3D打印SLM技术在机械自动化加工中的应用研究

发布时间：2022-10-21 10:55:05 浏览数：次

摘要：3D打印技术是一种快速成型技术，逐渐在机械自动化制造业得到了应用。金属零件3D打印技术是先进机械自动化制造技术的重要发展方向。目前SLM的研究和开发是国内外快速成型领域的新热点。本文以SLM为研究对象，简要阐述了SLM的基本组成和成型原理，在对比国内外SLM技术的基础上，分析研究了SLM技术未来的发展方向。开发高效率、高性价比、大范围和结合传统机加工方法的SLM设备，是未来金属3D打印的发展方向。

关键词：3D打印 SLM 机械自动化应用

中图分类号：TP334.8 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）04-0107-01

随着3D技术的日趋成熟，对机械自动化加工技术带来了深远影响。3D打印技术是一种快速成型技术，逐渐在机械自动化制造业得到了应用。

1 金属零件3D打印技术的分类

金属零件3D打印技术是先进机械自动化制造技术的重要发展方向。金属3D打印技术分为三类：

（1）使用激光照射预先铺展好的金属粉末。包括激光选区熔化（SLM）以及直接金属激光烧结成型（DMLS）等。其中激光选区熔化技术目前技术相对成熟，其对于任意形状的零件几乎都可以直接加工成型，致密度可达到近乎100%。（2）使用激光照射喷嘴输送的粉末流，激光与输送粉末同时工作（LENS）。该方法目前在国内应用较为广泛。（3）采用电子束熔化预先铺展好的金属粉末（EBM），此方法与第1类原理基本相似，其别在于采用的热源不相同。

2 本文的研究对象

目前SLM的研究和开发是国内外快速成型领域的新热点。本文以SLM为研究对象，简要阐述了SLM的基本组成和成型原理，在对比国内外SLM技术的基础上，分析研究了SLM技术未来的发展方向。

3 SLM的基本组成

SLM，一般由机械单元、控制单元、光路单元、保护气密封单元、工艺软件等部分组成：

（1）光路单元主要包括反射镜、光纤激光器、聚焦透镜、扫描振镜和扩束镜等。激光器是SLM设备中最核心的组成部分，近年来几乎所有的SLM设备都采用光纤激光器，光纤激光器具有转换效率高、性能可靠、寿命长、光束模式接近基模等优点。因为光纤维激光光束质量很好，因而光纤激光器在精密金属零件的激光选区熔化快速成型中有着明显的优势。扫描振镜由电机驱动，通过计算机进行控制，可以使激光光斑精确定位在加工面的任一位置。（2）机械单元主要包括成型缸、成型室密封设备、粉料缸、铺粉装置等。（3）控制系统由计算机和多块控制卡组成，激光束扫描控制是由计算机通过控制卡向扫描振镜发出控制信号，控制X/Y扫描镜运动以实现激光扫描。设备控制系统主要包括以下功能：

一、系统初始化、状态信息处理、故障诊断和人机交互功能。二、对电机系统进行各种控制，提供了对成型活塞、供粉活塞、铺粉滚筒的运动控制。三、对扫描振镜控制，设置扫描振镜的运动速度和扫描延时等。四、设置自动成型设备的各种参数，如调整激光功率，成型缸、铺粉缸上升下降参数等。五、协调控制五个电机，进而控制对零件的成型加工。根据SLM工艺的需要，其所涉及的专业软件主要有三类：切片软件、扫描路径生成软件和设备控制软件。

4 SLM成型原理

SLM技术首先利用计算机的CATIA、pro/e、UG等软件设计出金属零件的三维立体模型，接下来使用切片软件将三维设计软件形成的加工零件三维立体模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。

5 SLM设备的展望

纵观国内外的SLM设备和应用情况，SLM设备在以下的方面还需要不断的改进和发展：

5.1 高性价比趋势

目前对于机械自动化加工业来说，SLM技术有很大的优势和应用空间，但是SLM设备高昂的价格阻碍了它的推广和应用。一套SLM设备动辄几百万元，且维护维修费用高。为了更好的推进3DSLM技术发展，则必须不断改进SLM技术装备，降低成本，促进3DSLM技术向着一个高性价比的趋势发展。

5.2 成型大尺寸零件趋势

目前，在机械自动化加工行业，3DSLM技术尚不具备加工大型尺寸金属零件的能力，这也是限制、阻碍3DSLM技术在机械自动化加工行业应用发展的重要影响因素。当前，国外的相关科研机构正在研究大型尺寸金属零件3DSLM技术加工装备，这也是未来3DSLM技术的发展方向所在。

5.3 与传统加工方法结合的趋势

SLM技术具有制造成本高、成型件表面质量差等缺点。若是能将SLM技术和传统机加工方法结合起来，则将使机械自动化加工技术提升到一个新的发展水平。目前日本已经开发出了金属光造型复合加工设备，该设备将金属激光成型和高速、高精度的切削加工结合在一起，实现了复合加工技术。

5.4 便携化、智能化趋势

随着机械零件的轻量化和集成化开发，未来将会出现适合轻量化、集成化金属零件加工的3DSLM技术，即便携式SLM设备。这些SLM设备将成为今后人们生产和工作中的实用工具，颠覆传统制造方式。未来，随着传感器、控制软件的进步完善，将会实现整个3D成型加工过程时时动态自动监测，发现问题自动调整工艺参数来解决问题，最终实现更高程度的机械自动化加工。

6 结语

金属零件3D打印技术是先进机械自动化制造技术的重要发展方向。开发高效率、高性价比、加工大尺寸能力高、与传统机加工方法结合且便携化、智能化的3DSLM设备，是未来金属3D打印的发展方向。

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