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鸭脖官网-热点丨激光增材制造技术及现状研究!
本文摘要:前言在上个世纪,增材制造 ( Additive Manufacturing, AM) 的观点获得了显著的生长。依据美国试验质料学会(American Society for Testing and Materials,ASTM) 的界说: 增材制造技术差别于传统的减法加工历程,是基于质料的增量制造,使用3D数据模型,将质料一层一层毗连起来制造物体的历程。

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前言在上个世纪,增材制造 ( Additive Manufacturing, AM) 的观点获得了显著的生长。依据美国试验质料学会(American Society for Testing and Materials,ASTM) 的界说: 增材制造技术差别于传统的减法加工历程,是基于质料的增量制造,使用3D数据模型,将质料一层一层毗连起来制造物体的历程。由于增材制造技术具有设计和制造一体化、加工精度高、制造周期短,产物物理化学性能优异等特点,美国《时代周刊》将增材制造列为 “美国十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工 业革命”。

金属质料增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿和难度的技术,是先进制造技术的重要生长偏向。对于金属质料增材制造技术,根据热源类型的差别主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。

其中激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM) 技术是一种兼顾准确成形和高性能成形需求的一体化制造技术,也是现在金属增材制造最可靠和可行的方法。海内外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技术,本文在总结增材制造的生长历史基础上,重 点先容了激光增材制造的原理、激光选区熔化成形技术和直接沉积技术的生长现状,为激光增材制造在海内各个领域的应用提供支持。一、增材制造的生长历史1983 年,美国科学家查尔斯·胡尔( Charles Hull) 发现光固化成形技术( stereo lithograhy Appearance,SLA) 并制造出全球首个增材制造部件。

1986 年,查尔斯·胡尔获得了全球第一项增材制造专利,同年建立3D Systems公司。1987 年,3D Systems 公布第一台商业化增材制造设备-快速成型机立体光刻机 SLA-1,全球进入增材制造时代。1986年,美国的 Michael Feygin,首次提出了分层实体制造( Laminated Object Manufacturing,LOM) 技术。

1988年,美国 Stratasys 公司首次提出熔融沉积成型技术( Fused Deposition Modeling,FDM)。1989 年,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 Deckard 提出激光选区烧结 ( Selective Laser Sintering,SLS)。

1995 年,德国 Frau- hofer 应用研究促进协会 ILT 激光技术研究所的 Dr.Wil- helm Meiners 等在金属粉末选择性烧结基础上提出激光选区熔化成形技术 ( Selective Laser Melting,SLM)。1998 年,美国 Sandia 国立实验室将选择性激光烧结工艺 SLS 和激光溶覆工艺( Laser Cladding) 相联合提出激光工程化净成型( Laser Engineered Net Shaping,LENS)。1990 年至现在,增材制造技术实现了金属质料的成型, 进入了直接增材制造阶段,相距泛起了电子束选区熔化(EBSM)、电子束自由成形制造技术( Electron Beam Free- form Fabrication,EBF)、等离子增材制造技术( Ion Fusion Formation,IFF) 电弧增材制造( Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)等一系列制造工艺。

2013年,美国麻省理工大学研发了四维打印技术( Four Di- mensional Printing,4DP) ,使用影象合金,在3D打印的基础上增加了第四维度-时间。综上所述,增材制造技术可以分为“快速原型制造技术”和“金属构件直接制造技术”两大类。“ 快速原型制造技术”( rapid prototype manufacturing,RP&RPM) 主要方法有“3D 打印( 3DP) ”、“立体印刷( SLA) ”、“叠层 实体造型( LOM) ”、“熔融沉积造型( FDM) ”、“选择性激光烧结( SLS) ”等五大类。

主要制造尺寸较小,由树脂、石蜡、纸张等质料组成的原型样件及由陶瓷、金属粉末组成的“非致密”原型样件或模型制造。金属构件直接制造技术则接纳激光束、电子束、等离子束或电弧等对粉末或丝材举行逐层熔化/凝固聚集,直接制造出致密的金属零件。海内关桥院士提出“广义增材制造”的观点,详细如图1所示。

