SLM制造金屬微小結(jié)構(gòu)件的可行性研究

張冬云，曹玄揚(yáng)，李叢洋

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京市數(shù)字化醫(yī)療3D打印工程技術(shù)研究中心，北京100124）

SLM制造金屬微小結(jié)構(gòu)件的可行性研究

張冬云，曹玄揚(yáng)，李叢洋

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京市數(shù)字化醫(yī)療3D打印工程技術(shù)研究中心，北京100124）

利用M270金屬快速成形設(shè)備分別制造薄壁結(jié)構(gòu)和微孔結(jié)構(gòu)，分析了其制造極限和尺寸精度。結(jié)果表明：M270加工純鎳粉薄板的加工極限為0.2 mm。板厚0.2 mm以上的薄壁成形穩(wěn)定性很好，同一批次樣件、同一樣件不同位置的誤差均控制在20 μm以下，實(shí)測(cè)尺寸與理論尺寸單邊相差約40 μm；孔徑0.3 mm以上的小孔成形質(zhì)量穩(wěn)定，0.3 mm以下出現(xiàn)不通氣現(xiàn)象。小孔直徑產(chǎn)生60～90 μm的收縮，縱向（Z向）成形比橫向（Y向）成形質(zhì)量高，表面粗糙度值隨孔徑的增大而減小，到0.45 mm孔徑后趨于平緩。

選擇性激光熔化成形；微小結(jié)構(gòu)；加工極限；尺寸誤差；尺寸精度

選擇性激光熔化成形 （selective laser melting，SLM）是一種激光直接制造技術(shù)，它是在選擇性激光燒結(jié)成形的基礎(chǔ)上，結(jié)合激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的［1］。該技術(shù)以激光束為熱源，以逐層添加的方式，根據(jù)CAD數(shù)據(jù)直接成形具有特定幾何形狀的零件，成形過(guò)程中使被加工的金屬粉末及其下層的固態(tài)材料都發(fā)生融化，從而形成冶金結(jié)合［2-4］。它與傳統(tǒng)的加工模式不同，是通過(guò)數(shù)字化的成形技術(shù)，自動(dòng)、直接、快速、整體且精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的模型或零件［5-7］。增材制造（以前也稱為快速成形）技術(shù)最初只能加工少數(shù)低熔點(diǎn)的材料（如光敏樹(shù)脂塑料、紙、特種蠟等），經(jīng)歷了近30年的發(fā)展，現(xiàn)在已能進(jìn)行如鋅、銅、不銹鋼、鎳基合金、鈷鉻合金及鈦合金等高熔點(diǎn)金屬的快速成形制造［8］。

微小結(jié)構(gòu)（如多孔材料、薄壁材料）等新型材料具有優(yōu)異的物理性能和良好的機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用到航空、電子、醫(yī)用材料及生物化學(xué)領(lǐng)域［9］。傳統(tǒng)的制造方法在制造微小結(jié)構(gòu)上工藝復(fù)雜且存在缺陷，SLM實(shí)現(xiàn)了從三維模型到實(shí)體金屬零件的直接制造，為微小結(jié)構(gòu)的快速制造提供了一種便捷的方法。本文將以純鎳為材料，對(duì)SLM技術(shù)制作微小結(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行探究。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)所用的選擇性激光熔化設(shè)備為EOS M270金屬成形機(jī) （圖1）。工作艙尺寸為250 mm×250 mm×220 mm，加工的金屬零件精度為20～50 μm，致密度達(dá)98%以上，最小壁厚為0.3～0.4 mm，表面粗糙度（未拋光時(shí)）為Ra2.5～4.5 μm。該設(shè)備的成形速度為2～3 mm3/s，分層厚度為0.02～0.04 mm。采用PG連續(xù)可調(diào)200 W光纖激光器，波長(zhǎng)為1.06 μm，水循環(huán)冷卻，焦平面光斑大小為100～200 μm。

圖1　M270實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)采用的金屬粉末材料為純鎳粉末，其成分見(jiàn)表1，基材為按照EOS底板標(biāo)準(zhǔn)定制的45鋼板，幾何尺寸為260 mm×260 mm×30 mm。實(shí)驗(yàn)前，統(tǒng)一用牌號(hào)800#的砂紙進(jìn)行打磨，去除表面的氧化層并提高平整度，再用酒精擦洗干凈，去除基材表面的油污，最后用壓縮空氣吹干。

表1　純鎳粉末的成分

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)的主要研究對(duì)象為薄壁結(jié)構(gòu)和小孔結(jié)構(gòu)。經(jīng)前期工藝調(diào)試實(shí)驗(yàn)得出M270加工純鎳粉的最佳成形參數(shù)見(jiàn)表2。

