金属激光三维打印工艺优化(附件)
选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）是最具发展潜力的增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术之一。根据原有实验参数，以H13不锈钢金属粉末为原材料，针对选择性激光熔化3D打印方法，将精度、表面质量和致密度作为优化目标，在3D打印设备上进行工艺单因素和多因素的优化实验。通过整理和分析实验数据，得出更加合理高效的成形工艺方案，在基于复杂的三维实体造型的基础上，运用该方案加工出成型件。经过对成形试件力学性能（拉伸、扭转、冲击、硬度）的检测，发现加工出来的复杂成形件的精度、表面质量和致密度均得到有效优化。关键词 激光熔化，3D打印，工艺，优化
目录
1 引言 1
1.1 课题来源及研究目的 1
1.2 国内外3D打印技术研究进展 1
2 选择性激光熔化技术 2
3 实验条件 3
3.1 实验设备 3
3.2 实验材料 6
3.3 实验流程 6
4 SLM成形工艺优化 8
4.1 单因素优化 8
4.2 多因素优化 11
5 成形件性能检测 13
5.1 阿基米德排水法测密度 13
5.2 拉伸实验? 14
5.3 冲击实验 16
5.4 硬度测试 18
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 课题来源及研究目的
选择性激光熔化(SLM)三维打印是常见的五种金属激光三维打印技术里面应用最多的一种逐点、逐线、逐面的增材制造方法，它几乎可以把任何类型的打印材料金属材料当做；随着科研人员的努力，这种技术适用的打印材料越来越多，科研人员又将根据它的工艺特殊性，创造适合于其本身工艺特殊性的大量新材料，从而有效的推动了材料科学技术的发展。[1]
选择性激光熔化技术的依据是根据成形过程中的离散与堆叠的基础上的。从逐点到逐线最后完成逐面三维实体的一系列成形过程都是在高能激光束的作用下实现的，所以成形设备当中的激光器尤为重要，价格也十分昂贵。[2] *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
选择性激光熔化技术具有生产成本低、周期短、材料利用率高的商业优势，成形件还有组织均匀、致密度高、晶体细微、成形不受零件复杂程度限制等优点。目前，选择性激光熔化技术已在模具、雕像、珠宝行业、生物医学乃至航天航空等领域得到了很高的认可度。
H13钢作为典型的热作模具钢，得益于材料本身良好的特性使其能够在非常恶劣的环境中经得起各种严峻的考验，并且可以抗拒各种温度的骤然变化。
基于此，本文主要对H13不锈钢在原有的HRPMⅡSLM成形设备对的工艺参数基础上，再确立更加优良的成形工艺参数，并对试样进行致密度测量，然后对其表面质量、粗糙度和精度分析，然后与传统成形方法加工的试样进行比较。
1.2 国内外3D打印技术研究进展
自从2002年以后，国内意识到了选择性激光熔化技术的发展潜力，以华中科技大学、华南理工大学为代表的一些高校投入大量人力物力到SLM设备的研究当中。2006年华科大在SLM技术上取得了傲人的成绩，先后推出了多款SLM设备。[3]其中最杰出的当属HRPM系统SLM成形设备，型号分别是 HRPMI和 HRPMII。HRPMI可成形件尺寸可达 250 mm×250 mm×450 mm，最大功扫描率达250W，激光扫描方式是根据三维振镜动态聚焦进行，最大扫描速度可达到 5000 m/s，在当时的技术里可傲视群雄了，相当厉害。铺粉系统采用送粉缸和工作缸模式，其铺粉层厚可在 0.040.10mm之间设置。HRPMII 是在HRPMI的基础上进行软件和硬件的同时升级，成形空间为提升到300 mm×300 mm×450 mm，采用不间断式激光器，最大功率可达400 W，激光扫描方式采用二维振镜聚焦，送粉方式采用送粉缸和工作缸模式。[4]从此初步解决了易变形、成形尺寸小的问题。华南理工大学紧随其后，通过不懈的努力，终于在激光烧结(SLS)的基础上进行改进,成功研究出可成型尺寸为80mm×80mm×50mm的SLM快速成型设备。可惜的是，无论是工件的成形质量还是力学性能都不高,甚至还未达到传统机加工的标准。知道了我国在金属激光3D打印技术上与西方发达国家有很大的差距，特别是美国和德国，于是便对其开展了长期的、积极的探索。功夫不负有心人，我国终于在3D 成形设备的制造技术、材料技术、设计与系统开发、3D 打印工业应用等方面上都取得关键性进展。