广义增材制造的热源,除激光束和电子束外, 另有化学能、电能( 电弧等) 、电化学能、光能、机械能等。图中的中心圆是通常所谓的“增材制造”( 3D 打印) ,以激光、电子束等为热源与 CAD/CAM 联合,分层熔敷成形的增材制造,包罗了非金属、金属构件和生物模型的增材制造等; 图中的外椭圆展现的是“广义增材制造”的技术分类,不局限于分层熔敷成形,还包罗冷喷涂成形、热喷涂成形、物理气相成形、化学气相成形、电化学成形、 堆焊成形、块体组焊成形等。二、激光增材制造技术原理依据美国试验质料学会 ASTM 的界说,凭据质料在沉积时的差别状态,激光增材制造技术分为定向能量沉积( Direct Energy Deposit,DED) 和粉末熔覆( Powder Bed Fusion,PBF) 两类。

激光粉末熔覆技术PBF,又可以称为激光选区熔化成形技术(Selective Laser Melting,SLM),其首先使用CAD软件设计出零件的三维模型,然后凭据打印工艺对模型举行切片分层后,将各截面的二维轮廓数据导入打印设备中,并设定详细的扫描门路。激光打印时凭据设定的扫描门路逐层熔化通过送粉装置匀称铺敷在事情平面基板的金属粉末,详细的原理如图 2 所示。激光选区熔化技术(SLM)可以直接制造出终端金属产物,实现了质料、结构和功效的一体化设计和制造; 可以加工出传统制造方法无法加工的庞大金属零件,如轻质点阵夹芯结构、空间曲面多孔结构、庞大型腔流道结构等,解决了庞大金属构件难加工、周期长、成本高等技术难题; 金属零件具有很高的尺寸精度以及很好的表 面粗拙度,无需二次加工。

可是SLM技术打印构件的力学性能仅能到达或者优于铸、锻件水平; 成形件的庞大性基本不受限制可是成形尺寸较小; 另外适用于 SLM 成形的质料种类还较少,现在报道的主要有铁基合金、镍基合金、铝合金和钛合金等。激光定向能量沉积技术(DED),又可以称为激光直接沉积成形技术( Direct Laser Deposition,DLD) ,是 在快速原型技术和激光熔覆技术的基础上生长起来的 一种先进制造技术。

该技术是基于离散/聚集原理,通过对零件的三维 CAD 模型举行分层处置惩罚,获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径,在惰性气体掩护情况中,以高能量密度的激光作为热源,根据预定的加工路径,将同步送进的粉末或丝材逐层熔化聚集,从而实现金属零件的直接制造与修复,其原理如图 3 所示。20 世纪 90 年月激光直接沉积技术被国际上多个研究机构相对独立地生长起来,而且被赋予了差别的名称,如激光熔敷( Laser Cladding) 、激光直接铸造( La- ser Direct Casting) 、直接金属沉积 ( Direct Metal Depo- sition,DMD) 、激光固化 ( Laser Consolidation,LC)、激光金属成形 ( Laser Metal Forming,LMF) 、激光工程化净成形 ( Laser Engineered Net Shaping,LENS) 、受控光制造 ( Directed Light Fabrication,DLF) 、激光成形 ( Laser Forming,LF)、基于激光的自由实体制造(Laser Babsed Free-form Fabrication,LBFFF) 、激光立体成型( Laser Solid Forming,LSF) 以及激光直接制造技术( Directed Laser Fabrication,DLF) 等,这些技术名称虽然差别,但基本的技术原理却是完全相同的。激光直接沉积成形技术( DLD) 的生产效率高于SLM,而且成形尺寸基本不受限制( 仅取决于设备的运动幅度),可实现同一构件上多质料的任意复合和梯度结构制造,并可用于损伤构件的高性能修复。

可是,DLD技术外貌质量不如SLM,制造后需要二次加工。现在,激光直接沉积技术所应用的质料已涵盖钛合金、镍基高 温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金以及梯 度质料等,其中钛合金的应用最为成熟。三、激光增材制造技术的生长现状3.1 激光选区熔化成形技术在金属粉末选择性烧结技术的基础上,为相识决SLS 历程中粉末毗连强度不高的问题,提高质料致密度,德国 Frauhofer 研究所于 1995 年提出了激光选区熔化技术SLM。2002 年该研究所在激光选区熔化技术方面取得庞大乐成,可一次性地直接制造出完全致密性的 零件。

