《增材制造》课件—02增材制造技术的常见工艺方法及其装备.pptx

增材制造技术增材制造技术增材制造技术增材制造技术 第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方法及其装备增材制造技术的常见工艺方法及其装备u增材制造的定义及特点u各类成型方法的特点及应用场合u典型3D打印机的结构特点v本章重点本章重点本章重难点本章重难点v本章难点本章难点uSLS、SLM、EBM、FDM等工艺原理及成型过程u各类成型方法的特点及应用场合12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方法及其装备增材制造技术的常见工艺方法及其装备 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）是利用粉末状材料成型的v2.1.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）2.1 2.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）图图2-1 选区激光烧结的原理选区激光烧结的原理 该工艺的基本原理如图2-1所示SLS工艺的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），在计算机控制下，按照界面轮廓信息，利用大功率激光对实心部分粉末进行扫描烧结，然后不断循环，层层堆积成型，直至模型完成。

选择性激光烧结由Carl Robert Deckard于1988年发明SLS工艺是利用粉末状材料成型的由于该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高、成型速度快等特点，针对以上特点SLS主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具2.1 2.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）v 2.1.2 SLS的成型过程的成型过程图图2-2 基于基于SLS工艺的金属零件直接制造过程工艺的金属零件直接制造过程 SLS成型过程一般可以分三个阶段：前处理、粉层激光烧结叠加和后处理成型过程一般可以分三个阶段：前处理、粉层激光烧结叠加和后处理1）前处理 前处理阶段中，主要完成模型的三维CAD造型将绘制好的三维模型文件导入特定的切片软件进行切片，最后将切片数据输入烧结系统2）粉层激光烧结叠加 激光烧结的过程原理如图2-1所示加热前对成型空间进行预热，然后将一层薄薄的热可熔粉末涂抹在部件建造室在这一层粉末上用CO2激光束选择性地扫描CAD部件最底层的横截面当横截面被完全扫描后，通过滚轴机将新一层粉末涂抹到前一层之上这一过程为下一层的扫描做准备重复操作，每一层都与上一层融合。

每层粉末依次被堆积，重复上述过程直至打印完毕3）后处理 激光烧结后的原型件，由于本身的力学性能比较低，表面粗糙度也比较低，既不能满足作为功能件的要求，又不能满足精密铸造的要求，因此需要进行后处理有时需进行多次后处理来达到零部件工艺所需要求 根据坯体材料的不同，以及对制造件性能要求的不同，我们可以对烧结件采用不同的后处理方法烧结件的后处理方法有多种，如高温烧结、热等静压烧结、熔浸和浸渍等v2.1.2 SLS的成型过程的成型过程2.1 2.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）（1）高温烧结 高温烧结阶段形成大量闭孔，并持续缩小，使孔隙尺寸和孔隙总数有所减少，烧结体密度明显增加在高温烧结后，坯体密度和强度增加，性能也得到改善2）热等静压烧结 热等静压烧结工艺是将制品放置到密闭的容器中，使用流体介质，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品的组织结构致密化3）熔浸 熔浸是将金属或陶瓷制件与另一个低熔点的金属接触或浸埋在液态金属内，让液态金属填充制件的孔隙，冷却后得到致密的零件经过熔浸后处理的制件致密度高，强度大，基本不产生收缩，尺寸变化小4）浸渍 浸渍工艺类似于熔浸，不同之处在于浸渍是将液体非金属材料浸渍到多孔的选择性激光烧结坯体的孔隙内，并且浸渍处理后的制件尺寸变化更小。

图图2-3 基于基于SLS工艺的金属零件间接制造过程工艺的金属零件间接制造过程 1986年第一台SLS样机问世，1992年DTM公司推出了商业化生产设备SinterStation，开启了SLS的商业化；随后SinterStation2000、SinterStation2005等相继问世v2.1.3 SLS的相关设备的相关设备2.1 2.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS） SLS的优点和缺点： SLS的典型应用：l（1）快速原型制造l（2）快速模具和工具制造l（3）单件或小批量生产 图图2-4 Sintratec公司的公司的SINTRATEC KIT优优点点材料的多样性缺点缺点原型制作易变形过程易操作后处理复杂材料利用率高需要预热、冷却无须支撑结构成型表面粗糙多孔模具的强度极高污染环境12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方法及其装备增材制造技术的常见工艺方法及其装备 选择性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）是20世纪90年代中期在SLS工艺的基础上发展起来的。

SLM工艺克服了SLS工艺在制造金属零件工艺过程相对复杂的困扰SLM工艺可利用高强度激光熔融金属粉末的快速成型出致密且力学性能良好的金属零件v2.2.1 SLM的原理的原理2.2 2.2 选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLMSLM） 图图2-7 SLM熔化机的工作原理熔化机的工作原理 SLM的原理是指在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经冷却凝固层层累积成型出三维实体常用SLM设备的工作原理如图2-7所示 SLM设备使用激光器，通过扫描反射镜控制激光束熔融每一层的轮廓金属粉末则被完全熔化，而不是金属粉末黏结在一起因此成型件的致密度可达到100%强度和精度都高于激光烧结成型2.2 2.2 选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLMSLM）v 2.2.2 SLM的成型过程的成型过程 图图2-8 SLM技术的成型过程技术的成型过程 SLM的成型过程与SLS非常相似，均由前处理、分层激光烧结和后处理组成其主要区别是SLM熔融金属材料温度极高，通常要使用惰性气体，如氩气或氢气来控制氧气的气氛其次SLM使用单纯金属粉末，而SLS使用添加了黏结剂的混合粉末，使得成品质量差异较大SLM成型过程如图2-8所示。

