新型选区激光熔化设备开发与工艺研究

摘要

作为一种集激光、机械、计算机、材料科学等技术为一体的增材制造工艺，选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)具有传统加工工艺无法替代的优势。然而国内对SLM设备和工艺研究的滞后严重阻碍了该技术在国内的推广与应用。为了更好地满足国内增材制造业对SLM成形设备的迫切需求和加工应用需要，本文自主研究设计了一套新型选区激光熔化设备，并在此设备基础上进行了初步的SLM工艺试验研究。
　　在SLM设备开发研制方面，针对目前SLM设备存在的问题和不足，提出了采用X-Y平面式扫描机构和上置式供粉机构等新颖机构的设备总体设计方案，然后依次对设备的扫描系统、粉末供给系统、保护系统等进行了结构设计。针对实际加工过程中铺粉不均匀和粉仓漏粉的问题，设计了柔性铺粉装置和粉末转子定量装置;设计的粉仓悬挂装置极大提高了设备清理及粉末更换的便捷性，溢粉保护装置解决了粉末加载时粉末溢出造成不必要浪费的问题。结合设备各子系统结构方案及系统精度要求，确定了各运动系统的机械传动方案，并完成了设备的零部件制备和集成装配。
　　在SLM工艺试验研究方面，首先通过单道扫描试验，得出了激光功率和扫描速度对单道扫描熔覆带外观形貌、宽度和高度的影响规律;其次通过单层扫描试验，得到了扫描间距对单层熔化层外观形貌和层高的影响规律;然后进行了实体试样成形试验，对比分析了不同铺粉厚度对实体试样成形质量的影响，结果显示铺粉厚度越小，试块的致密度越高，而试块的维氏硬度分布在330～450之间，且随着与基板距离的增大有缓慢减小的趋势;而对精度试样进行的测量结果表明设备的成形精度可达40μm，满足产品加工要求;最后在工艺试验研究结果基础上选取了合适的工艺参数进行复杂金属零件及模型的SLM成形加工，得到了表面质量良好、成形精度较高的制件。

目录

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摘要

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附表索引

第1章 绪论

1．1 增材制造技术简介

1．2 选区激光熔化技术概述

1．2．1 选区激光熔化技术的基本原理

1．2．2 选区激光熔化技术的特点

1．3 选区激光熔化的研究现状及进展

1．3．1 选区激光熔化设备研究现状

1．3．2 金属材料选区激光熔化工艺研究现状

1．3．3 选区激光熔化技术的应用及发展趋势

1．4 课题来源、目的及意义

1．5 课题的主要研究内容

第2章 选区激光熔化设备结构设计

2．1 新型选区激光熔化设备的系统组成分析

2．2 光学系统

2．2．1 激光器选择

2．2．2 光学扫描系统

2．3 粉末系统

2．3．1 粉仓及粉末定量机构

2．3．2 铺粉机构

2．3．3 粉末循环系统

2．4 保护系统

2．4．1 气体保护系统

2．4．2 冷却水保护系统

2．5 机械传动

2．5．1 机械传动方案

2．5．2 运动精度理论计算

2．6 装配后的设备

2．7 本章小结

第3章 工艺试验方案

3．1 试验材料

3．2 试验设备及控制软件

3．3 试验过程

3．3．1 数据模型建立与预处理

3．3．2 粉末预处理

3．3．3 基板选择与预处理

3．3．4 内部填充方式

3．3．5 工艺参数选取

3．4 试样测试方法与设备

3．4．1 形貌观察

3．4．2 致密度分析

3．4．3 显微硬度测定

3．5 本章小结

第4章 试验结果及分析

4．1 单道扫描

4．1．1 激光功率对单道扫描熔覆带宽度、高度及外观形貌的影响

4．1．2 扫描速度对单道扫描熔覆带宽度、高度及外观形貌的影响

4．2 单层扫描

4．2．1 扫描间距对单层扫描熔覆层外观形貌的影响

4．2．2 扫描间距对单层扫描熔覆层高度的影响

4．3 实体试样成形

4．3．1 形貌观察

4．3．2 致密度分析

4．3．3 显微硬度测定

4．4 精度试样成形

4．5 复杂零件熔化成形

4．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