DLF与SLM激光快速成型方法的比较研究

现代制造工程2010年第5期制造技术/工艺装备DLF与SLM激光快速成型方法的比较研究陈光霞1,曾晓雁2(1江汉大学机电与建筑工程学院,武汉430056;2华中科技大学武汉国家光电实验室激光部,武汉430074)摘要:分别采用激光直接制造(DLF)技术和选择性激光熔化(SLM)技术对不锈钢材料进行一系列的激光快速成型实验,根据实验结果,对比分析DLF和SLM两种方法在成形机理、成型精度、成型效率、适用场合、成型件的力学性能和组织结构等方面的异同。结果表明,SLM技术的成型精度要优于DLF技术;两者成型件都具有较高的力学性能,均优于普通不锈钢;SLM与DLF成型件组织性能基本相同;如果切片层厚相同,SLM的成型效率高于DLF;DLF主要用于粗加工或零件修复等场合,而SLM可用于精密、复杂零件的制造。关键词:激光直接制造;选择性激光熔化;精度;效率;力学性能;组织结构中图分类号:TH16文献标识码:A文章编号:1671—3133(2010)05—0072—04ComparativeresearchondirectlaserfabricationandselectivelasermeltingCHENGuang-xia1,ZENGXiao-yan2(1SchoolofElectromechanicalandArchitecturalEngineering,JianghanUniversity,Wuhan430056,China;2DivisionofLaserTechnology,WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics,HuazhongUniversityofScience＆Technology,Wuhan430074,China)Abstract:LaserrapidprototypingexperimentswereprocessedbyDirectLaserFabrication(DLF)andSelectiveLaserMelting(SLM)usingstainlesssteelpowder.Accordingtotheresults,thedifferencesofmoldingprinciple,moldingprecision,moldingefficiency,applyingsituation,mechanicsperformanceandmicrostructurewerederivedbetweenSLMwithDLF.Theresultsshow:SLMisbetterthanDLFonmoldingprecision;andbothofthemhavebettermechanicsperformancethancommonstainlesssteel;themicrostructureofmetalpartbuiltbySLMisalmostthesameasDLFs;theefficiencyofSLMishigherthanDLFiftheslicingthicknessofthemarethesame;soDLFismainlyappliedincoarseprocessorpartrepairing,andSLMismainlyappliedinfabricationofexactitudeandcomplexpart.Keywords:directlaserfabrication;selectivelasermelting;precision;efficiency;mechanicsperformance;microstructure激光直接制造(DirectLaserFabrication,DLF)技术与选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术是目前较为成熟和先进的激光快速成型技术,涉及机械、材料、激光、计算机和自动控制等多学科领域,充分体现了现代科学发展多学科交叉的特点,具有广泛的研究与发展前景。DLF技术是基于激光快速成型的“离散-堆积”、“添加式制造”的基本概念和激光熔覆技术而发展起来的金属零件全密度全功能快速直接制造技术。其实质是利用送粉式激光熔覆逐点、逐层沉积,实现三维任意形状高性能金属零件的近净成型[1-7]。SLM技术是以选择性激光烧结(SelectiveLaserSinter,SLS)技术为基础,基于快速成型的最基本思想,即逐层熔覆的“增量”制造方式,根据三维CAD模型72直接成型具有特定几何形状的零件,成型过程中金属粉末完全熔化,产生冶金结合。它是快速成型技术的最新发展。本文采用DLF与SLM两种激光快速成型技术进行一系列实验,根据实验结果,比较分析两种快速成型方法在成型精度和效率、成型件力学性能和组织结构等方面的异同,为激光快速成型方法的选择提供一定的技术依据。1DLF与SLM激光快速成型技术的原理1.1DLF激光快速成型技术的原理DLF技术是将快速成型(RapidPrototyping,RP)技术和激光熔覆技术相结合,以激光作为加工能源,以金属粉末为加工原料,在金属基板上逐层熔覆堆积,从而形成金属零件的制造技术。DLF快速成型技术的基本原理[8]如图1所示,先利用三维CAD软件(如UG,Pro/E,Solidworks)生成所需制造零件的三维CAD模型,并转换成STL格式;再利用切片技术将STL格式的CAD模型按照一定的层厚进行分层切片,提取每一层切片所产生的轮廓;然后根据切片轮廓设计合理的扫描路径,并转换成相应的计算机数字控制(ComputerNomericalControl,CNC)工作台指令;激光束在CNC指令控制下进行扫描加工,将加工原料进行熔覆,生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层。完成这一过程后,聚焦镜、同轴送粉喷嘴等整体上移(或工作台下移)一个层厚的高度,并重复上述过程,如此逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的形状,加工出所需的金属零件[9-11]。