激光选区熔化3D打印技术

本书由华南理工大学杨永强教授等所撰写，“3D打印前沿技术”丛书由卢秉恒院士、王华明院士、聂祚仁院士等任丛书顾问，史玉升教授为丛书主编，是在“中国制造2025”“‘十三五’国家科技创新规划”及“国家增材制造产业发展推进计划”等背景下策划的丛书中的一本。本书入选湖北省学术著作出版专项资金资助，作者现任中国机械工程学会增材制造（3D打印）技术分会常务理事兼增材制造设计专委会主任，广东省增材制造协会会长、广东省3D打印标准化技术委员会主任、广东省激光行业协会监事长，美国激光协会（LIA）高级会员等。在激光选区烧结领域有着多年研究，总结分析了激光选区烧结3D打印领域的相关知识，具有较好的学术价值及参考价值，可供行业相关人员参考。全书为精装彩色印刷。 

本书基于作者在激光选区熔化3D打印技术领域多年的研究经验撰写而成。本书阐述了激光选区熔化3D打印技术的基本原理，介绍了激光选区熔化熔池热物理过程、成形工艺、材料性能、设备关键技术，并从激光选区熔化3D打印技术的设计约束、设计方法及数据处理，激光选区熔化３D打印技术与传统制造方法的复合，定制化医疗器具设计、制造及应用，复杂功能零件的设计、制造应用等几个方面展开了论述。本书适合作为高等学校机械专业学生以及３D打印技术相关领域研究人员的参考用书。

目录

 

 

第1章绪论(1)

 

1.1金属零件3D打印技术(1)

 

1.2激光选区熔化3D打印技术及其基本原理(3)

 

1.3基本工艺流程及影响因素(4)

 

1.4激光选区熔化3D打印技术新进展(7)

 

第2章激光选区熔化成形熔池热物理过程(12)

 

2.1激光与材料作用的物理基础(12)

 

2.2SLM成形中的传热、传质及对流(13)

 

2.3微熔池熔化与凝固(15)

 

2.4单熔道成形及参数(15)

 

第3章激光选区熔化设备及其关键技术(19)

 

3.1设备组成(19)

 

3.2激光光路系统光学原理(20)

 

3.3伺服电动机及密封成形室(22)

 

3.4铺粉装置(23)

 

3.5气体循环系统(25)

 

3.6控制系统(26)

 

3.7实时监控反馈(26)

 

3.8商品化激光选区熔化设备(27)

 

第4章激光选区熔化成形工艺(31)

 

4.1激光选区熔化成形工艺参数及其影响(31)

 

4.2SLM成形件主要性能指标(32)

 

4.3激光选区熔化成形不稳定因素(40)

 

4.4SLM成形件常见缺陷及其成因(41)

 

第5章激光选区熔化成形材料(45)

 

5.1商品化金属粉末材料(45)

 

5.2研究中的金属粉末材料(52)

 

第6章面向激光选区熔化3D打印技术的设计约束及方法(57)

 

6.1激光选区熔化3D打印技术涉及的设计约束(57)

 

6.2面向激光选区熔化3D打印技术的设计方法(61)

 

6.3基于拓扑优化方法的结构创新设计(64)

 

6.4基于有限元分析方法的结构创新设计(66)

 

6.5数学函数方法(70)

 

第7章激光选区熔化数据处理(72)

 

7.1数据处理流程(72)

 

7.2STL数据处理(73)

 

7.3金属零件支撑添加(74)

 

7.4路径规划(76)

 

7.5激光选区熔化成形路径规划方法(78)

 

第8章激光选区熔化3D打印技术与传统制造技术的结合(80)

 

8.1后处理(80)

 

8.2非金属零件的复合加工(83)

“中国制造2025”提出通过三个十年的“三步走”战略，使中国制造综合实力进入世界强国前列。近三十年来，3D打印（增材制造）技术是欧美日等高端工业产品开发、试制、定型的重要支撑技术，也是中国制造业创新、重点行业转型升级的重大共性需求技术。  新的增材原理、新材料的研发、设备创新、标准建设、工程应用，必然引起各国“产学研投”界的高度关注。