目前，欧美等发达国家在激光选区熔化（SLM）设备的研发及商业化进程上处于世界领先地位早在1995年，德国的Fraunhofer就提出SLM技术，并于2002年研制成功随后，于2003年底，德国MCP-HEK公司生产出第一台SLM机器，利用该机器加工出来的工件致密度达到了100%，可以直接应用于工业领域v2.2.3 SLM的相关设备的相关设备2.2 2.2 选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLMSLM） SLM的优点：l（1）零件成型精度高l（2）零件致密性好 SLS的典型应用： SLM增材制造的应用范围比较广，主要用于机械领域的工具及模具、生物医疗领域的生物植入零件或替代零件、电子领域的散热元器件、航空航天领域的超轻结构件、梯度功能复合材料零件 图图2-9 可定制化金属可定制化金属3D打印机打印机FS271M SLM的缺点：l（1）加工制造工艺相对复杂l（2）需要用高功率密度的激光l（3）SLM工艺成本高 12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方法及其装备增材制造技术的常见工艺方法及其装备 电子束熔融（Electron Beam Melting，EBM）是瑞典ARCAM公司最先开发的一种增材制造技术。

EBM类似于SLM工艺，利用电子束在真空室中逐层熔化金属粉末，并可由CAD模型直接制造金属零件v2.3.1 EBM的原理的原理2.3 2.3 电子束熔融（电子束熔融（EBMEBM） 电子束电子束 聚焦线圈聚焦线圈 偏转线圈偏转线圈 粉料粉盒粉料粉盒 铺粉构件铺粉构件 建造构件建造构件 铺粉平面铺粉平面 图图2-7 SLM熔化机的工作原理熔化机的工作原理 电子束熔融技术是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成型材料，高速扫描加热预置的粉末，通过逐层化叠加，获得金属零件EBM的工作原理如图2-12所示在铺粉平面上铺上粉末，将高温丝极释放的电子束通过阳极加速到光速的一半，通过聚焦线圈使电子束聚焦，在偏转线圈的控制下，电子束按照截面轮廓信息进行扫描，高能电子束将金属粉末熔化并在冷却后成型2.3 2.3 电子束熔融（电子束熔融（EBMEBM）v2.3.2 EBM的成型过程的成型过程 图图2-13 电子束熔融技术成型过程电子束熔融技术成型过程 EBM工艺过程中，建模存在多种不同的方法例如利用工艺过程中，建模存在多种不同的方法例如利用EBM工艺加工工艺加工Ti6Al4V粉末时粉末时就有两种方法，第一种方法是采用格子波尔兹曼方法（就有两种方法，第一种方法是采用格子波尔兹曼方法（LBM）计算加工）计算加工Ti6Al4V粉末时达到粉末时达到的温度。

第二种方法是有限元法（的温度第二种方法是有限元法（FEM），考虑到粉末作为具有自身特征的连续体，这种），考虑到粉末作为具有自身特征的连续体，这种方法更为合适方法更为合适 EBM成型过程如图2-13所示首先，一层薄层粉末放置在工作台上，在电磁偏转线圈的作用下，电子束由计算机来控制基于制件的各层截面的CAD数据，电子束选择性地对粉末层进行扫描熔化，熔化的粉末形成冶金结合未被熔化的粉末仍是松散状，可作为支撑一层加工完成后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，同时新熔化层与前一层金属体熔合为一体，重复上述过程直至零件加工结束 目前，世界上典型的EBM工艺商用化设备由瑞典的Arcam公司提供该公司主要生产三种类型的产品，Arcam Q10、Arcam Q10plus、Arcam Q20和Arcam A2Xv2.3.3 EBM的相关设备的相关设备2.3 2.3 电子束熔融（电子束熔融（EBMEBM） EBM的优点：l（1）污染少，防氧化l（2）较高的延展性l（3）可制备复杂部件 EBM的典型应用： EBM主要应用于航空航天和骨科移植方面EBM制造的骨科植入物其最常用的材料是Ti6Al4V和CrCo。

因为EBM的适用性，使得EBM工艺可运用于生产制造矫形植入物 图图2-14 Arcam Q10plus成型机成型机 EBM的缺点：l表面质量较低由于粉末层的粒度和较大的厚度，相较于SLM，EBM工艺通常会造成较低的分辨率和较高的表面粗糙度 12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方法及其装备增材制造技术的常见工艺方法及其装备 熔融沉积（Fused Depositon Modeling，FDM）增材制造技术由美国学者Dr.ScottCrump于1988年研发成功的，并由美国Stratasys公司推出了商业化的设备FDM是将各种热熔性的丝状材料（如蜡、工程塑料和尼龙等）加热熔化，然后通过由计算机控制的精细喷嘴按CAD分层截面数据进行二维填充，喷出的丝材经冷却黏结固化生成薄层截面形状，层层叠加形成三维实体v2.4.1 FDM的原理的原理2.4 2.4 熔融。