1、DLF和SLM激光快速成型方法的比較激光直接制造(Direct Laser Fabrication, DLF)技術和選擇性激光熔化(Selective Laser Melting , SLM技術是目前較為成熟和先 進的激光快速成型技術，涉及機械、材料、激光、計算機和自動控制 等多學科領域，充分體現了現代科學發展多學科交叉的特點，具有廣 泛的研究和發展前景。DLF技術是基于激光快速成型的“離散一堆積”、“添加式制造” 的基本概念和激光熔覆技術而發展起來的金屬零件全密度全功能快 速直接制造技術。其實質是利用送粉式激光熔覆逐點、逐層沉積，實 現三維任意形狀高性能金屬零件的近凈成型。SLM技術是以選擇

2、性激光燒結(Selective I . aserSinter , SLS) 技術為基礎，基于快速成型的最基本思想，即逐層熔覆的“增量”制 造方式，根據三維CADI型直接成型具有特定幾何形狀的零件，成型 過程中金屬粉末完全熔化，產生冶金結合。它是快速成型技術的 最新發展。本文采用DLF和SLM5種激光快速成型技術進行一系列實驗，根 據實驗結果，比較分析兩種快速成型方法在成型精度和效率、成型件 力學性能和組織結構等方面的異同，為激光快速成型方法的選擇提供 一定的技術依據。1 DLF和SLM激光快速成型技術的原理1.1 DLF激光快速成型技術的原理DLF 技術是將快速成型(Rapid Prototy

3、ping , RP)技術和激光熔覆技術相結合，以激光作為加工能源，以金屬粉末為加工原料，在金 屬基板上逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術。DLF快速成型技術的基本原理哺1如圖1所示，先利用三維CA軟件(如UGPro/E, Solidworks)生成所需制造零件的三維CADI型，并轉換成STL格式； 再利用切片技術將吼格式的CA模型按照一定的層厚進行分層切片， 提取每一層切片所產生的輪廓；然后根據切片輪廓設計合理的掃描路 徑，并轉換成相應的計算機數字控制 (Computer Nome ncal Co ntrol , CNC工作臺指令；激光束在CN指令控制下進行掃描加工，將加工原 料進行熔覆

4、，生成和這一層形狀、尺寸一致的熔覆層。完成這一過程 后，聚焦鏡、同軸送粉噴嘴等整體上移(或工作臺下移)一個層厚的高 度，并重復上述過程，如此逐層熔覆堆積直到形成CA模型所設計的形狀，加T出所需的金屬零件為提高表面質量和避免加工缺陷，加工 過程可在氣體保護下進行。FJJ圖1 DLF快速成型技術的基本原理1 . 2 SLM激光快速成型技術的原理SLM快速成型技術的基本原理如圖2所示r圖2 SLM快速成型技術的基本原理在制造過程中，鋪粉裝置按設定的層厚將金屬粉末均勻地鋪設在基板 上；激光在振鏡控制下對需要熔化的區域進行掃描熔化；然后，基板 下降一個層厚，重復下層的加工，如此往復，金屬零件一層層地被加

5、 工完成。2 DLF和SLM勺比較研究2. 1 DLF和 SLM成型精度的比較由于DLF激光快速成型是采用開環控制，屬于自由成型，所以實際成 型高度誤差日和z軸增量有很大的關系，因為Z軸增量決定了聚焦透 鏡和制造工件之間的垂直距離，其大小直接影響到激光光斑的大 小，進而影響激光能量密度的大小。在切片層厚T=0. 04nun、功率P=200W送粉量M=4 2s/min、掃描速度V=900mpf min條件下的單道熔覆咼度測量值為0. 056mm在此丁藝參數條件下，分別利用不同的 Z軸增量，加工100層，測量其最終成型高度，并計算、分析其和高度 設計值之間的差值。多層熔覆高度的實際值和設計值的差即

6、成型高 度誤差（ H）和z軸增量的關系如圖3所示，從圖3中可以看出，當Z軸 增量在0。03 0.10m之間變化時，日較小，其中當z軸增量為0.04mm 時，成型實際高度為4. 1mln,加工100層后日值最小為0. 1mm分 析原因為：在進行多層熔覆時，如果 Z軸增量等于實際每層熔覆層的 高度，聚焦透鏡和工件之問的距離可以保持恒定，從而保證了光斑大小在T件表面始終不變，即保證了激光能量密度不變，此時的z軸增量 為最佳值。當Z軸增量超過0. 16mr時，則根本無法形成薄壁形狀。所 以此成型參數下的最佳Z軸增量值為0. 04.11 r1098 -7 -UIE>b【X Hpftistejte&

7、#174;43 -21 -0 -1 L23一 _ 6810121416圖3z軸增量和成型高度誤差的關系從圖3可以看出，以0. 04mr的切片層厚進行加工，每100層高度誤差為0. 1mm相對誤差達到2. 5%。利用圖4所示的零件進行SLM激光快 速成型精度的研究。其成型零件實物如圖 5所示，測量其長、寬、高 的實際尺寸數值（取三次測量值的平均值），和設計值進行比較，結果 如表1所示。a104»圖4 SLM快速成型精度研究零件圖5 SLM快速成型金屬零件實物表1 SLM快速成型件尺寸誤差測量結果尺寸方向設計值/mm測址值/mtn誤差/mm長1010.240. 2410-0. 14高)0

