SLM金属3D打印技术应用案例

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SLM金属3D打印技术应用案例

 

SLM技术是利用高能量激光束将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化，由下而上逐层打印实体零件的一种AM方法。SLM技术的优势在于所制造的金属零件具有较高的尺寸精度和较好的表面质量以及近乎100%的致密度, 且能够自由设计, 相比传统工艺其基本不需要后续的再加工, 能大大缩短加工周期, 避免材料的浪费, 减少昂贵的模具费用。其局限性在于:1) 由于SLM技术正处于发展期, 设备组件成本高, 无法实现批量生产； 2) 加工所需要的金属粉末因为标准不统一, 粉末质量参差不齐, 价格也较为昂贵； 3) 随着对SLM工业应用要求的提高, 提升成型金属零件的力学性能、尺寸精度、表面粗糙度、拉伸性能和抗疲劳强度等成为一大难题。下面我简单介绍SLM技术的几种应用。

1.航空航天领域的应用

传统的航空航天组件加工需要耗费很长的时间， 在铣削的过程中需要移除高达95%(体积分数)的昂贵材料。采用SLM方法成型航空金属零件， 可以极大节约成本并提高生产效率。Ti-6Al-4V(Ti64)具有密度低、强度高、可加工性好、力学性能优异、耐腐蚀性好的特点， 是航空零部件中最为广泛使用的材料之一。

西北工业大学和中国航天科工集团北京动力机械研究所于2016年联合实现了SLM技术在航天发动机涡轮泵上的应用， 在国内首次实现了三维(3D)打印技术在转子类零件上的应用。图12所示为Brandt等采用SLM直接制造出的航天转轴结构组件， 图13所示为美国GE/Morris公司采用SLM技术制造的一系列复杂航空部件。此外， 美国NASA公司从2012年开始采用SLM技术制造航天发动机中的一些复杂部件

2.生物医学应用

AM技术在国内医疗行业的应用始于上世纪80年代后期， 最初主要用于快速制造3D医疗模型。随着AM技术的发展以及医疗行业精准化、个性化的需求增长， SLM技术在医疗行业的应用也越来越广泛， 逐渐用于制造骨科植入物、定制化假体和假肢、个性化定制口腔正畸托槽和口腔修复体等。图14所示为Wang等用SLM技术成型的316L不锈钢脊柱外科手术导板。图15所示为Song等利用SLM成型的个性化膝关节假体。

传统心血管支架制作工艺基于微管生产和激光显微切削, Demir等采用SLM技术成型了钴铬合金心血管支架, 如图16所示, 其中Ppeak为该实验所用金属3D打印机激光器的峰值功率, t为脉冲宽度。图17所示为Khorasani等采用SLM技术成型的Ti-6Al-4V人工髋臼外壳, 通过分析优化SLM过程中的工艺参数改进了假体髋臼壳的成型效果。Liverani等采用SLM技术成型了钴铬钼合金踝关节内部假体植入物(如图18所示), 为了提高成型件的致密度和机械强度, 进行了工艺参数优化, 结果表明, 其功能完整且性能表现良好。Taniguchi等研究了SLM成型的多孔钛植入物(如图19所示)对兔体内骨向内生长的影响, 多孔钛植入物的参数为：预期孔隙率65%, 孔径300, 600, 900 μm(分别对应P300, P600和P900), 研究结果表明, P600型植入物的多孔结构最为合适。

3.模具行业的应用

SLM技术在模具行业中的应用主要包括成型冲压模、锻模、铸模、挤压模、拉丝模和粉末冶金模等。Mahshid等采用SLM技术成型了带有随形冷却通道的结构件， 测试了采用细胞晶格结构后零件的工件强度。实验设计了四种结构:实体、空心、晶格结构和旋转的晶格结构(如图20所示), 分别进行了压缩实验， 结果显示:相对于实体结构， 带有晶格结构的样件强度有所降低； 相对于中空结构， 带有晶格结构的样件强度没有明显增加。Armillotta等采用SLM技术成型了带有随形冷却通道的压铸模具(如图21所示), 实验结果表明:随形冷却的存在减少了喷雾冷却次数， 提高了冷却速率， 冷却效果更均匀， 铸件表面的质量有所提高， 缩短了周期时间并且避免了缩孔现象发生。