【干貨】LENS與SLM金屬3D打印技術原理及熔池形態(tài)對比

作者：三的部落 MR.GAO

激光增材制造高性能金屬零部件技術具有成型結構復雜，成型精度高，成型性能優(yōu)良等特點，是當前復雜精密金屬零部件或大尺寸主承力金屬構件一次性整體成形最具前景的應用技術之一，它不僅是鑄造，鍛造，焊接與機械加工等傳統(tǒng)加工方法的有益補充，而且是開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LENS(LaserEngineeredNetShaping)，另外一種是基于鋪粉的選區(qū)激光熔化技術SLM(Selective Laser Melting)。

LENS原理介紹先對兩種技術的原理做簡要說明，LENS聚焦激光束在控制下，按照預先設定的路徑，進行移動，移動的同時，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，使之由點到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個層截面的打印工作。這樣層層疊加，制造出近凈形的零部件實體。

SLM原理介紹
SLM技術的成型原理，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，在鋪一層粉末進行激光掃描加工，重復這樣的過程直至整個零件成型結束。

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

熔池形態(tài)對比
LENS與SLM不同工藝條件下，熔池形貌與尺寸完全不同，導熱模式與熱影響效應也不同，進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到4個數(shù)量級，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。

在LENS的成型過程中，柱狀晶的尺寸與冷卻速率滿足線性關系，而SLM過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。

熔池加工形成過程中最小基本單元，熔池特征的穩(wěn)定事整個加工過程乃至最終成型零件組織性能穩(wěn)定的保障，在SLM成型過程中，光斑直徑屬于亞毫米級，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”。

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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