3D打印技术本身就来自国外，经过多年的研究和探索，选区激光熔化（SLM）技术有了非常大的提升。德国的Fraunhofer研究院早在2000年以前就提出了选区激光熔化（SLM）技术，2002年推出了SLM设备，比中国整整早了四年，但是以德国的工业水平，这四年的差距足够中国追赶20年了。德国的第一代SLM成形设备就能够成形出精度和致密度较高、机械性能较好的试件了。日本也成功研发出SLM设备，采用平均功率为50W、铺粉厚度为0.1mm、扫描速度可达4000mm/s,虽然成形金属零件致密度可达92%,但成形效率令人大失所望[4]。目前国际上较先进的成型设备可以实现每小时可以打印出垂直高度达25mm打印速率，不但如此，还可实现24位色彩的彩色打印这在工艺技术上是史无前例的。[5]
2 选择性激光熔化技术
选择性激光熔化（SLM）技术是以能量值非常高的激光束为能量源，直接将激光扫描到的金属粉末熔化成流体，经过快速冷却后形成冶金结合。在计算机辅助软件的帮助下，经过对三维建模的计算分析，完成一系列的分层切片计算处理，按照逐点、逐线、逐层的过程完成打印。该成形过程是根据增材制造（AM）概念，不需要设计和制造任何魔剧，因此针对小批量生产，其成形成本较低，效率较高的优势，并且理论上可以成形传统工艺无法加工的复杂零部件。
SLM 技术可以用于大多数常见合金化粉末作为成形材料，金属粉末被激光进行完全熔化，与传统锻造相比更符合新时代新技术的发展。如果能够把成形工艺参数难以掌握这一难题克服了，就可以完成将未熔化的金属粉末与粉体下层已成形的部分同时熔化而结合到一个整体，这样就可以实现增材堆积制造的目标了。与选择性激光烧结技术相比较，SLM 技术更加符合各方面需求，性能接近传统锻造工艺甚至还优于传统锻造工艺。
目录
1 引言 1
1.1 课题来源及研究目的 1
1.2 国内外3D打印技术研究进展 1
2 选择性激光熔化技术 2
3 实验条件 3
3.1 实验设备 3
3.2 实验材料 6
3.3 实验流程 6
4 SLM成形工艺优化 8
4.1 单因素优化 8
4.2 多因素优化 11
5 成形件性能检测 13
5.1 阿基米德排水法测密度 13
5.2 拉伸实验? 14
5.3 冲击实验 16
5.4 硬度测试 18
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 课题来源及研究目的
选择性激光熔化(SLM)三维打印是常见的五种金属激光三维打印技术里面应用最多的一种逐点、逐线、逐面的增材制造方法，它几乎可以把任何类型的打印材料金属材料当做；随着科研人员的努力，这种技术适用的打印材料越来越多，科研人员又将根据它的工艺特殊性，创造适合于其本身工艺特殊性的大量新材料，从而有效的推动了材料科学技术的发展。[1]
选择性激光熔化技术的依据是根据成形过程中的离散与堆叠的基础上的。从逐点到逐线最后完成逐面三维实体的一系列成形过程都是在高能激光束的作用下实现的，所以成形设备当中的激光器尤为重要，价格也十分昂贵。[2] *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
选择性激光熔化技术具有生产成本低、周期短、材料利用率高的商业优势，成形件还有组织均匀、致密度高、晶体细微、成形不受零件复杂程度限制等优点。目前，选择性激光熔化技术已在模具、雕像、珠宝行业、生物医学乃至航天航空等领域得到了很高的认可度。
