概述 SLM 三维打印
SLM（选择性激光熔融）是一种增材制造或三维打印技术，它使用激光将金属粉末熔融成实体三维物体。SLM 适用于将钛合金、铝合金、不锈钢、钴铬合金和镍合金等活性高强度金属加工成具有复杂几何形状的功能性致密部件。
SLM 三维打印 其工作原理是利用聚焦激光束有选择地熔化层层叠加的金属粉末。激光在 CAD 模型切片所定义的位置完全熔化并融合颗粒。扫描完每一层后，再涂上一层新的粉末，然后重复这一过程，直到整个部件成型。用 SLM 制造的零件具有与传统制造相当或更高的性能。
SLM 能够生产高密度、轻质、复杂的金属部件，并具有传统方法无法实现的增强机械性能和形状，因而备受推崇。请继续阅读有关 SLM 3D 打印的深入指南，内容包括其主要特点、应用、规格、供应商、成本、利弊等。
SLM 技术的主要特点
| 特征 | 说明 |
|---|---|
| 精确度 | SLM 可以构建极其复杂和精细的结构，其小特征的分辨率可低至 30 微米。 |
| 复杂性 | SLM 不受工具限制，可以创建复杂的形状，如晶格、内部通道和优化的拓扑结构。 |
| 密度 | SLM 生产出超过 99% 的致密金属零件，其材料性能接近锻造金属。 |
| 表面处理 | 虽然可能需要进行后处理，但 SLM 可提供 25-35 μm Ra 的表面粗糙度。 |
| 准确性 | SLM 的尺寸精度为 ±0.1-0.2%，公差为 ±0.25-0.5%。 |
| 单步 | SLM 可直接从三维模型中生成功能齐全的零件，无需额外的工具步骤。 |
| 自动化 | SLM 流程是自动化的，只需极少的人工。浪费也更少。 |
| 定制 | SLM 允许快速、灵活和经济高效地进行定制和迭代。 |
SLM 三维打印的主要应用
SLM 最适合需要复杂性和定制化的中小批量生产。它广泛应用于各行各业的金属原型和终端生产部件。一些主要应用包括
| 地区 | 用途 |
|---|---|
| 航空航天 | 涡轮叶片、发动机部件、晶格结构。 |
| 汽车 | 轻量化组件、定制支架、复杂端口设计。 |
| 医疗 | 病人专用植入物、假肢、手术工具。 |
| 牙科 | 由生物相容性钴铬合金制成的牙冠、牙桥和植入物。 |
| 工具 | 带有保形冷却通道的注塑模具。 |
| 珠宝 | 使用贵金属的复杂设计和结构。 |
| 国防 | 用于车辆、飞机和防弹衣插入件的轻质部件。 |
该技术可生产具有更强机械性能和复杂几何形状的全功能金属零件，因此被广泛应用于航空航天、国防、汽车和医疗保健等行业。
可持续土地管理设计指南和规格
正确的零件设计对于避免残余应力、变形、表面光洁度差和缺乏熔合缺陷等 SLM 生产问题至关重要。需要考虑的问题包括
| 设计方面 | 指导方针 |
|---|---|
| 最小壁厚 | ~0.3-0.5 毫米，以避免塌陷和残余应力过大。 |
| 孔径 | >直径大于 1 毫米，以便清除未熔化的粉末。 |
| 支持角度 | 避免与水平面成 30° 以下的角度，因为这些角度需要支撑。 |
| 空心型材 | 包括用于从内腔清除粉末的排粉孔。 |
| 表面处理 | 关键表面所需的设计定位和后处理。 |
| 支持 | 使用导热圆筒或格子支撑，以防止部件变形。 |
| 文本 | 文字浮雕高度为 0.5-2 毫米，清晰易读。 |
| 公差 | 考虑 +/- 0.1-0.2% 尺寸精度和各向异性效应。 |
通过遵循增材制造设计 (DFAM) 原则，可以对零件进行优化，以充分利用 SLM 在复杂性、减重、性能提升和组件整合方面的优势。
SLM 系统尺寸规格
| 参数 | 典型范围 |
|---|---|
| 建筑围护结构 | 100-500 毫米 x 100-500 毫米 x 100-500 毫米 |
