微小金

SLM制造金屬微小結構件的可行性研究

張冬云;曹玄揚;李叢洋

【摘要】Somethinwallstructuresandmicroporestructureswere

manufacturedbyM270equipmenttoevaluationtheprecisionandthe

ultsshowasfollow:thelimitsize

ofthicknessofthethinplate(madeofpurenickel)

dimensionerrorbetweendifferentplacesononethinplatewerelower

than20μsuredsizewasabout40μmthickerthanthe

itsizeofdiameterofthemicroporewas0.3mm.

Thecompresdaircannotpasstheporewhenthediameterlessthan0.3

suredsizeofthediameterwasabout60~90μmsmallerthan

lityoftheporebuildingbelongtheZ

directionwasbetterthantheporebuildingbelongtheYdirection.

Roughnessdecreaswithincreasingofthediameterofporesize,andto

beflattenoutafter0.45mm.%利用M270金屬快速成形設備分別制造薄壁結構

和微孔結構,分析了其制造極限和尺寸精度.結果表明:M270加工純鎳粉薄板的加工

極限為0.2mm.板厚0.2mm以上的薄壁成形穩定性很好,同一批次樣件、同一樣

件不同位置的誤差均控制在20μm以下,實測尺寸與理論尺寸單邊相差約40μm;孔

徑0.3mm以上的小孔成形質量穩定,0.3mm以下出現不通氣現象.小孔直徑產生

60~90μm的收縮,縱向(Z向)成形比橫向(Y向)成形質量高,表面粗糙度值隨孔徑的

增大而減小,到0.45mm孔徑后趨于平緩.

【期刊名稱】《電加工與模具》

【年(卷),期】2016(000)003

【總頁數】5頁(P42-46)

【關鍵詞】選擇性激光熔化成形;微小結構;加工極限;尺寸誤差;尺寸精度

【作者】張冬云;曹玄揚;李叢洋

【作者單位】北京工業大學激光工程研究院,北京市數字化醫療3D打印工程技術

研究中心,北京100124;北京工業大學激光工程研究院,北京市數字化醫療3D打印

工程技術研究中心,北京100124;北京工業大學激光工程研究院,北京市數字化醫療

3D打印工程技術研究中心,北京100124

【正文語種】中文

【中圖分類】TG669

選擇性激光熔化成形（lectivelarmelting，SLM）是一種激光直接制造技術，

它是在選擇性激光燒結成形的基礎上，結合激光熔覆技術的特點發展而來的［1］。

該技術以激光束為熱源，以逐層添加的方式，根據CAD數據直接成形具有特定幾

何形狀的零件，成形過程中使被加工的金屬粉末及其下層的固態材料都發生融化，

從而形成冶金結合［2-4］。它與傳統的加工模式不同，是通過數字化的成形技術，

自動、直接、快速、整體且精確地將設計思想轉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）技術最初只能加工少數低熔點的材料

（如光敏樹脂塑料、紙、特種蠟等），經歷了近30年的發展，現在已能進行如鋅、

銅、不銹鋼、鎳基合金、鈷鉻合金及鈦合金等高熔點金屬的快速成形制造［8］。

微小結構（如多孔材料、薄壁材料）等新型材料具有優異的物理性能和良好的機械

性能，被廣泛應用到航空、電子、醫用材料及生物化學領域［9］。傳統的制造方

法在制造微小結構上工藝復雜且存在缺陷，SLM實現了從三維模型到實體金屬零

件的直接制造，為微小結構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SLM技術制作微小結構的可行性進行探究。

