小型选择性激光熔化增材制造设备设计及应用

发布时间：2020-10-31 06:30

　　 选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为最具发展潜力之一的金属零部件增材制造(3D打印)技术,近年来已在特种机械、航空航天、生物医学等制造领域实现重要应用。为满足开放性的科研实验需求,基于SLM原理,本文设计开发了具有显著设备成本优势、结构紧凑的小型SLM设备;采用开发的小型SLM设备,实验获得了成型性良好的3D打印金属结构件,并进行了相关性能与机理研究。本文设计了小型SLM设备的总体构架方案,针对设备构架划分的四个子系统:送粉-铺粉系统、激光扫描系统、控制系统及气体保护系统,分别进行各子系统的结构设计和部件选型:1)为实现结构紧凑型设计目标,设计自制了一种带有漏槽的送粉盒置于零件成型工作缸的后上方,以提高设备内部结构的空间利用率,通过开发的落粉-铺粉机械运动装置,可精确控制落粉量、提高粉末利用率;2)在激光扫描系统中设计引入可控调焦机械装置,采用蜗轮-蜗杆和齿轮-齿条机构实现光斑大小的调节,可对不同材料粉体实现不同激光光斑尺度的工艺选调;3)为进一步提高设备体积的紧凑化程度,优化设计了控制系统的排布方案,将其集成在设备下腔体内;4)设计并通过FLUENT数值仿真优化了成型气氛保护系统,获得了气体过滤器和气氛腔体结构的最优排布方案。面向小型、异型或复杂结构的航天零部件3D打印应用需求,采用本文设计开发的小型SLM设备开展了GH3536镍基高温合金3D打印工艺研究,并实验对比了不同的激光扫描策略(倾斜分区扫描、螺旋扫描和岛形扫描策略)对GH3536镍基合金成形件致密度和组织性能的影响;根据实验结果,选定倾斜分区作为最佳扫描策略,3D打印制造了Gyroid极小曲面结构试件,结合对Gyroid极小曲面结构的设计几何参数,实验分析了Gyroid结构的压缩性能,结果表明:具有较小壁厚的Gyroid结构压缩曲线平缓的塑性阶段表现出良好的吸能特性,同等壁厚条件下Gyroid结构沿3D打印建造方向的压缩性能高于水平方向的压缩性能。
【学位单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH122
【部分图文】：

其制造出的零件致密度高、机械性能好、且加工尺寸精度高，不需要通过后??处理来提升制件的致密度和机械性能［１３，１４］。??ＳＬＭ技术原理如图１．１所示，其基本过程为：通过电脑专业软件读取模型数据的??ＳＴＬ文件，进行分层切片，工艺参数的设定，并生成相应的代码。随后通过铺粉装置将??粉末均匀地铺平在成型缸上，铺粉完成后，激光器通过振镜系统将激光光束聚焦在粉床??上，直接熔化粉末，扫描出当前层面的图形。加工过完成后，供粉缸上升一定高度，成??型缸下降一层高度，铺粉装置重新将粉末铺平。继续下一层的成型，如此反复加工，直??至零件加工成型。之后，成型缸上升，回收粉末，取出所制造的零件。??计舁机控制系统＿＿?＇激光器卜??—??铺粉辊■?运动方向３?成型件??工作，丨治?丨Ｖ：：：．＇：．??．．．．．．．．．．??＾?、成羽缸??１?１??Ｉ?十??图１．１?ＳＬＭ技术原理图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ

其制造出的零件致密度高、机械性能好、且加工尺寸精度高，不需要通过后??处理来提升制件的致密度和机械性能［１３，１４］。??ＳＬＭ技术原理如图１．１所示，其基本过程为：通过电脑专业软件读取模型数据的??ＳＴＬ文件，进行分层切片，工艺参数的设定，并生成相应的代码。随后通过铺粉装置将??粉末均匀地铺平在成型缸上，铺粉完成后，激光器通过振镜系统将激光光束聚焦在粉床??上，直接熔化粉末，扫描出当前层面的图形。加工过完成后，供粉缸上升一定高度，成??型缸下降一层高度，铺粉装置重新将粉末铺平。继续下一层的成型，如此反复加工，直??至零件加工成型。之后，成型缸上升，回收粉末，取出所制造的零件。??计舁机控制系统＿＿?＇激光器卜??—??铺粉辊■?运动方向３?成型件??工作，丨治?丨Ｖ：：：．＇：．??．．．．．．．．．．??＾?、成羽缸??１?１??Ｉ?十??图１．１?ＳＬＭ技术原理图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ

?华东理工大学硕士学位论文??件如图１．３所示。该设备的最大成型尺寸为２５０ｘ２５０ｘ３２５ｍｍ。激光光源选用的是高质??量、高性能、高稳定性的４００Ｗ光纤激光器。可以加工各类材料：轻金属、不锈钢、镍??基合金、钛合金、超级合金等。Ｍ２９０成型设备配备一套摄像系统，可以监测粉层铺设??情况，以及打印过程中熔池状态，实时反馈相应信息。激光监测模块可以在整个成型过??程中实时监测激光功率的变化。表Ｕ为Ｍ２９０的基本参数。??图１．３?ＥＯＳ?Ｍ２卯增材制造设备及金属制件??Ｆｉｇ．?１．３?ＥＯＳ?Ｍ２９０?ＳＬＭ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ?ａｎｄ?ｍｅｔａｌ?ｐａｒｔ??表１．１?ＥＯＳ?Ｍ２９０增材制造设备技术参数??Ｔａｂｌｅ?１．１?Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ?ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ?ｏｆ?ＥＯＳ?Ｍ２９０??最大成型尺寸（长ｘ宽ｘ高）?２５０ｘ?２５０ｘ３２５ｍｍ??激光器类型?４００Ｗ光纤激光器??光学扫描系统?Ｆ－ｔｌｉｅｔａ透镜，高速扫描镜??扫描速度?速度可达７ｍ／ｓ??粉末层厚?２０－１００）ｉｍ?（可调）??制造速度?５－２０ｃｍ３／ｈ??氮气发生器?内置集成??氩气供给?４－５ｂａｒ；?０．６ｍ３／ｈ??压缩空气供给?７ｂａｒ；?２０ｍ３／ｈ??电源与功耗?电流３２Ａ；最大功率８．５ＫＷ??德国的Ｃｏｎｃｅｐｔ?Ｌａｓｅｉ？公司推出了?Ｍ２增材制造成型设备，如图１．４所示。Ｍ２是世??界上第一套可以激光加工钛合金、铝合金等反射性金属材料的增材制造设备。成型制件??的致密度可以达到９９．９５°／。
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本文编号：2863574