| 激光功率 | 100-500 W |
| 层厚 | 20-100 μm |
| 光束尺寸 | 30-80 μm |
| 扫描速度 | 最高 10 米/秒 |
| 惰性腔尺寸 | 直径 0.5-2 米 |
SLM 系统的特点是一个充满惰性气体的腔体、一个粉末重涂装置和一个聚焦到极小点的高功率激光器，用于熔化金属粉末层。更大的构建体积和更高的激光功率可支持更大的零件和更快的构建速度。
SLM 工艺参数
| 可变 | 角色 |
|---|---|
| 激光功率 | 粉末颗粒的熔化和融合。 |
| 扫描速度 | 控制总的能量输入和冷却率。 |
| 舱口间距 | 重叠的熔池可实现均匀固结。 |
| 层厚 | 分辨率和表面粗糙度 |
| 焦点偏移 | 激光光斑大小和穿透深度 |
| 扫描策略 | 热量和残余应力分布均匀。 |
优化 SLM 工艺参数有助于实现最大的零件密度、最小的缺陷、受控的微观结构和机械性能、良好的表面光洁度和几何精度。
SLM 粉末要求
| 特征 | 典型规格 |
|---|---|
| 材料 | 不锈钢、铝、钛、钴铬合金、镍合金。 |
| 颗粒大小 | 10-45 μm 的典型范围。 |
| 尺寸分布 | D90/D50 比率 < 5。分布窄，流动性好。 |
| 形态学 | 低卫星的球形或土豆形颗粒。 |
| 纯净 | >99.5%，氧气、氮气和氢气含量较低。 |
| 表观密度 | 40-60% 具有良好的粉末流动性和包装密度。 |
通过 SLM 制造高密度和高质量的零件需要高纯度、具有可控粒度分布和形态的球形粉末。符合这些标准的粉末可在分层构建过程中顺利实现再涂层。
SLM 后处理步骤
虽然 SLM 可生产出接近净形的零件，但通常需要进行一些后处理：
| 方法 | 目的 |
|---|---|
| 除粉 | 清理内腔中的松散粉末。 |
| 支持拆除 | 切断用于固定部件的支撑结构。 |
| 表面处理 | 通过喷砂、数控加工、抛光等方法降低粗糙度。 |
| 热处理 | 释放应力，实现理想的机械性能。 |
| 热等静压 | 封闭残余孔隙，均匀结构。 |
通过多轴数控加工、研磨、抛光、蚀刻和其他表面处理方法进行后处理，有助于实现最终应用所需的关键尺寸、光滑表面和美观度。
SLM 印刷的成本分析
| 成本因素 | 典型范围 |
|---|---|
| 机器价格 | $100,000 至 $1,000,000+ |
| 材料价格 | 每公斤 $100 至 $500 |
| 运营成本 | 每构建小时 $50 至 $500 |
| 劳动 | 机器操作、后处理 |
| 粉末回收 | 可大幅降低材料成本 |
SLM 印刷的主要成本来自初始系统采购、材料、机器操作和人工。大批量生产具有规模经济效益。回收未使用的粉末可降低材料成本。
选择 SLM 3D 打印机供应商
| 考虑因素 | 指导 |
|---|---|
| 打印机型号 | 比较构建体积、材料、精度和速度规格。 |
| 制造商信誉 | 研究经验、客户评价和案例研究。 |
| 服务与支持 | 考虑培训、维护合同、响应速度。 |
| 软件功能 | 评估易用性、灵活性和功能。 |
| 生产量 | 与生产量和交货时间需求相匹配。 |
| 质量程序 | 审查可重复性、质量保证步骤和部件验证。 |
| 提供后期处理 | 提供热等静压、表面处理等服务。 |
领先的 SLM 系统制造商包括 EOS、3D Systems、SLM Solutions、Renishaw 和 AMCM。选择供应商时，应评估机器规格、制造商声誉、质量程序、服务和成本。
SLM 印刷的优缺点
| 优势 | 缺点 |
|---|---|
