文献综述
一、前言
增材制造(Additive Manufacturing, AM)也被称为3D打印，是基于离散/堆积原理，以粉末或丝材为原材料，采用激光束、电子束等高能束进行冶金熔化、快速凝固、逐层堆积，直接从三维模型一步完成实体零件制造的技术。与传统的机加工等减材制造相比，打印设备自动化程度高，且不需要任何刀具、夹具或模具。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。根据3D打印技术的成形方法和材料特点，目前发展起来的3D打印技术可以分为熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)、立体光固化技术(Stereo Lithography Apparatus, SLA)、激光选区烧结(Selective Laser Sintering, SLS)、激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting, EBSM)等。
其中，激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术具有成形件尺寸精度高、表面粗糙度好等特点，尤其适合于复杂薄壁结构以及异型空腔结构的成形，因此SLM技术已成为金属增材制造中最常用的工艺之一SLM技术的快速发展，为复杂零件的成形加工提供了新的思路，但由于SLM快速融化快速凝结的特点，成形过程中熔池会产生很高的温度梯度，易产生翘曲变形和裂纹等缺陷。尤其在制造复杂几何形状或较大体积的零件时，需要的加工时间较长，如果不能对成形过程中的质量进行实时的监测评估，会导致成形缺陷的延续。
本课题旨在开展金属材料SLM熔池光辐射监测系统的设计，分析加工缺陷，以提高3D打印件的成形质量。通过设计搭建对金属材料SLM熔池光辐射监测系统，辅以金属SLM工艺实验，研究不同工艺参数对熔池光辐射的影响，探索提高成形质量的方法。
二、研究现状
1. SLM加工的缺陷分析
尽管SLM具有广泛的用途和功能，但SLM零件仍在生产时具有过多的缺陷，例如翘曲变形，球化现象等。而缺陷形成对工艺参数，几何形状和材料特性的复杂依赖性已阻碍了SLM生产中有效的质量保证。成形过程中缺陷的成因和检测是增材制造领域重要研究热点,也是3D打印件能否实现应用的基础。张凯等人认为[1]，因残余应力导致的翘曲变形是激光选区熔化技术亟待解决的关键性技术问题。他的实验表明，试样的翘曲变形产生于成形初始阶段。同时,翘曲变形情况下试样成形层的熔池面积减小,熔池光强增加,通过监测熔池的变化状态可以判断SLM成形过程中试样是否产生了变形。张格等人[2]认为，球化现象是选区激光熔化成形中的常见缺陷,是影响零件致密度及力学性能的关键因素之一。并从金属液与固体表面的润湿性问题和SLM成形中液滴飞溅两个方面阐述了球化的成形理论;从激光熔化金属粉末是否穿透粉层的角度分析了球化的成形过程;从氧含量和金属粉末熔化量等方面提出了球化的控制方法。杨雄文等人[3]的实验表明，激光光斑约束、台阶效应、粉末粘附、激光深穿透等因素是影响零件尺寸精度和激光选区熔化成型能力的主要原因。
SLM加工缺陷在不同的材料中特点不同，在研究缺陷时应具体问题具体分析。王黎等人[4]通过试验研究了316L不锈钢粉末参数及工艺参数对选择性激光熔化成形性能的影响规律。结果表明单一粒径分布的粉末松装密度低于多种粒径混合后的松装密度。张凯等人[5]，采用激光选区熔化技术进行了Al2O3粉末和浆料的基础实验研究。实验结果表明，Al2O3粉末成形效果较差，而Al2O3浆料成形效果较好；激光功率对Al2O3浆料试样表面的质量具有重要影响，表面质量随激光功率的增加而不断提高。李明川等人[6]的实验，基于激光选区熔化(SLM)方式，通过改变扫描速度,制备不同碳纳米管含量的CNTs/Al复合材料试件，实验表明相同SLM成形工艺下,低CNTs含量的CNTs/Al复合材料试件内部孔隙较少,致密度较高；高CNTs含量的CNTs/Al复合材料试件内部孔隙逐渐增多,致密度降低。Slotwinski J A[7] 认为，某些金属增材制造工艺可能会故意（通过谨慎选择工艺参数）或无意（如果工艺未得到很好的控制）产生具有内部孔隙的零件。在增材制造过程中零件孔隙率的变化也可能表明工艺中发生了不希望的变化。Doubenskaia M等人[8]认为缺少在线监控和过程质量保证是在现代制造业中广泛实施选择性激光熔化技术的主要障碍之一。
2. SLM加工的质量评估与工艺改善
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