金属3d打印机械性能分析
选区激光熔化成形工艺是薄壁复杂件的一种新的制造方法，针对不同材料，其成形工艺也各有不同，且成形件的机械性能和致密度也不同，目前绝大多数还达不到产品的使用要求。针对316不锈钢材料，以机械性能和致密度为优化目标，在选区激光熔化3D打印设备上运用正交实验法进行了工艺多因素寻优实验，分析了实验数据，得出了合理的成形工艺方案。运用该方案，基于复杂三维实体造型，加工出了316不锈钢成形件。经检测，复杂成形件的机械性能和致密度值达到了优化目的，为进一步研究金属材料的成形质量提供参考。关键词 金属材料，3D打印，机械性能，分析优化目 录
1 引言 1
1.1金属3D打印研究近况与成型技术的发展1
1.2本课题所研究的内容和目标 1
2 实验2
2.1实验设备及材料2
2.2实验原理7
2.3实验方法10
2.4实验结果与分析11
3 试件机械性能检测 12
3.1试件制备12
3.2实验仪器18
3.3力学性能测试与分析19
4 成形实例 24
结论 27
致谢 28
参考文献29
1 引言
1．1 金属3D打印研究近况与成型技术的发展
三维激光打印技术 具有原料利用率高，薄壁复杂件容易成型等优点，在航空航天，模具和生物医学领域将具有广阔的应用前景，然而这些领域对成形件各方面性能要求高，目前很多成形件的质量和性能还达不到使用要求。提高质量、改善机能，一直成为海内外诸多学者的研究热点[1～4]。
国外关于激光3D打印技术已有大量研究，主要集中于欧美，亚洲的日本和新加坡[5,6]。德国的Fraunhofer研究所于1995年提出了选区激光熔化（SLM）技术，2002年推出了SLM设备，并成形出了致密度与精度高、机械性能好的金属零件。比利时鲁汶大学开发出了激光功率300W、扫描速率5000mm/s、铺粉层厚10μm的SLM设备。2012年美国国家增材制造创新研究所创立，专门研究激光3D打印技术[7]。日本的Osakada实验室研制出SLM设备，采用平均功率50W，铺粉层厚
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
]。德国的Fraunhofer研究所于1995年提出了选区激光熔化（SLM）技术，2002年推出了SLM设备，并成形出了致密度与精度高、机械性能好的金属零件。比利时鲁汶大学开发出了激光功率300W、扫描速率5000mm/s、铺粉层厚10μm的SLM设备。2012年美国国家增材制造创新研究所创立，专门研究激光3D打印技术[7]。日本的Osakada实验室研制出SLM设备，采用平均功率50W，铺粉层厚为0.1mm，扫描速率3～4mm/s，金属成形件致密度达92% [7]，但成形效率极低。
近年来，国内的华中科技大学、华南理工大学等高校致力于SLM的研究，西北工业大学、北京航天航天大学、北京有色金属总院和清华大学等机构着重于激光熔化沉积的探究[8～10]。华中科大大学在SLM技术上获得一批研究成果，先后推出了多款SLM设备，初步解决了成形尺寸大、易变形的难题。华南理工大学在激光烧结（SLS）的根本上进行了改进,创造出了80mm×80mm×50mm的SLM快速成型设备。但总体上，工件的成形质量和力学性能还不很高，好多还未达到传统机加工的指标要求。
1．2 本课题所研究的内容和目标
作者针对316不锈钢材料，以金属成型件机械性能为优化目标，基于选区激光熔化3D打印设备开展成形工艺优化实验研究，期提出合理的成形工艺方案，以提高机械性能，促进我国3D打印装备及其技术的进步。
2 实验
2．1 实验设备及材料
2.1.1 SLM成型设备
SLM的英文全称是“selective laster melting” 直译为“选区激光熔化”，我国通常将SLM成形机称为选区激光熔化成形机。国外生产SLM成形机的厂家主要有EOS公司，3D Symtems公司。RENISHAW公司。Concept Laster 公司和MCP公司，国内研制，生产SLM成形机的单位主要有武汉滨湖机电技术产业有限公司，武汉光电国家实验室（筹），北京隆源自动成型系统有限公司，湖南华曙高科技有限责任公司和华南理工大学。这些成形机的工作原理相同，但供粉系统和激光扫面系统可能有所差别。