1.1實驗設備與材料

實驗所用的選擇性激光熔化設備為EOSM270金屬成形機（圖1）。工作艙尺寸

為250mm×250mm×220mm，加工的金屬零件精度為20～50μm，致密度達

98%以上，最小壁厚為0.3～0.4mm，表面粗糙度（未拋光時）為Ra2.5～4.5

μm。該設備的成形速度為2～3mm3/s，分層厚度為0.02～0.04mm。采用PG

連續可調200W光纖激光器，波長為1.06μm，水循環冷卻，焦平面光斑大小為

100～200μm。

實驗采用的金屬粉末材料為純鎳粉末，其成分見表1，基材為按照EOS底板標準

定制的45鋼板，幾何尺寸為260mm×260mm×30mm。實驗前，統一用牌號

800#的砂紙進行打磨，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。

1.2實驗方法

實驗的主要研究對象為薄壁結構和小孔結構。經前期工藝調試實驗得出M270加

工純鎳粉的最佳成形參數見表2。

（1）SLM制造薄壁結構的可行性研究

薄壁實驗設計的厚度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mm，薄壁結構的長、寬均

為20mm。每個厚度的薄壁成形9個。

（2）SLM制造孔隙結構的可行性研究

小孔實驗設計的孔徑尺寸分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、

0.5、0.55、0.6mm，一字排開，其圓心間距為4mm。小孔方塊外形尺寸為20

mm×10mm×3mm，圓孔深度為10mm。分別將圓孔橫向成形和豎直成形2

組，每組3個。

2.1薄壁結構SLM制造

如圖2所示，0.1mm薄壁強度很差，刮刀每刮一次粉都將前一層已燒結層刮壞，

粉末因此而鋪展不均勻，繼續激光掃描就會出現熔瘤或翹曲，當下一次刮刀再刮粉

時會與其碰撞，如此情況將愈演愈烈。0.2mm薄壁在成形過程前15mm良好，

當超過15mm時就出現類似0.1mm薄板的熔瘤或翹曲現象，所以0.2mm板

的成形極限高度為15mm，當超過后就會因為強度不夠、刮粉時彈粉、粉末鋪展

不好出現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0.2mm。

成形后將樣件從底板切下，隨機標注1～9序號。用體視顯微鏡放大200倍對成形

良好的薄板進行觀察，最小格為0.005mm，保留小數點后3位。按圖3所示標

注位置進行測量匯總，結果見表3。可看出，M270加工純鎳粉薄壁的穩定性很好，

同一批次樣件、同一樣件不同位置的誤差均控制在20μm以下。實測尺寸與理論

尺寸單邊相差40μm左右，原因是激光與粉末相互作用過程中，熔融的金屬會對

周圍的粉末產生吸附作用，將其吸入熔池，但有部分粉末無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過多層成形后會大量聚集粘附

在一起（圖4），進而使壁厚尺寸偏大。外表面可在后續的噴砂磨拋中去掉，通道

內表面可通過磨拋或高壓水沖刷等方法進行處理，以減小此類誤差值。

2.2小孔結構SLM制造

通過不同直徑尺寸的小孔測試純鎳材料成形小孔的能力、成形的質量和穩定性，通

過多組對比總結出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，發現2組中0.1、0.15、0.2mm

的圓孔不通氣，0.25mm的圓孔通氣量很少，切開后發現上述4個尺寸的孔形狀

不明顯。說明在此實驗條件下，M270加工純鎳粉成形小孔的尺寸下限為0.3mm。

由于未進行后續處理的壁存在40～50μm的相對誤差，則壁之間的孔縮小尺寸約

為100μm；另一個原因是光斑熱影響區直徑為0.2mm，所以前4個尺寸的孔成

形質量很差，且基本不通。此外，從直徑0.4mm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

藝階梯效應造成成形較差，數據參考性較差，因此，本實驗將豎直成形作為實驗數

據樣件。

用體視顯微鏡放大200倍對成形良好的小孔進行觀察，最小格為0.005mm，保

留小數點后3位。按圖6所示標注位置進行測量匯總，結果見表4。可看出，圓

孔直徑尺寸平均減小60～90μm，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，熱影響區對孔內粉末的影響越明顯，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。成形越細微的結構，內部越易

形成粘連粉末，尺寸影響也越大。

通過M270對薄壁結構和小孔結構進行SLM

將成形圓孔方塊沿中部切開，利用JB-8C型觸針式粗糙儀按圖7所示凹槽方向測

量其表面粗糙度，標記1～7#3個評定線，長度均為8mm，取樣長度為0.8mm，

測量速度為0.2mm/s。處理后的測量數據見表5。

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。

這是因為孔徑越小，激光掃描孔徑壁時的熱影響區對孔內粉末的影響越明顯，粘接

粉末的量越多，表面粗糙度越差。提升孔內部表面質量的簡單方法是利用高壓水沖

刷圓孔內部通道，對0.4mm圓孔通道沖刷10min并切割制成的樣件，其顯微觀

察見圖9。可看出，成形圓孔經高壓水沖刷后，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，測得其表面粗糙度值約為Ra6

μm，孔徑尺寸由原來的0.31mm變為0.38mm，提升明顯。實驗研究，得出以

下結論：

（1）純鎳粉薄板的加工極限為0.2mm。0.2mm以上的薄壁成形穩定性很好，

同一批次樣件、同一樣件不同位置的誤差均控制在20μm以下。實測尺寸與理論

尺寸單邊相差約40μm。

（2）小孔成形在0.3mm以上質量穩定，0.3mm以下出現不通氣現象，大于

0.3mm的小孔徑向產生了60～90μm的收縮。縱向成形的小孔質量比橫向成形

的小孔質量高。圓孔表面粗糙度隨著孔徑的增大而減小，到0.45mm孔徑后趨于

平緩。

（3）SLM技術在制造金屬微小結構件上相對于傳統制造方法具有明顯的優勢。

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