金屬3D打印
金屬3D打印技術與原理

金屬3D打印技術可大致分為兩個主要大類:粉末床熔合技術(Powder bed fusion,PBF)和定向能量沉積技術(Directed energy deposition,DED)。這兩種技術都可以根據所使用的能源類型進一步分類。在 PBF 技術中,熱能選擇性地熔化粉末層區域。PBF技 術 的 主 要 代 表 性 工 藝 有 : 選 擇 性 激 光 燒 結(Selective Laser Sintering,SLS)、選擇性激光熔化成形(Selective Laser Melting,SLM)、直接金屬激光燒結(Direct Metal Laser Sintering,DMLS )和電子束熔化成形(Electron beam melting,EBM)。在 DED技術中,通過使用聚焦的熱能來熔化材料(粉末或絲 狀)而沉積。一些常用的 DED 技術包括激光工程化凈成形(Laser engineered net shaping,LENS)、直接金屬沉積( Direct metal deposition,DMD)、電子束自由成形制造(Electron beam free form fabrication,EBFFF)和電弧增材制造。目前商用金屬3D打印采用的技術是以下三種:

1)選擇性激光熔化(Selective Laser Melting ,SLM)
2)直接金屬激光燒結技術(Direct Metal Laser Sintering,DMLS)

選擇性激光熔化(SLM)和直接金屬激光燒結(DMLS)是屬于粉末床融合3D打印族的兩種金屬增材制造工藝。這兩種技術有許多相似之處:都使用采用 Yb(鐿)光纖激光掃描并選擇性地熔融(或熔化)金屬粉末顆粒,將它們粘合在一起并逐層構建零件。 直接金屬激光燒結(DMLS)是一種利用高能量的激光束(200 W),根據三維模型數據直接燒結金屬粉末薄層(20~60 μm)形成致密的實體零件,DMLS與SLM的原理基本相同,主要區別在于粉末的性質。

金屬3D打印視頻

技術工藝原理:SLM技術是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經冷卻凝固而成型的一種技術。激光束掃描開始前,利用鋪粉輥均勻地在成形缸的基板上鋪上一層很薄的金屬粉末,計算機控制激光束對當前層進行選擇性激光熔化,熔化的金屬粉末冷卻固化后,成形缸降低一個單位高度,粉料缸上升一個單位高度,鋪粉輥在加工好的片層之上重新鋪好金屬粉末,激光束開始掃描新一層,如此層層疊加,直至整個零件成形。SLM 的整個加工過程在惰性氣體保護的加工室中進行,以避免在高溫下金屬發生氧化。

DMLS:通過使用高能量的激光束再由3D模型數據控制來局部熔化金屬基體,同時燒結固化粉末金屬材料并自動地層層堆疊,以生成致密的幾何形狀的實體零件。DMLS是金屬粉體成型,有同軸送粉和輥筒送粉兩類。同軸送粉的技術適合制造分層厚度在1mm以上物件,大型的金屬件。輥筒送粉的產品精細度高,適合制造小型部件,因為制造過程部件很容易熱變形。 SLM-金屬3D打印樣品

在計算機上繪制好CAD三維實體零件模型,將其轉換成STL文件格式,,再利用切片軟件將文件切分成一定厚度的一系列有序片層。燒結開始前,將金屬粉末預熱到低于燒結點某一溫度后,一側的供粉缸上升至給定量,鋪粉滾筒將粉末均勻地鋪在粉末床上表面,激光束在計算機系統的控制下,按照設定的功率及速度對第一層截面輪廓進行掃描。激光束掃過之后,粉末燒結成給定厚度的實體輪廓片層,未被燒結的粉末作為支撐,這樣零件的第一層燒結完成。這時,粉末床下移一個分層厚度,供粉缸上移,鋪粉滾筒重新鋪粉,激光束進行下一個分層的燒結,前后燒結的實體片層自然粘接為一體,如此
循環往復,逐層堆疊,直至三維實體零件燒結完成。

3)電子束熔化成形技術(Electron beam melting technology,EBM)

電子束熔化成形(EBM)是另一種以 PBF為基礎的增材制造工藝,在真空環境中,采用高能高速的電子束選擇性地熔化金屬 粉末層或金屬絲,熔化成形,層層堆積直至形成整個實體金屬零件。在 EBM 中加熱的鎢絲發射高速電子,然后由兩個磁場控制,即聚焦線圈和偏轉線圈。聚焦線圈作為磁性透鏡,將光束聚焦到所需直徑至 0.1 mm,而偏轉線圈使聚焦光束在所需點偏轉以掃描金屬粉末。當電子高速撞擊金屬粉末時,它的動能轉化為熱能,熔化金屬粉末。 電子束熔3D打印樣品