| 其他方法无法实现的复杂几何形状 | 小制造量限制了零件尺寸 |
| 快速设计迭代 | 大规模生产过程缓慢 |
| 集成轻质组件 | 机器和材料成本高 |
| 卓越的机械性能 | 材料选择有限 |
| 减少浪费 | 可能需要支撑结构 |
| 及时生产 | 经常需要后期处理 |
SLM 三维打印技术提供了前所未有的设计自由度、零件整合、轻质强度和定制潜力。缺点包括系统成本、速度慢、尺寸限制和材料限制。
常见问题
以下是有关选择性激光熔化技术一些常见问题的答案：
SLM 可以打印哪些材料？
SLM 适用于活性金属和高强度金属，包括不锈钢、铝、钛、钴铬合金、镍合金等。每种系统都针对特定的材料性能而设计。
SLM 印刷的精确度如何？
SLM 的精度约为±0.1-0.2%，表面粗糙度为 25-35 μm Ra，具体取决于材料、参数和零件几何形状。分辨率可达 30 μm。
SLM 打印部件的强度如何？
SLM 可生产出超过 99% 的致密金属零件，其材料强度可媲美或优于传统的金属制造方法。
SLM 制造的组件有哪些示例？
SLM 广泛应用于航空航天、医疗、牙科、汽车和其他行业，如涡轮叶片、植入物、注塑模具和轻质支架。
SLM 可以打印多大尺寸的零件？
典型的 SLM 制造体积范围为 100-500 mm x 100-500 mm x 100-500 mm。更大的系统适用于更大的零件。尺寸受到腔体和所需支架的限制。
SLM 印刷需要多长时间？
构建时间从数小时到数天不等，取决于部件尺寸、层厚度和平台中包装的部件数量等因素。SLM 打印金属的速度为 5-100 立方厘米/小时。
可持续土地管理是否需要支持？
在 SLM 打印过程中，通常需要最小的支撑结构。它们可作为锚和热导体，防止在构建过程中发生变形。打印完成后，支撑结构将被移除。
SLM 可以达到什么温度？
SLM 中的局部激光可在熔池中短暂达到 10,000 ℃，然后迅速冷却，形成凝固的金属。腔室的工作温度低于 100 °C。
SLM 与其他 3D 打印有何不同？
SLM 使用激光将金属粉末完全熔化成致密的功能部件。其他金属三维打印技术，如粘合剂喷射技术，则使用胶水和烧结技术，产生更多孔的效果。
可持续土地管理流程的主要步骤是什么？
- 将 CAD 模型以数字方式分层
- 粉末在建造平台上滚动
- 激光扫描每一层，熔化粉末颗粒
- 重复步骤 2-3，直至部件完成
- 后处理，如去除支撑物和表面抛光
SLM 使用什么粉末？
SLM 使用 10-45 μm 的细金属粉末，具有球形形态和可控的粒度分布。常见的材料有不锈钢、钛、铝、镍合金等。
哪些行业使用 SLM 印刷？
航空航天、医疗、牙科、汽车、模具和珠宝行业利用 SLM 技术生产复杂、可定制的高精度和高强度金属零件。
SLM 印刷的成本有多高？
SLM 的系统成本很高，从 $100,000 到 $1,000,000+ 不等。材料为 $50-500/公斤。生产量越大，规模经济越明显。运营成本为 $50-500/小时。
可持续土地管理需要采取哪些安全预防措施？
SLM 涉及激光危险、热表面、反应性精细金属粉末和潜在排放物。必须使用适当的激光安全设备、惰性气体通风设备和个人防护设备。
结论
SLM 快速成型制造技术在生产致密、坚固的金属部件方面具有非凡的能力，其结构完整性与机加工部件类似。与传统制造方法相比，它扩大了设计自由度、复杂性、定制化、轻量化和整合的可能性。然而，该工艺的系统成本高、制造速度慢。
随着材料、质量、制造尺寸、精度、软件和参数方面的不断进步，SLM 在航空航天、医疗、牙科、汽车和其他行业的终端生产应用中的应用正在加速。制造商在充分利用 SLM 优势的同时，也要注意其局限性，这样才能利用 SLM 获得竞争优势。