（1）SLM制造薄壁結(jié)構(gòu)的可行性研究

薄壁實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的厚度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm，薄壁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬均為20 mm。每個(gè)厚度的薄壁成形9個(gè)。

表2 純鎳粉SLM成形參數(shù)

（2）SLM制造孔隙結(jié)構(gòu)的可行性研究

小孔實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的孔徑尺寸分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6 mm，一字排開(kāi)，其圓心間距為4 mm。小孔方塊外形尺寸為20 mm×10 mm×3 mm，圓孔深度為10 mm。分別將圓孔橫向成形和豎直成形2組，每組3個(gè)。

2　結(jié)果與分析

2.1薄壁結(jié)構(gòu)SLM制造

如圖2所示，0.1 mm薄壁強(qiáng)度很差，刮刀每刮一次粉都將前一層已燒結(jié)層刮壞，粉末因此而鋪展不均勻，繼續(xù)激光掃描就會(huì)出現(xiàn)熔瘤或翹曲，當(dāng)下一次刮刀再刮粉時(shí)會(huì)與其碰撞，如此情況將愈演愈烈。0.2 mm薄壁在成形過(guò)程前15 mm良好，當(dāng)超過(guò)15 mm時(shí)就出現(xiàn)類似0.1 mm薄板的熔瘤或翹曲現(xiàn)象，所以0.2 mm板的成形極限高度為15 mm，當(dāng)超過(guò)后就會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度不夠、刮粉時(shí)彈粉、粉末鋪展不好出現(xiàn)熔瘤和翹曲并與刮刀碰撞。其他厚度的薄板成形均良好，因此，M270加工純鎳粉薄板的極限厚度為0.2 mm。

圖2　薄壁、小孔SLM成形樣件

成形后將樣件從底板切下，隨機(jī)標(biāo)注1～9序號(hào)。用體視顯微鏡放大200倍對(duì)成形良好的薄板進(jìn)行觀察，最小格為0.005 mm，保留小數(shù)點(diǎn)后3位。按圖3所示標(biāo)注位置進(jìn)行測(cè)量匯總，結(jié)果見(jiàn)表3?？煽闯觯琈270加工純鎳粉薄壁的穩(wěn)定性很好，同一批次樣件、同一樣件不同位置的誤差均控制在20 μm以下。實(shí)測(cè)尺寸與理論尺寸單邊相差40 μm左右，原因是激光與粉末相互作用過(guò)程中，熔融的金屬會(huì)對(duì)周圍的粉末產(chǎn)生吸附作用，將其吸入熔池，但有部分粉末無(wú)法熔化而保持顆粒狀粘接在凝固的熔道上。這些未完全熔化的粉末顆粒在經(jīng)過(guò)多層成形后會(huì)大量聚集粘附在一起（圖4），進(jìn)而使壁厚尺寸偏大。外表面可在后續(xù)的噴砂磨拋中去掉，通道內(nèi)表面可通過(guò)磨拋或高壓水沖刷等方法進(jìn)行處理，以減小此類誤差值。

圖3　薄板樣件測(cè)量位置

2.2小孔結(jié)構(gòu)SLM制造

通過(guò)不同直徑尺寸的小孔測(cè)試純鎳材料成形小孔的能力、成形的質(zhì)量和穩(wěn)定性，通過(guò)多組對(duì)比總結(jié)出SLM工藝成形精度及存在的尺寸誤差。

成形后將樣件從底板切下，并用壓縮空氣吹孔，發(fā)現(xiàn)2組中0.1、0.15、0.2 mm的圓孔不通氣，0.25 mm的圓孔通氣量很少，切開(kāi)后發(fā)現(xiàn)上述4個(gè)尺寸的孔形狀不明顯。說(shuō)明在此實(shí)驗(yàn)條件下，M270加工純鎳粉成形小孔的尺寸下限為0.3 mm。由于未進(jìn)行后續(xù)處理的壁存在40～50 μm的相對(duì)誤差，則壁之間的孔縮小尺寸約為100 μm；另一個(gè)原因是光斑熱影響區(qū)直徑為0.2 mm，所以前4個(gè)尺寸的孔成形質(zhì)量很差，且基本不通。此外，從直徑0.4 mm孔的2種擺放方式的成形光鏡中可觀察到，豎放的圓孔（圖5a）成形良好，橫放的圓孔（圖 5b）由于SLM工藝階梯效應(yīng)造成成形較差，數(shù)據(jù)參考性較差，因此，本實(shí)驗(yàn)將豎直成形作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣件。