技術工藝原理:先將平臺加熱到一定溫度后,按預設厚度均勻地將金屬粉末鋪在平臺上,每個粉末層掃描分為預熱和熔化兩個階段。在預熱階段,通過使用高掃描速度的 高 電 子 束 多 次 預 熱 粉 末 層 ( 預 熱 溫 度 高 達0.4~0.6Tm);熔化階段,用低掃描速度的低電子束來熔化金屬粉末。當一層掃描完成后,臺面下降,重新鋪放金屬粉末層,重復該過程直到形成所需的金屬部件。EBM整個工藝在102~103 Pa 的高真空下進行。

金屬3D打印材料:不銹鋼GP1、鋁合金、模具鋼MS1鈦合金Ti64、高溫合金、鋁鎂合金AlSi10Mg鎳合金in718青銅 貴金屬

金屬3D打印流程圖

金屬3D打印設計規則

1)室壁厚度
在3D打印中,壁厚是指模型的一個表面與相對的透明表面之間的距離。 對于Inconel,您可以使用的最小壁厚為1 mm。 適用的最小壁厚可能會因零件的幾何形狀和尺寸等因素而有所不同。 這樣沒有最大壁厚,但請記住,較厚的區域可能會增加零件的應力,這可能會導致變形并可能導致不穩定的構建過程。

2)細節大小
使用金屬3D打印(M3DP)在Inconel中打印時,可以獲得非常精細的細節(小至0.5 mm)。 細節大小是指模型表面與細節表面之間的距離。 字母也被視為細節,但它們的規格取決于它們是雕刻還是壓花。 對于雕刻文字或表面細節,我們建議字母的最小線寬為0.4毫米,最小總高度為0.4毫米,最小深度為0.15毫米。 對于浮雕文字或表面細節,我們建議字母的線條厚度至少為0.4毫米,整體高度至少為0.4毫米,深度至少為0.15毫米。

3)表面質量和方向
零件的堆積方向對表面質量有很大影響,因為它定義了零件表面相對于水平面或底板的方向。 相對于構建板測量小于45°的角度(β)傾向于導致較差的表面質量,而大于45°的陡角可能具有更好,更光滑的表面。 懸垂結構(例如桌子的下側)可能具有差的表面質量。

4)熱誘導應力
您在Inconel中的模型使用M3DP進行3D打印,這基本上是一種分層焊接工藝。 分層粉末熔化及其固化在熔化的粉末冷卻時導致熱致應力。 不適合M3DP的設計可能由于大的熱致應力而導致構建失敗和/或部件變形。 因此,在設計零件時必須考慮特定于工藝的限制。 我們建議您在設計中將邊緣修圓或填角,最小半徑為3 mm。 此外,出于同樣的原因避免鋒利的邊緣。 盡量避免大量材料堆積,并且通常有利于有邊形設計的有機形狀。

5)尺寸精度
尺寸精度與模型的細節無關,但與標稱測量的偏差無關。 3D打印的Inconel的一般精度為±0.2%(下限為±0.2 mm)。 請注意,由于設計不符合M3DP和高熱應力,也可能出現形狀偏差。

6)支撐
M3DP是一種分層制造工藝。 該部件是根據數字文件逐層構建的。 根據零件表面的方向,可能需要支撐結構,這些結構也必須在制造過程中進行打印。 支撐結構使您的模型在打印過程中與構建平臺剛性連接并吸收內部應力,同時還可防止零件變形。 通常需要支持相對于構建平臺測量角度低于45°的壁或懸垂,否則會導致建筑錯誤。 成功構建零件后,移除支撐件并對部件進行噴砂處理。 移除支撐結構的一些證據可能仍然可見。

7)粉末去除
制作空心模型時,重要的是在設計中至少包含一個孔,以便可以去除腔內捕獲的未使用的粉末。 盡量使用最小1毫米的壁厚,并保持至少一個最小直徑為3毫米的開口。 該開口將用作被困印刷部件內未使用的粉末的出口。 較大且復雜的空腔需要具有較大直徑的多個孔,優選為7mm。 模型中心的孔通常是最好的,因為它們可以去除大部分粉末。 必須避免在中空部分區域中的粉末捕集器,以便能夠完全去除中空部分內的粉末。

4、金屬3D打印后處理效果:打磨、拋光、噴砂,啞光、亮光處理。歡迎咨詢!

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