8、10.060.06高76,86-0. 14高43.99-0.01寬77.080.08寬46.99-0.01從表1可知，7個尺寸誤差的平均值為0. 011mm相對誤差為1.1%。 研究結果表明，SLM快速成型技術的制造精度比較高。DLF快速成型方 法，在z軸方向上加工誤差較大，加工精度較低，和 DLF相比，SLM在 零/部件的制造精度方面具有明顯的優勢。2. 2 DLF和SLM成型金屬零件力學性能的比較本文主要從拉伸強度和 顯微硬度兩個方面分析、比較兩種方法成型件的力學性能。實驗材料 配方見表2。DLF和SLM成型件的力學性能實驗結果如表3所示。表2實驗材料配方%FeCrNiMo17420. 1

9、表3 DLF和SLM成型件力學性能實驗結果成型方法拉伸強度內平均顯微硬度/H¥ DLF912261SLM635307從表3可以看出，DLF成型技術所制備的金屬零件在拉伸強度方面要優 于SLM但在顯微硬度方面要低于SLM主要原因為：在非加工硬化的 條件下，金屬材料的硬度和平均晶粒大小有關，其關系式可以表示(1)為：比二0-1布式中：以為金屬材料的硬度；Hi、K分別為和硬度測量有關的適當常 數；d為平均晶粒直徑。由于用SLM成型技術加工零件的掃描速度要大 大高于DLF,所以組織晶粒細小，故硬度較高。但總體來說，兩種方 法的成型件在力學性能方面均優于普通的奧氏體不銹鋼。2. 3 DLF和

10、SLM成型金屬零件組織結構的比較利用DLF和SLM技術制造金相試樣，并進行SE掃描，金相組織如圖6、 圖7所示。圖6 DLF成型件金相組織圖7 SIAI成型件金相組織從圖6a和圖7a可以看出，兩種方法激光掃描路徑清晰可見，DLF和SLM 均為層疊式制造，由于重熔影響，重熔區的晶粒較粗大，且破壞了定 向凝固特征，因此層和層之間具有明顯的分層現象。從圖6b和圖7b可以看出，DLF和SLM成型件金相組織的高倍形貌均為枝狀晶，定向凝固特征明顯，晶粒生長方向均為溫度梯度大的方向， 即基板法線方向 的相反方向。DLF和 SLM成型件的組織結構基本相同，且成型后的物相 均為奧氏體，和成型前的粉末物相相同。2

11、. 4 DLF和SLM成型效率的比較以20ramx 20mM 10m長方體為例，分析比較DLF和SLM快速成型的加 工效率。根據本文第2. 1所述結論，即z軸增量為0. 04ranfl寸，成型 高度誤差最小，故按0. 04m對長方體進行分層切片，加工工藝參 數如表4所示，加工時間對比如表5所示。表4 DLF和SLM快速成型加工工藝參數成刖 切片層單道熔積 搭接 加匸 方送厚/mm寬度/mm率層數跳轉速度/打描速度/(mm - min 1 ) ( mm min "1 )DU0.040.75332511500900SLM0.040.123325160000 10000»5DLF

12、與SLM快速成型加工時間對比成型方法加工一層所需時間"加工總時間幾DLF543.765SLM242.26由表5可知：在相同切片層厚條件下，SLM成型所花費時間和DLF成型 所花時間的比值為2. 26/3. 77=0. 6,由此可見SLM激光快速成型技 術較DLF技術在加T效率方面有很大的提高。但當層厚大時， DLF成型 的切片效率要高于SLM2. 5 DLF和SLM快速成型技術的使用比較由于DLF采用的是送粉方式，而SLM采用的是鋪粉方式，故SLM所加工 零件的復雜程度要高于DLF技術成型件。因此，DLF一般用于粗加工制 造毛坯件，或使用于零件的修復方面；而 SLM快速成型技術 則可

13、以用于精密、復雜和小型零件的制造。3結語通過對DLF和SLM兩種快速成型技術的分析比較得出以下結論：1）在成型精度方面，SLMg優于DLF技術；2）在成型件的力學性能方面，兩者都具有較高的性能，均優于普通不 銹鋼；3）在組織性能方面，SLMfH DLF基本上是相同的；4）在成型效率方面，如果切片層厚相同， SLM勺成型效率要高于DLF;5）在使用場合方面，DLF主要用于粗加工或零件修復等方面，而 SLM 可用于精密、復雜零件的制造。SLS和SLA兩種快速成型的對比激光快速成型在制作手板模型的使用上，主要有兩種加工方式， 分別為SLS （激光選區燒結法）快速成型系統和 SLA （光固化成型 法）快速成型系統兩種方式。SLS和SLA快速成型之間的區別和相同點分析：兩者原理都是非常相似的。前者所用的材質是粉末狀的物質，而 后者所采用的一種液態形狀的光敏樹脂，所以前者比后者的優點在 于，凡是可以溶解的所有粉末狀的物質， 都是可以用來制造原型或者 模型的，所制造出來的產品都是可以用作產品的首