1)供粉系统 SLM成形机的供粉系统有下供粉和上供粉两种结构形式。图2-1所示是下供粉式SLM成形机的原理，这种成形机由激光器（或Nd:YAG激光器）、X-Y扫描振镜、位于工作台下方的供粉缸（2个）和成形缸，以及铺粉辊等构成。采用的粉材可以是塑料粉、铸造用树脂覆膜砂陶、瓷粉或者金属粉与黏结剂的混合物、金属粉等。这种成形机的工作过程是：(供粉缸中的活塞在步进电动机的驱动下，向上移动一个分层厚度，使活塞上方的粉末高出供粉缸一个分层厚度。(供粉缸上方的铺粉辊沿水平方向自左向右运动，在工作台的上方铺一层粉末。(工作台上方的加入系统将工作台上的粉末预热至低于烧结点的温度。④激光器发出的激光束经计算机操控的振镜反射后，根据成形件截面表面的信息，对工作台上的粉末进行区扫描，使粉末温度上升到熔化点，粉末表层熔化互相黏结，渐渐获得成形件的一层截面片。在非熔化区，粉末仍呈疏松状，作为加工件，下一层粉末的支撑。⑤一层成形完成后，成形缸活塞带动工作台降低一个分层厚度然后进行下一步的铺粉和烧结，如此循环，最终烧结成3D工件。为提高成形效率，成形机的右侧也设置了一套供粉缸，以便再铺粉棍由右向左回程时铺粉。
图2-1 下供粉式SLM成形机原理
图2-2所示是上供粉式SLM成形机的原理，其供粉系统设置在成形室的上方，通过步进电动机驱动的槽形辊的转动，控制粉斗中的粉末下落至工作台上，再用铺粉辊进行铺粉。这种成形机的成形室处于密闭状态，可通过真空泵抽真空和通入保护气体，防止正在烧结成形的金属工件氧化。
图 2-2上供粉式SLM成形机原理
图2-3所示是设有两套激光扫描系统的上供粉式SLM成形机，常用来烧结大型塑料件和大型铸造用树脂覆膜砂型。
2)激光扫描系统 SLM成形机的激光扫描系统有振镜扫描式和激光头扫描式的两种，其中，振镜扫描式激光式扫描系统如图 至图 所示，这种系统中的一个振镜的扫面范围有限，当成形件和相应的工作台较大时需采用多个振镜组合（见图 ）。
图 2-3 双激光扫描系统的SLM成形机原理
本课题成形设备采用上供粉式JHL125 SLM 3D打印机（图2-4
1 引言 1
1.1金属3D打印研究近况与成型技术的发展1
1.2本课题所研究的内容和目标 1
2 实验2
2.1实验设备及材料2
2.2实验原理7
2.3实验方法10
2.4实验结果与分析11
3 试件机械性能检测 12
3.1试件制备12
3.2实验仪器18
3.3力学性能测试与分析19
4 成形实例 24
结论 27
致谢 28
参考文献29
1 引言
1．1 金属3D打印研究近况与成型技术的发展
三维激光打印技术 具有原料利用率高，薄壁复杂件容易成型等优点，在航空航天，模具和生物医学领域将具有广阔的应用前景，然而这些领域对成形件各方面性能要求高，目前很多成形件的质量和性能还达不到使用要求。提高质量、改善机能，一直成为海内外诸多学者的研究热点[1～4]。
国外关于激光3D打印技术已有大量研究，主要集中于欧美，亚洲的日本和新加坡[5,6]。德国的Fraunhofer研究所于1995年提出了选区激光熔化（SLM）技术，2002年推出了SLM设备，并成形出了致密度与精度高、机械性能好的金属零件。比利时鲁汶大学开发出了激光功率300W、扫描速率5000mm/s、铺粉层厚10μm的SLM设备。2012年美国国家增材制造创新研究所创立，专门研究激光3D打印技术[7]。日本的Osakada实验室研制出SLM设备，采用平均功率50W，铺粉层厚
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
