微小金

SLM制造金属微小结构件的可行性研究

张冬云;曹玄扬;李丛洋

【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金属快速成形设备分别制造薄壁结构

和微孔结构,分析了其制造极限和尺寸精度.结果表明:M270加工纯镍粉薄板的加工

极限为0.2mm.板厚0.2mm以上的薄壁成形稳定性很好,同一批次样件、同一样

件不同位置的误差均控制在20μm以下,实测尺寸与理论尺寸单边相差约40μm;孔

径0.3mm以上的小孔成形质量稳定,0.3mm以下出现不通气现象.小孔直径产生

60~90μm的收缩,纵向(Z向)成形比横向(Y向)成形质量高,表面粗糙度值随孔径的

增大而减小,到0.45mm孔径后趋于平缓.

【期刊名称】《电加工与模具》

【年(卷),期】2016(000)003

【总页数】5页(P42-46)

【关键词】选择性激光熔化成形;微小结构;加工极限;尺寸误差;尺寸精度

【作者】张冬云;曹玄扬;李丛洋

【作者单位】北京工业大学激光工程研究院,北京市数字化医疗3D打印工程技术

研究中心,北京100124;北京工业大学激光工程研究院,北京市数字化医疗3D打印

工程技术研究中心,北京100124;北京工业大学激光工程研究院,北京市数字化医疗

3D打印工程技术研究中心,北京100124

【正文语种】中文

【中图分类】TG669

选择性激光熔化成形（lectivelarmelting，SLM）是一种激光直接制造技术，

它是在选择性激光烧结成形的基础上，结合激光熔覆技术的特点发展而来的［1］。

该技术以激光束为热源，以逐层添加的方式，根据CAD数据直接成形具有特定几

何形状的零件，成形过程中使被加工的金属粉末及其下层的固态材料都发生融化，

从而形成冶金结合［2-4］。它与传统的加工模式不同，是通过数字化的成形技术，

自动、直接、快速、整体且精确地将设计思想转化为具有一定功能的模型或零件

［5-7］。增材制造（以前也称为快速成形）技术最初只能加工少数低熔点的材料

（如光敏树脂塑料、纸、特种蜡等），经历了近30年的发展，现在已能进行如锌、

铜、不锈钢、镍基合金、钴铬合金及钛合金等高熔点金属的快速成形制造［8］。

微小结构（如多孔材料、薄壁材料）等新型材料具有优异的物理性能和良好的机械

性能，被广泛应用到航空、电子、医用材料及生物化学领域［9］。传统的制造方

法在制造微小结构上工艺复杂且存在缺陷，SLM实现了从三维模型到实体金属零

件的直接制造，为微小结构的快速制造提供了一种便捷的方法。本文将以纯镍为材

料，对SLM技术制作微小结构的可行性进行探究。

1.1实验设备与材料

实验所用的选择性激光熔化设备为EOSM270金属成形机（图1）。工作舱尺寸

为250mm×250mm×220mm，加工的金属零件精度为20～50μm，致密度达

98%以上，最小壁厚为0.3～0.4mm，表面粗糙度（未抛光时）为Ra2.5～4.5

μm。该设备的成形速度为2～3mm3/s，分层厚度为0.02～0.04mm。采用PG

连续可调200W光纤激光器，波长为1.06μm，水循环冷却，焦平面光斑大小为

100～200μm。

实验采用的金属粉末材料为纯镍粉末，其成分见表1，基材为按照EOS底板标准

定制的45钢板，几何尺寸为260mm×260mm×30mm。实验前，统一用牌号

800#的砂纸进行打磨，去除表面的氧化层并提高平整度，再用酒精擦洗干净，去

除基材表面的油污，最后用压缩空气吹干。

1.2实验方法

实验的主要研究对象为薄壁结构和小孔结构。经前期工艺调试实验得出M270加

工纯镍粉的最佳成形参数见表2。

（1）SLM制造薄壁结构的可行性研究

薄壁实验设计的厚度分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mm，薄壁结构的长、宽均

为20mm。每个厚度的薄壁成形9个。

（2）SLM制造孔隙结构的可行性研究

小孔实验设计的孔径尺寸分别为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、

0.5、0.55、0.6mm，一字排开，其圆心间距为4mm。小孔方块外形尺寸为20

mm×10mm×3mm，圆孔深度为10mm。分别将圆孔横向成形和竖直成形2

组，每组3个。

2.1薄壁结构SLM制造

