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基于SLM的金属3D打印工艺参数理论研究
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基于SLM的金属3D打印工艺参数理论研究

SLM技术成形是一个复杂的物理冶金过程,其成形过程中会涉及诸多的物理现象,包括激光能量的吸收和传递、材料与外界的热对流、粉末颗粒间的热传递、微观组织的演变、材料的熔化和汽化、化学反应等。


SLM成形过程的能量传递过程是非常复杂的,首先高能激光束作为热源其能量呈高斯分布,距离热源位置不同将呈现温度梯度;其次成形过程热源是快速移动的,高能激光束按照预定扫描路径快速的选择性熔化金属粉末,整个能量传递过程迅速而且呈非线性;最后高能激光束熔化金属粉末形成熔池,熔池内会发生物理化学反应。而且成形材料不同热物理特性也是不同的,不同的激光功率、扫描速度、扫描路径、扫描间距等都会对SLM成形过程产生影响,使得成形工件的微观组织形貌、力学性能等有所差别,进而影响SLM成形件的成形质量和使用性能。


在SLM成形过程中激光热源位置移动方式的改变将会影响成形过程温度场分布情况和温度梯度,导致产生不同的热应为。选择合适的激光扫描路径,有利于SLM成形过程热应为的释放,减小成形件残余应为的产生。几种常用的扫描路径,单向扫描的优点是系统处理简单,但容易导致成形件两端应力分布不均;S形扫描可以在一定程度上改善单向担掘导致的应力分布不均现象,但当直线扫描距离过长时也容易引起翘曲变形;交叉扫描即每层重熔扫描,可实现减少应力,改善裂纹和气孔;短直线扫描可以在一定程度上实现应力释放的目的,降低翘曲变形的发生;等距渐进扫描其扫描方向不断发生改变,有利于降低收缩变形。


有研究表明,扫描路径对成形材料的织构存在较大影响,当采用不变方向的扫描路径时,获得的织构指数较大,呈现各向同性,采用频繁变换方向的扫描路径时,织构指数下降,呈现各向异性,因此SLM成形可以通过改变扫描路径来获得微观晶体结构的各向同性或各向异性。


扫描间距是激光束前后两次扫描行与行之间的距离。扫描间距的大小会影响到激光束热量的传输分布,直接影响到每层材料的成形质量,是SLM成形的一个重要工艺参数。扫描间距过大时,扫描区域彼此分离,两次扫描行与行之间区域的金属粉末吸收激光能量小,导致金属粉末不能熔化,两熔道搭接率低,成形的金属层表面凹凸不平,成形件质量差;扫描间距过小时,扫描区域大部分重叠,两次扫描行与行之间区域部分金属重熔,可能导致成形件发生翘曲变形、收缩,甚至发生材料汽化,成形效率化会相应降低;扫描间距合适时,扫描区域部分重叠,两溶道搭接合理,成形的金属表面均匀,成形件质量好。



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