　　3D打印是一项集机械、计算机、数控、材料等多学科于一体的，新的数字化先进制造技术，应用该技术可以成形任意复杂结构。其制造材料涵盖了金属、非金属、陶瓷、复合材料和超材料等，并正在从3D打印向4D、5D打印方向发展，尺度上已实现8 m构件制造并向微纳制造发展，制造地点也由地表制造向星际、太空制造发展。这些进展促进了现代设计理念的变革，而智能技术的融入又会促成新的发展。3D打印应用领域非常广泛，在航空、航天、航海、潜海、交通装备、生物医疗、康复产业、文化创意、创新教育等领域都有非常诱人的前景。中国高度重视3D打印技术及其产业的发展，通过国家基金项目、攻关项目、研发计划项目支持3D打印技术的研发推广，经过二十多年培养了一批老中青结合、具有国际化视野的科研人才，国际合作广泛深入，国际交流硕果累累。作为“中国制造2025”的发展重点，3D打印在近几年取得了蓬勃发展，围绕重大需求形成了不同行业的示范应用。通过政策引导，在社会各界共同努力下，3D打印关键技术不断突破，装备性能显著提升，应用领域日益拓展，技术生态和产业体系初步形成；涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，形成了若干产业集聚区，整个产业呈现快速发展局面。

　　华中科技大学出版社紧跟时代潮流，瞄准3D打印科学技术前沿，组织策划了本套“3D打印前沿技术丛书”，并且，其中多部将与爱思唯尔（Elsevier）出版社一起，向全球联合出版发行英文版。本套丛书内容聚焦前沿、关注应用、涉猎广泛，不同领域专家、学者从不同视野展示学术观点，实现了多学科交叉融合。本套丛书采用开放选题模式，聚焦3D打印技术前沿及其应用的多个领域，如航空航天、工艺装备、生物医疗、创新设计等领域。本套丛书不仅可以成为我国有关领域专家、学者学术交流与合作的平台，也是我国科技人员展示研究成果的国际平台。

　　近年来，中国高校设立了3D打印专业，高校师生、设备制造与应用的相关工程技术人员、科研工作者对3D打印的热情与日俱增。由于3D打印技术仅有三十多年的发展历程，该技术还有待于进一步提高。希望这套丛书能成为有关领域专家、学者、高校师生与工程技术人员之间的纽带，增强作者、编者与读者之间的联系，促进作者、读者在应用中凝练关键技术问题和科学问题，在解决问题的过程中，共同推动3D打印技术的发展。

　　我乐于为本套丛书作序，感谢为本套丛书做出贡献的作者和读者，感谢他们对本套丛书长期的支持与关注。

 

西安交通大学教授

中国工程院院士

卢秉恒

 

2018年11月

 

 

总序二

3D打印是一种采用数字驱动方式将材料逐层堆积成形的先进制造技术。它将传统的多维制造降为二维制造，突破了传统制造方法的约束和限制，能将不同材料自由制造成空心结构、多孔结构、网格结构及功能梯度结构等，从根本上改变了设计思路，即将面向工艺制造的传统设计变为面向性能优的设计。3D打印突破了传统制造技术对零部件材料、形状、尺度、功能等的制约，几乎可制造任意复杂的结构，可覆盖全彩色、异质、功能梯度材料，可跨越宏观、介观、微观、原子等多尺度，可整体成形甚至取消装配。

3D打印正在各行业中发挥作用，极大地拓展了产品的创意与创新空间，优化了产品的性能；大幅降低了产品的研发成本，缩短了研发周期，极大地增强了工艺实现能力。因此，3D打印未来将对各行业产生深远的影响。为此，“中国制造2025”、德国“工业4.0”、美国“增材制造路线图”，以及“欧洲增材制造战略”等都视3D打印为未来制造业发展战略的核心。

