【干貨】LENS與SLM金屬3D打印技術(shù)原理及熔池形態(tài)對(duì)比

作者：三的部落 MR.GAO

激光增材制造高性能金屬零部件技術(shù)具有成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型精度高，成型性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是當(dāng)前復(fù)雜精密金屬零部件或大尺寸主承力金屬構(gòu)件一次性整體成形最具前景的應(yīng)用技術(shù)之一，它不僅是鑄造，鍛造，焊接與機(jī)械加工等傳統(tǒng)加工方法的有益補(bǔ)充，而且是開(kāi)啟了一種全新的金屬零件制造模式，具有重要的戰(zhàn)略研究意義。目前，激光增材制造高性能金屬零部件技術(shù)主要有兩種典型方法，一種是基于同步送粉的激光熔覆沉積技術(shù)LENS(LaserEngineeredNetShaping)，另外一種是基于鋪粉的選區(qū)激光熔化技術(shù)SLM(Selective Laser Melting)。

LENS原理介紹先對(duì)兩種技術(shù)的原理做簡(jiǎn)要說(shuō)明，LENS聚焦激光束在控制下，按照預(yù)先設(shè)定的路徑，進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)的同時(shí)，粉末噴嘴將金屬粉末直接輸送到激光光斑在固態(tài)基板上形成的熔池，使之由點(diǎn)到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個(gè)層截面的打印工作。這樣層層疊加，制造出近凈形的零部件實(shí)體。

SLM原理介紹
SLM技術(shù)的成型原理，在基板上用刮刀鋪一層金屬粉末，然后用激光束在掃描振鏡的控制下按照一定的路徑快速照射粉末，使其發(fā)生熔化，凝固，形成冶金熔覆層，然后將基板下降與單層沉積厚度相同的高度，在鋪一層粉末進(jìn)行激光掃描加工，重復(fù)這樣的過(guò)程直至整個(gè)零件成型結(jié)束。

上述兩種技術(shù)因其成型方式與工藝參數(shù)的差別，導(dǎo)致二者在熔池形貌，冷卻速度，凝固組織及其力學(xué)性能等若干材料成型基礎(chǔ)方面存在較大差異。

熔池形態(tài)對(duì)比
LENS與SLM不同工藝條件下，熔池形貌與尺寸完全不同，導(dǎo)熱模式與熱影響效應(yīng)也不同，進(jìn)而最終影響到合金的組織與性能，微光斑SLM與大光斑LENS工藝熔池冷卻速度的差異最高可以達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)，冷卻速率的大小決定晶粒的大小，雖然兩種工藝晶格的平均體積隨能量輸入的增加而增加，然而晶柱尺寸隨冷卻速度的卻有著不同的趨勢(shì)。

在LENS的成型過(guò)程中，柱狀晶的尺寸與冷卻速率滿足線性關(guān)系，而SLM過(guò)程中柱狀晶尺寸與冷卻速度平方根的倒數(shù)成三次函數(shù)關(guān)系，與傳統(tǒng)理論不符，再加上熔池散熱方向的單向性等，使的LENS工藝比SLM工藝更容易形成粗大的柱狀晶組織。

熔池加工形成過(guò)程中最小基本單元，熔池特征的穩(wěn)定事整個(gè)加工過(guò)程乃至最終成型零件組織性能穩(wěn)定的保障，在SLM成型過(guò)程中，光斑直徑屬于亞毫米級(jí)，單層厚度也比較薄，因此熔池的體積較小，熔池的形貌，尤其是熔池深度比，則表現(xiàn)出“小孔效應(yīng)”。

大光斑LENS工藝成型一般采用高功率，大光斑，盡管熔池的體積增大，但熔池的深度比較小，熔池的穿透深度比較淺，與SLM完全不同。

下圖為不同工藝下熔池縱截面形貌圖

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