圖4　薄壁側(cè)面掃描電鏡圖

圖5　直徑0.4 mm孔的2種擺放方式的成形光鏡圖

表3　薄板厚度測(cè)量數(shù)據(jù)mm

用體視顯微鏡放大200倍對(duì)成形良好的小孔進(jìn)行觀察，最小格為0.005 mm，保留小數(shù)點(diǎn)后3位。按圖6所示標(biāo)注位置進(jìn)行測(cè)量匯總，結(jié)果見(jiàn)表4?？煽闯觯瑘A孔直徑尺寸平均減小60～90 μm，且隨著孔徑增大，減小量略有下降。這是由于孔徑越小，激光掃描孔徑壁時(shí)，熱影響區(qū)對(duì)孔內(nèi)粉末的影響越明顯，粘接粉末的量越多，壁增厚的情況越明顯，故孔徑的減小量越大。成形越細(xì)微的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部越易形成粘連粉末，尺寸影響也越大。

表4　圓孔直徑測(cè)量數(shù)據(jù)mm

表5　不同圓孔表面粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)

3　結(jié)論

通過(guò)M270對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)和小孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行SLM

圖6　圓孔直徑測(cè)量位置圖

將成形圓孔方塊沿中部切開(kāi)，利用JB-8C型觸針式粗糙儀按圖7所示凹槽方向測(cè)量其表面粗糙度，標(biāo)記1～7#3個(gè)評(píng)定線，長(zhǎng)度均為8 mm，取樣長(zhǎng)度為0.8 mm，測(cè)量速度為0.2 mm/s。處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

圖7　圓孔表面粗糙度測(cè)量位置

從圖8可看出，圓孔表面粗糙度值隨著孔徑的增大而減小，且減小幅度趨于平緩。這是因?yàn)榭讖皆叫?，激光掃描孔徑壁時(shí)的熱影響區(qū)對(duì)孔內(nèi)粉末的影響越明顯，粘接粉末的量越多，表面粗糙度越差。提升孔內(nèi)部表面質(zhì)量的簡(jiǎn)單方法是利用高壓水沖刷圓孔內(nèi)部通道，對(duì)0.4 mm圓孔通道沖刷10 min并切割制成的樣件，其顯微觀察見(jiàn)圖9?？煽闯觯尚螆A孔經(jīng)高壓水沖刷后，粘連粉末和孔壁面突起的粉末熔瘤被高壓水沖刷掉，變成圖9b所示較平滑的壁面，測(cè)得其表面粗糙度值約為Ra6 μm，孔徑尺寸由原來(lái)的0.31 mm變?yōu)?.38 mm，提升明顯。實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）純鎳粉薄板的加工極限為0.2 mm。0.2 mm以上的薄壁成形穩(wěn)定性很好，同一批次樣件、同一樣件不同位置的誤差均控制在20 μm以下。實(shí)測(cè)尺寸與理論尺寸單邊相差約40 μm。

（2）小孔成形在0.3 mm以上質(zhì)量穩(wěn)定，0.3 mm以下出現(xiàn)不通氣現(xiàn)象，大于0.3 mm的小孔徑向產(chǎn)生了60～90 μm的收縮?？v向成形的小孔質(zhì)量比橫向成形的小孔質(zhì)量高。圓孔表面粗糙度隨著孔徑的增大而減小，到0.45 mm孔徑后趨于平緩。

圖8　圓孔表面粗糙度與孔徑的關(guān)系

圖9　0.4 mm圓孔高壓水沖刷對(duì)比圖

（3）SLM技術(shù)在制造金屬微小結(jié)構(gòu)件上相對(duì)于傳統(tǒng)制造方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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The Feasibility Study on Manufacturing the Metal Micro Structure by SLM

Zhang Dongyun，Cao Xuanyang，Li Congyang
（Beijing Engineering Research Center of 3D Printing for Digital Medical Health，Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Some thin wall structures and micro pore structures were manufactured by M270 equipment to evaluation the precision and the manufacturing limit of dimension.The results show as follow：the limit size of thickness of the thin plate（made of pure nickel）was 0.2 mm.The dimension error between different places on one thin plate were lower than 20 μm.The measured size was about 40 μm thicker than the theoretical size.The limit size of diameter of the micro pore was 0.3 mm.The compressed air can not pass the pore when the diameter less than 0.3 mm.The measured size of the diameter was about 60～90 μm smaller than the theoretical diameter.The quality of the pore building belong the Z direction was better than the pore building belong the Y direction.Roughness decreases with increasing of the diameter of pore size，and to be flatten out after 0.45 mm.

selectivelasermelting；microstructure；manufacturinglimit；dimensionerror；dimension precision

TG669

A

1009－279X（2016）03－0042-05

2016-01-11

北京市科委重大資助項(xiàng)目（Z141100002814011）；北京自然科技基金重點(diǎn)研究專題資助項(xiàng)目（Z140002）

張冬云，女，1969年生，副教授。