基于上述背景，华中科技大学出版社希望由我组织全国相关单位撰写“3D打印前沿技术丛书”。由于3D打印是一种集机械、计算机、数控和材料等于一体的新型先进制造技术，涉及学科众多，因此，为了确保丛书的质量和前沿性，特聘请卢秉恒、王华明、聂祚仁等院士作为顾问，聘请3D打印领域的著名专家作为编审委员会委员。

各单位相关专家经过近三年的辛勤努力，即将完成20余部3D打印相关学术著作的撰写工作，其中已有2部获得国家科学技术学术著作出版基金资助，多部将与爱思唯尔（Elsevier）联合出版英文版。

本丛书内容覆盖了3D打印的设计、软件、材料、工艺、装备及应用等全流程，集中反映了3D打印领域的新研究和应用成果，可作为学校、科研院所、企业等单位有关人员的参考书，也可作为研究生、本科生、高职高专生等的参考教材。

由于本丛书的撰写单位多、涉及学科广，是一个新尝试，因此疏漏和缺陷在所难免，殷切期望同行专家和读者批评与指正！

 

华中科技大学教授

史玉升

2018年11月

 

前言

目前，金属3D打印技术引起了社会各界的高度关注，以数字化、个性化、定制化为特点的3D打印技术正快速改变着传统的生产方式和生活方式，推动着制造技术的再一次革新。激光选区熔化(selective laser melting,SLM) 是金属3D打印技术之一，其原理基于逐层累积的增材制造，与传统的“去除型”制造方式有着本质的区别。激光选区熔化3D打印技术相比其他金属3D打印技术的优势在于，成形件拥有更高致密度、更高尺寸精度和更好的表面质量，因此在精密金属3D打印领域中是为前沿和具潜力的技术，其主流发展趋势是装备设计和工艺研究。激光选区熔化3D打印技术的飞速发展，对工业及社会产生了巨大的推动作用，然而单独介绍激光选区熔化技术的专业书籍并不多，作者想通过此书帮助更多业内人士了解该项技术。

传统的零部件制造方式是通过车、铣、刨、磨、铸造、锻造、焊接等传统成形加工工艺来实现材料的加工。增材制造与传统的去除材料的加工不同，它不需要原坯与模具，直接根据图形数据，利用“逐层累积”将材料打印成形，可简化制造流程，缩短制造周期，节约制造材料，降低制造成本。激光选区熔化的成形工艺步骤包括：前期数据处理、激光选区熔化成形制造、后处理。前期数据处理作为产品数字化中为关键的一步，又包含三维模型的设计、模型的近似处理、添加支撑、分层处理、路径规划。激光选区熔化3D打印技术的发展给制造业带来了无限活力，使得复杂零件的制造易于实现，为快速精密加工、快速模具制造、个性化医学产品制作、航空航天零部件生产等领域注入了新的动力。

本书具体内容如下：

第1章：绪论。主要介绍了几种金属零件3D打印技术，特别是激光选区熔化3D打印技术及其基本原理、基本工艺流程和激光选区熔化3D打印技术目前的发展情况。

第2章：激光选区熔化成形熔池热物理过程。主要介绍了激光与材料的相互作用以及微熔池的熔化与凝固。

第3章：激光选区熔化设备及其关键技术。主要介绍了激光选区熔化设备的系统组成，

本书由华南理工大学杨永强教授等所撰写，“3D打印前沿技术”丛书由卢秉恒院士、王华明院士、聂祚仁院士等任丛书顾问，史玉升教授为丛书主编，是在“中国制造2025”“‘十三五’国家科技创新规划”及“国家增材制造产业发展推进计划”等背景下策划的丛书中的一本。本书入选湖北省学术著作出版专项资金资助，作者现任中国机械工程学会增材制造（3D打印）技术分会常务理事兼增材制造设计专委会主任，广东省增材制造协会会长、广东省3D打印标准化技术委员会主任、广东省激光行业协会监事长，美国激光协会（LIA）高级会员等。在激光选区烧结领域有着多年研究，总结分析了激光选区烧结3D打印领域的相关知识，具有较好的学术价值及参考价值，可供行业相关人员参考。全书为精装彩色印刷。