]。德国的Fraunhofer研究所于1995年提出了选区激光熔化（SLM）技术，2002年推出了SLM设备，并成形出了致密度与精度高、机械性能好的金属零件。比利时鲁汶大学开发出了激光功率300W、扫描速率5000mm/s、铺粉层厚10μm的SLM设备。2012年美国国家增材制造创新研究所创立，专门研究激光3D打印技术[7]。日本的Osakada实验室研制出SLM设备，采用平均功率50W，铺粉层厚为0.1mm，扫描速率3～4mm/s，金属成形件致密度达92% [7]，但成形效率极低。
近年来，国内的华中科技大学、华南理工大学等高校致力于SLM的研究，西北工业大学、北京航天航天大学、北京有色金属总院和清华大学等机构着重于激光熔化沉积的探究[8～10]。华中科大大学在SLM技术上获得一批研究成果，先后推出了多款SLM设备，初步解决了成形尺寸大、易变形的难题。华南理工大学在激光烧结（SLS）的根本上进行了改进,创造出了80mm×80mm×50mm的SLM快速成型设备。但总体上，工件的成形质量和力学性能还不很高，好多还未达到传统机加工的指标要求。
1．2 本课题所研究的内容和目标
作者针对316不锈钢材料，以金属成型件机械性能为优化目标，基于选区激光熔化3D打印设备开展成形工艺优化实验研究，期提出合理的成形工艺方案，以提高机械性能，促进我国3D打印装备及其技术的进步。
2 实验
2．1 实验设备及材料
2.1.1 SLM成型设备
SLM的英文全称是“selective laster melting” 直译为“选区激光熔化”，我国通常将SLM成形机称为选区激光熔化成形机。国外生产SLM成形机的厂家主要有EOS公司，3D Symtems公司。RENISHAW公司。Concept Laster 公司和MCP公司，国内研制，生产SLM成形机的单位主要有武汉滨湖机电技术产业有限公司，武汉光电国家实验室（筹），北京隆源自动成型系统有限公司，湖南华曙高科技有限责任公司和华南理工大学。这些成形机的工作原理相同，但供粉系统和激光扫面系统可能有所差别。
1)供粉系统 SLM成形机的供粉系统有下供粉和上供粉两种结构形式。图2-1所示是下供粉式SLM成形机的原理，这种成形机由激光器（或Nd:YAG激光器）、X-Y扫描振镜、位于工作台下方的供粉缸（2个）和成形缸，以及铺粉辊等构成。采用的粉材可以是塑料粉、铸造用树脂覆膜砂陶、瓷粉或者金属粉与黏结剂的混合物、金属粉等。这种成形机的工作过程是：(供粉缸中的活塞在步进电动机的驱动下，向上移动一个分层厚度，使活塞上方的粉末高出供粉缸一个分层厚度。(供粉缸上方的铺粉辊沿水平方向自左向右运动，在工作台的上方铺一层粉末。(工作台上方的加入系统将工作台上的粉末预热至低于烧结点的温度。④激光器发出的激光束经计算机操控的振镜反射后，根据成形件截面表面的信息，对工作台上的粉末进行区扫描，使粉末温度上升到熔化点，粉末表层熔化互相黏结，渐渐获得成形件的一层截面片。在非熔化区，粉末仍呈疏松状，作为加工件，下一层粉末的支撑。⑤一层成形完成后，成形缸活塞带动工作台降低一个分层厚度然后进行下一步的铺粉和烧结，如此循环，最终烧结成3D工件。为提高成形效率，成形机的右侧也设置了一套供粉缸，以便再铺粉棍由右向左回程时铺粉。
图2-1 下供粉式SLM成形机原理
图2-2所示是上供粉式SLM成形机的原理，其供粉系统设置在成形室的上方，通过步进电动机驱动的槽形辊的转动，控制粉斗中的粉末下落至工作台上，再用铺粉辊进行铺粉。这种成形机的成形室处于密闭状态，可通过真空泵抽真空和通入保护气体，防止正在烧结成形的金属工件氧化。
图 2-2上供粉式SLM成形机原理
图2-3所示是设有两套激光扫描系统的上供粉式SLM成形机，常用来烧结大型塑料件和大型铸造用树脂覆膜砂型。
2)激光扫描系统 SLM成形机的激光扫描系统有振镜扫描式和激光头扫描式的两种，其中，振镜扫描式激光式扫描系统如图 至图 所示，这种系统中的一个振镜的扫面范围有限，当成形件和相应的工作台较大时需采用多个振镜组合（见图 ）。
图 2-3 双激光扫描系统的SLM成形机原理
本课题成形设备采用上供粉式JHL125 SLM 3D打印机（图2-4
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