(chǎn)生大量金屬熔渣飛濺，這些熔渣很容易就飛落到熔道兩側(cè)，進而影響成形件的整體表面輪廓，增加零件的表面粗糙度。（3）理論計算時忽略了重熔區(qū)的熱影響，而實際加工過程中，重熔區(qū)存在熱膨脹，使得重熔區(qū)的體積變大，因此單熔道表面輪廓不是假設中的規(guī)則表面輪廓，實際表面輪廓與理論假設表面輪廓間存在較大差異。（4）粉末的不完全熔化也是影響成形件表面粗糙度的因素之一。如圖4—6所示，熔道表面附著小球顆粒，有可能是熔渣飛濺引起的，也有可能是粉末不完全熔化引起的。熔池表面輪廓如圖4—6所示，熔池存在明顯高于水平面的區(qū)域，在凝固過程中該區(qū)域的熔池邊界會黏附大量未熔化的粉末，這些粉末的存在使得搭接區(qū)的表面質(zhì)量下降，增大了成形件的總體表面粗糙度。圖4—6成形零件熔道表面輪廓SLM成形件易出現(xiàn)較大的表面粗糙度，這種情況是由多個因素共同作用、不斷累積的結果，即使首層表面輪廓平整也容易出現(xiàn)短波浪狀表面，最后成形件也會得到無規(guī)則的溝壑狀表面。SLM成形件的表面粗糙度一般為15～50μm，與傳統(tǒng)機加工表面質(zhì)量相比有較大差距。一般SLM成形件需要采用噴砂噴丸方式進行后處理，甚至是通過手工打磨方式來提高表面精度，但是，當內(nèi)部表面為關鍵控制部位，或者是成形件為精細零件時，上述后處理方法將不再適用。目前，主要是從工藝、粉末的選擇、特殊的掃描策略等方面入手進行SLM成形件表面粗糙度的優(yōu)化。如圖4—7所示，筆者根據(jù)加工經(jīng)驗對SLM成形金屬零件進行了表面質(zhì)量分級：隨著表面質(zhì)量逐漸變差，從等級一逐漸變到等級四，SLM成形金屬零件的理想狀態(tài)是達到等級一或者等級二，此時獲得的零件只需要簡單的后處理便可以使用。圖4—7SLM成形不銹鋼件表面質(zhì)量分級（a）等級一；（b）等級二；（c）等級三；（d）等級四續(xù)圖4—74.2.4尺寸精度尺寸精度低屬于SLM成形金屬零件的三大問題之一，也是SLM成形件相較于傳統(tǒng)數(shù)控加工零件的劣勢之一。SLM成形金屬零件的精度包括尺寸精度與形狀精度。影響X、Y向尺寸精度的因素主要有以下幾個：(1)成形面是否調(diào)整在聚焦鏡焦點位置，以及是否采用振鏡控制軟件進行精準的校正；(2)不同的零件需采用不同的光斑補償值，光斑補償值需通過幾次實驗獲得；(3)SLM成形過程中的翹曲變形，這一因素對X、Y向尺寸精度、形狀精度影響非常大；(4)材料熔化凝固導致的成形件的收縮；(5)成形件的X、Y、Z向尺寸大小，零件的幾何特征。經(jīng)過軟件校正后，光斑焦點不一定很準確地落在成形面上，但并不會對獲得高功率密度的聚焦光斑和SLM成形件的較高尺寸精度產(chǎn)生影響。在軟件校正中，需要對不同的幾何體進行光斑補償實驗。新零件首次成形時X、Y向的尺寸誤差可能為0.2mm左右，但隨著成形次數(shù)增加，通過逐漸優(yōu)化光斑補償值和關鍵加工參數(shù)，可以獲得0.05～0.1mm的尺寸精度，圖4—8所示為DiMetal280進行X、Y向尺寸精度校正后成形的薄壁件。圖4—8進行X、Y向尺寸精度校正后成形的薄壁件影響Z向尺寸精度與X、Y向尺寸精度的因素有很大區(qū)別，所以將Z向尺寸精度單獨予以討論。影響Z向尺寸精度的主要因素包括：(1)鋪粉的平整性；(2)控制系統(tǒng)給伺服電動機發(fā)送脈沖數(shù)目的正確性；(3)絲杠上升與下降過程中的反向間隙大??；(4)SLM成形件的翹曲變形與外邊框凸起；(5)材料熔化后的凝固收縮。圖4—9所示為對成形缸絲杠進行多次反向間隙測量時描繪的誤差圖，由圖計算可知，反向間隙在35～50μm之間。當絲杠反向行走后，前幾次測量值與理論值相比較誤差都比較大，但有逐漸減小的趨勢，最后趨于穩(wěn)定。通過優(yōu)化鋪粉效果和消除反向間隙，Z向尺寸精度經(jīng)測試達到(0.15～0.2mm)/50mm。圖4—9成形缸絲杠反向間隙誤差圖針對上述分析，提高成形件的Z向尺寸精度可從如下方面入手：（1）提高鋪粉的平整性。柔性齒彈性鋪粉裝置不能保證每一層鋪粉的平整度，影響Z向尺寸精度，需對鋪粉裝置進行改進設計。（2）SLM成形前，消除成形缸絲杠的反向間隙。（3）避免成形件發(fā)生變形。4.2.5硬度下面以SLM成形316L不銹鋼件的硬度測試來說明SLM成形件的硬度。微觀硬度測試前對試樣進行打磨拋光，測試時施加壓力為3N，載荷加載時間為15s。分別沿著圖4—10所示直線a、b方向進行測量，結果如圖4—11所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)沿著直線a測量硬度值在250～275HV0.3之間，沿著直線b測量硬度值在240～250HV0.3之間。沿著直線a硬度值波動較大一些，原因可能是零件開始在基板上堆積成形時，熔池冷卻速度快，使得前幾層硬度較大，隨著成形層逐漸堆積、溫度累積，已加工的成形層由于當前成形層的熱影響相當于進行了退火或回火處理，硬度稍微下降。顯微硬度測試表明，SLM成形件硬度高于鑄造件(鑄造件硬度大于220HV)，主要與SLM成形過程中的快速加熱和快速凝固有關系，熔池的快速凝固造成了大量微細晶粒的產(chǎn)生。圖4—10顯微硬度測試方向圖4—11顯微硬度測試值4.2.6致密度只有在保證高表面質(zhì)量的條件下，SLM成形件才會獲得高致密度與高尺寸精度，SLM成形實驗的結果才更有意義。所以，獲得高致密度與獲得高表面質(zhì)量的成形件的目標是一致的。對于特定材料，SLM成形件的致密度可以優(yōu)化控制在95%以上，甚至達到幾乎100%的致密度，成形件的力學性能可與鑄鍛件的性能相媲美。4.3激光選區(qū)熔化成形不穩(wěn)定因素激光選區(qū)熔化成形過程中熔池的溫度場、流場會隨時間、空間的變化而不斷變換，始終處于非穩(wěn)定狀態(tài)，同時還因為氣體滯留和缺少外部壓力，激光選區(qū)熔化成形件的缺陷不可避免。零件使用過程中，隨機分布的缺陷將成為應力集中點而顯著降低其力學性能，因此需深入研究激光選區(qū)熔化成形的缺陷機制和缺陷分布規(guī)