为提高表面质量和避免加工缺陷,加工过程可在气体保护下进行。图1DLF快速成型技术的基本原理1.2SLM激光快速成型技术的原理SLM快速成型技术的基本原理如图2所示[12,13]。制造技术/工艺装备现代制造工程2010年第5期图2SLM快速成型技术的基本原理在制造过程中,铺粉装置按设定的层厚将金属粉末均匀地铺设在基板上;激光在振镜控制下对需要熔化的区域进行扫描熔化;然后,基板下降一个层厚,重复下层的加工,如此往复,金属零件一层层地被加工完成。2DLF与SLM的比较研究2.1DLF与SLM成型精度的比较由于DLF激光快速成型是采用开环控制,属于自由成型,所以实际成型高度误差ΔH与Z轴增量有很大的关系,因为Z轴增量决定了聚焦透镜与制造工件之间的垂直距离,其大小直接影响到激光光斑的大小,进而影响激光能量密度的大小。在切片层厚T=0.04mm、功率P=200W、送粉量M=4.2g/min、扫描速度V=900mm/min条件下的单道熔覆高度测量值为0.056mm,在此工艺参数条件下,分别利用不同的Z轴增量,加工100层,测量其最终成型高度,并计算、分析其与高度设计值之间的差值。多层熔覆高度的实际值和设计值的差即成型高度误差(ΔH)与Z轴增量的关系如图3所示,从图3中可以看出,当Z轴增量在0.03～0.10mm之间变化时,ΔH较小,其中当Z轴增量为0.04mm时,成型实际高度为4.1mm,加工100层后ΔH值最小为0.1mm。分析原因为:在进行多层熔覆时,如果Z轴增量等于实际每层熔覆层的高度,聚焦透镜和工件之间的距离可以保持恒定,从而保证了光斑大小在工件表面始终不变,即保证了激光能量密度不变,此时的Z轴增量为最佳值。当Z轴增量超过0.16mm时,则根本无法形成薄壁形状。所以此成型参数下的最佳Z轴增量值为0.04mm。图3Z轴增量与成型高度误差的关系从图3可以看出,以0.04mm的切片层厚进行加工,每100层高度误差为0.1mm,相对误差达到2.5%。利用图4所示的零件进行SLM激光快速成型精73现代制造工程2010年第5期制造技术/工艺装备度的研究。其成型零件实物如图5所示,测量其长、表3DLF与SLM成型件力学性能实验结果宽、高的实际尺寸数值(取三次测量值的平均值),与设计值进行比较,结果如表1所示。从表3可以看出,DLF成型技术所制备的金属零件在拉伸强度方面要优于SLM,但在显微硬度方面要低于SLM,主要原因为:在非加工硬化的条件下,金属材料的硬度和平均晶粒大小有关,其关系式可以表示为[13]:Hs=Hi+K/d⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)成型方法拉伸强度/MPa平均显微硬度/HVDLF912261SLM635307图4SLM快速成型精度研究零件式中:Hs为金属材料的硬度;Hi、K分别为与硬度测量有关的适当常数;d为平均晶粒直径。尺寸方向设计值/mm测量值/mm误差/mm长1010.240.24宽109.86-0.14高1010.060.06高76.86-0.14高43.99-0.01宽77.080.08宽46.99-0.012.2DLF与SLM成型金属零件力学性能的比较由于用SLM成型技术加工零件的扫描速度要大大高于DLF,所以组织晶粒细小,故硬度较高。但总体来说,两种方法的成型件在力学性能方面均优于普通的奥氏体不锈钢。2.3DLF与SLM成型金属零件组织结构的比较利用DLF与SLM技术制造金相试样,并进行SEM扫描,金相组织如图6、图7所示。图5SLM快速成型金属零件实物表1SLM快速成型件尺寸误差测量结果图6DLF成型件金相组织从表1可知,7个尺寸误差的平均值为0.011mm,相对误差为1.1%。研究结果表明,SLM快速成型技术的制造精度比较高。DLF快速成型方法,在Z轴方向上加工误差较大,加工精度较低,与DLF相比,SLM在零/部件的制造精度方面具有明显的优势。本文主要从拉伸强度与显微硬度两个方面分析、比较两种方法成型件的力学性能。实验材料配方见表2。DLF与SLM成型件的力学性能实验结果如表3所示。表2实验材料配方%图7SLM成型件金相组织从图6a和图7a可以看出,两种方法激光扫描路径清晰可见,DLF与SLM均为层叠式制造,由于重熔影响,重熔区的晶粒较粗大,且破坏了定向凝固特征,因此层与层之间具有明显的分层现象。从图6b和图7b可以看出,DLF与SLM成型件金相组织的高倍形貌均为枝状晶,定向凝固特征明显,74制造技术/工艺装备现代制造工程2010年第5期晶粒生长方向均为温度梯度大的方向,即基板法线方向的相反方向。DLF与SLM成型件的组织结构基本相同,且成型后的物相均为奥氏体,与成型前的粉末物相相同。2.4DLF与SLM成型效率的比较以20mm×20mm×10mm长方体为例,分析比较DLF与SLM快速成型的加工效率。根据本文第2.1所述结论,即Z轴增量为0.04mm时,成型高度误差最小,故按0.04mm对长方体进行分层切片,加工工艺参数如表4所示,加工时间对比如表5所示。表4DLF与SLM快速成型加工工艺参数)成型方法加工一层所需时间/s加工总时间/hDLF543.765SLM242.26由表5可知:在相同切片层厚条件下,SLM成型所花费时间与DLF成型所花时间的比值为2.26/3.77=0.6,由此可见SLM激光快速成型技术较DLF技术在加工效率方面有很大的提高。但当层厚大时,DLF成型的切片效率要高于SLM。2.5DLF与SLM快速成型技术的应用比较由于DLF采用的是送粉方式,而SLM采用的是铺粉方式,故SLM所加工零件的复杂程度要高于DLF技术成型件。因此,DLF一般用于粗加工制造毛坯件,或应用于零件的修复方面;而SLM快速成型技术则可以用于精密、复杂和小型零件的制造。3结语通过对DLF与SLM两种快速成型技术的分析比较得出以下结论:1)在成型精度方面,SLM要优于DLF技术;2)在成型件的力学性能方面,两者都具有较高的性能,均优于普通不锈钢;3)在组织性能方面,SLM与DLF基本上是相同的;4)在成型效率方面,