H13钢作为典型的热作模具钢，得益于材料本身良好的特性使其能够在非常恶劣的环境中经得起各种严峻的考验，并且可以抗拒各种温度的骤然变化。
基于此，本文主要对H13不锈钢在原有的HRPMⅡSLM成形设备对的工艺参数基础上，再确立更加优良的成形工艺参数，并对试样进行致密度测量，然后对其表面质量、粗糙度和精度分析，然后与传统成形方法加工的试样进行比较。
1.2 国内外3D打印技术研究进展
自从2002年以后，国内意识到了选择性激光熔化技术的发展潜力，以华中科技大学、华南理工大学为代表的一些高校投入大量人力物力到SLM设备的研究当中。2006年华科大在SLM技术上取得了傲人的成绩，先后推出了多款SLM设备。[3]其中最杰出的当属HRPM系统SLM成形设备，型号分别是 HRPMI和 HRPMII。HRPMI可成形件尺寸可达 250 mm×250 mm×450 mm，最大功扫描率达250W，激光扫描方式是根据三维振镜动态聚焦进行，最大扫描速度可达到 5000 m/s，在当时的技术里可傲视群雄了，相当厉害。铺粉系统采用送粉缸和工作缸模式，其铺粉层厚可在 0.040.10mm之间设置。HRPMII 是在HRPMI的基础上进行软件和硬件的同时升级，成形空间为提升到300 mm×300 mm×450 mm，采用不间断式激光器，最大功率可达400 W，激光扫描方式采用二维振镜聚焦，送粉方式采用送粉缸和工作缸模式。[4]从此初步解决了易变形、成形尺寸小的问题。华南理工大学紧随其后，通过不懈的努力，终于在激光烧结(SLS)的基础上进行改进,成功研究出可成型尺寸为80mm×80mm×50mm的SLM快速成型设备。可惜的是，无论是工件的成形质量还是力学性能都不高,甚至还未达到传统机加工的标准。知道了我国在金属激光3D打印技术上与西方发达国家有很大的差距，特别是美国和德国，于是便对其开展了长期的、积极的探索。功夫不负有心人，我国终于在3D 成形设备的制造技术、材料技术、设计与系统开发、3D 打印工业应用等方面上都取得关键性进展。
3D打印技术本身就来自国外，经过多年的研究和探索，选区激光熔化（SLM）技术有了非常大的提升。德国的Fraunhofer研究院早在2000年以前就提出了选区激光熔化（SLM）技术，2002年推出了SLM设备，比中国整整早了四年，但是以德国的工业水平，这四年的差距足够中国追赶20年了。德国的第一代SLM成形设备就能够成形出精度和致密度较高、机械性能较好的试件了。日本也成功研发出SLM设备，采用平均功率为50W、铺粉厚度为0.1mm、扫描速度可达4000mm/s,虽然成形金属零件致密度可达92%,但成形效率令人大失所望[4]。目前国际上较先进的成型设备可以实现每小时可以打印出垂直高度达25mm打印速率，不但如此，还可实现24位色彩的彩色打印这在工艺技术上是史无前例的。[5]
2 选择性激光熔化技术
选择性激光熔化（SLM）技术是以能量值非常高的激光束为能量源，直接将激光扫描到的金属粉末熔化成流体，经过快速冷却后形成冶金结合。在计算机辅助软件的帮助下，经过对三维建模的计算分析，完成一系列的分层切片计算处理，按照逐点、逐线、逐层的过程完成打印。该成形过程是根据增材制造（AM）概念，不需要设计和制造任何魔剧，因此针对小批量生产，其成形成本较低，效率较高的优势，并且理论上可以成形传统工艺无法加工的复杂零部件。
SLM 技术可以用于大多数常见合金化粉末作为成形材料，金属粉末被激光进行完全熔化，与传统锻造相比更符合新时代新技术的发展。如果能够把成形工艺参数难以掌握这一难题克服了，就可以完成将未熔化的金属粉末与粉体下层已成形的部分同时熔化而结合到一个整体，这样就可以实现增材堆积制造的目标了。与选择性激光烧结技术相比较，SLM 技术更加符合各方面需求，性能接近传统锻造工艺甚至还优于传统锻造工艺。
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