如图2所示，0.1mm薄壁强度很差，刮刀每刮一次粉都将前一层已烧结层刮坏，

粉末因此而铺展不均匀，继续激光扫描就会出现熔瘤或翘曲，当下一次刮刀再刮粉

时会与其碰撞，如此情况将愈演愈烈。0.2mm薄壁在成形过程前15mm良好，

当超过15mm时就出现类似0.1mm薄板的熔瘤或翘曲现象，所以0.2mm板

的成形极限高度为15mm，当超过后就会因为强度不够、刮粉时弹粉、粉末铺展

不好出现熔瘤和翘曲并与刮刀碰撞。其他厚度的薄板成形均良好，因此，M270加

工纯镍粉薄板的极限厚度为0.2mm。

成形后将样件从底板切下，随机标注1～9序号。用体视显微镜放大200倍对成形

良好的薄板进行观察，最小格为0.005mm，保留小数点后3位。按图3所示标

注位置进行测量汇总，结果见表3。可看出，M270加工纯镍粉薄壁的稳定性很好，

同一批次样件、同一样件不同位置的误差均控制在20μm以下。实测尺寸与理论

尺寸单边相差40μm左右，原因是激光与粉末相互作用过程中，熔融的金属会对

周围的粉末产生吸附作用，将其吸入熔池，但有部分粉末无法熔化而保持颗粒状粘

接在凝固的熔道上。这些未完全熔化的粉末颗粒在经过多层成形后会大量聚集粘附

在一起（图4），进而使壁厚尺寸偏大。外表面可在后续的喷砂磨抛中去掉，通道

内表面可通过磨抛或高压水冲刷等方法进行处理，以减小此类误差值。

2.2小孔结构SLM制造

通过不同直径尺寸的小孔测试纯镍材料成形小孔的能力、成形的质量和稳定性，通

过多组对比总结出SLM工艺成形精度及存在的尺寸误差。

成形后将样件从底板切下，并用压缩空气吹孔，发现2组中0.1、0.15、0.2mm

的圆孔不通气，0.25mm的圆孔通气量很少，切开后发现上述4个尺寸的孔形状

不明显。说明在此实验条件下，M270加工纯镍粉成形小孔的尺寸下限为0.3mm。

由于未进行后续处理的壁存在40～50μm的相对误差，则壁之间的孔缩小尺寸约

为100μm；另一个原因是光斑热影响区直径为0.2mm，所以前4个尺寸的孔成

形质量很差，且基本不通。此外，从直径0.4mm孔的2种摆放方式的成形光镜

中可观察到，竖放的圆孔（图5a）成形良好，横放的圆孔（图5b）由于SLM工

艺阶梯效应造成成形较差，数据参考性较差，因此，本实验将竖直成形作为实验数

据样件。

用体视显微镜放大200倍对成形良好的小孔进行观察，最小格为0.005mm，保

留小数点后3位。按图6所示标注位置进行测量汇总，结果见表4。可看出，圆

孔直径尺寸平均减小60～90μm，且随着孔径增大，减小量略有下降。这是由于

孔径越小，激光扫描孔径壁时，热影响区对孔内粉末的影响越明显，粘接粉末的量

越多，壁增厚的情况越明显，故孔径的减小量越大。成形越细微的结构，内部越易

形成粘连粉末，尺寸影响也越大。

通过M270对薄壁结构和小孔结构进行SLM

将成形圆孔方块沿中部切开，利用JB-8C型触针式粗糙仪按图7所示凹槽方向测

量其表面粗糙度，标记1～7#3个评定线，长度均为8mm，取样长度为0.8mm，

测量速度为0.2mm/s。处理后的测量数据见表5。

从图8可看出，圆孔表面粗糙度值随着孔径的增大而减小，且减小幅度趋于平缓。

这是因为孔径越小，激光扫描孔径壁时的热影响区对孔内粉末的影响越明显，粘接

粉末的量越多，表面粗糙度越差。提升孔内部表面质量的简单方法是利用高压水冲

刷圆孔内部通道，对0.4mm圆孔通道冲刷10min并切割制成的样件，其显微观

察见图9。可看出，成形圆孔经高压水冲刷后，粘连粉末和孔壁面突起的粉末熔瘤

被高压水冲刷掉，变成图9b所示较平滑的壁面，测得其表面粗糙度值约为Ra6

μm，孔径尺寸由原来的0.31mm变为0.38mm，提升明显。实验研究，得出以

下结论：

（1）纯镍粉薄板的加工极限为0.2mm。0.2mm以上的薄壁成形稳定性很好，

同一批次样件、同一样件不同位置的误差均控制在20μm以下。实测尺寸与理论

尺寸单边相差约40μm。

（2）小孔成形在0.3mm以上质量稳定，0.3mm以下出现不通气现象，大于

0.3mm的小孔径向产生了60～90μm的收缩。纵向成形的小孔质量比横向成形

的小孔质量高。圆孔表面粗糙度随着孔径的增大而减小，到0.45mm孔径后趋于

平缓。

（3）SLM技术在制造金属微小结构件上相对于传统制造方法具有明显的优势。

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