现在国际上已经有多家成熟的SLM设备制造商,包罗德国EOS(Electro-Optical System Gumbo) 公司,德国 Realizer 公司,SLM Solutions 公司,Concept Laser 公司,美国 3D公司,Renishaw PLC 公司和 Phenix Systems 公司等。上述厂家都开发出了差别型号的机型,包罗差别的零件成形规模和针对差别领域的定制机型等,以适应市场的个性化需求。德国 EOS 公司新开发的激光选区熔化设备 EOSINT M400 - 4 接纳 4 个束源质量高的 Yb 光纤激光器,成形规模到达 300 mm × 300 mm × 350 mm,功率为 1 kW,激光束最小光斑为 90 μm,最大扫描速度 7 m/s, 其成形零件性能与锻件相当,如图 4 所示。

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德国Hofmann团体( 世界上主要的金属激光熔铸设备生产厂家之一) 的 Concept Laser 公司生产的 X 系列2000R 为全球最大的激光金属 3D 打印机,其接纳双激光系统,每个激光器功率为 1KW,成形的规模到达 800 mm × 400 mm × 500 mm,如图 5 所示。在海内华中科技大学质料成形与模具技术国家重点实验室及武汉光电国家实验室是海内最早从事SLM技术的研究事情的单元之一。华中科技大学模具国家重点实验室快速制造中心先后推出了 HRPM - Ⅰ和 HR- PM - ⅡA,武汉光电国家实验室自主设计和制造了 NRDSLM - Ⅰ、NRD - SLM - Ⅱ等设备。

NRD - SLM - Ⅱ型 设备成形尺寸规模: 320mm × 250mm × 250 mm。在技术应用方面,通用电气( GE) 公司使用 SLM 技术实现了离心式燃油喷嘴的打印,如图6,现在该喷嘴已 乐成应用于 CFM 国际公司开发的 LAEP - X 发念头,并实现了首飞。该项技术被评为全球 2013 年十大技术突破之一,而且通过了 FAA 适航认证,技术成熟度 TRL > 8[35],预计到 2020 年 GE 将生产 10 万个喷嘴。

2015年,美国联邦航空治理局(Federal Aviation Administration, FAA) 正式批准了 GE 公司接纳 SLM 制造的航空发念头 传感器壳体,如图 6 所示,应用于 GE - 9X 系列商用发念头,现在,该零件已经安装在 400 个 GE90 - 94B 发念头中。此外,GE 还实验举行了先进涡桨发念头和涡轮喷气发念头叶片的制造。美国航天公司 SPACE X 开发 Su- perDraco 载人飞船历程中,使用 SLM 技术制造了载人飞 船的引擎,如图 7 所示。

SLM 技术很好的解决了该引擎的冷却道、喷射头和节省阀等庞大结构的制造问题,零件的强度、韧性和断裂强度等性能完全满足高温高压情况下事情的严苛要求。惠普在研发历程中,包罗涡轮,燃料喷射器和其他零件也都是 SLM 增材制造的。综上所述,由于SLM技术的诸多优点,它具有辽阔的应用前景和广泛的应用规模,现在SLM技术在航空航 天领域的应用十分乐成,同时各大公司也努力将 SLM 技 术应用于汽车( 如模具、工具插件和微器件等) 、电力( 散 热器件) 、生物医疗( 植入牙齿,脊椎骨等) 和石油天然气领域。

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3.2 激光直接沉积成形技术现代激光直接沉积制造技术根植于 1937 年 Kratky 和 Hartert 等提出的焊缝金属熔融沉积的制造方法专利,最早可追溯到 20 世纪 70 年月末期的激光多层熔覆研究。早期的 DLD 观点约莫泛起在 1980 年,Brown 等的专利形貌了通过添加沉积的粉末/焊丝,使用激光举行逐层加热制造方法。1998年,美国 Sandia 国立实验室提出激光工程化净成型( Laser Engineered Net Shaping,LENS) ,LENS 是 DLD 最乐成的商业形式,也成为 DLD 的最为代表性的技术。

20 世纪 90年月以后,海内外众多研究机构开始对激光直接沉积技术的原理、成形工艺、熔凝组织、零件的几何形状和力学性能等基础性问题开展大量的研究事情。外洋激光直接沉积增材制造系统典型代表包罗德 国 Trumpf 和美国 POM 公司的 DMD505、美国Huffman公司的 HP - 205、美国 Optomec 公司的 Lens850 和 Aeromet公司的 Lasform 等。

约翰霍普金斯大学、宾州大学和 MTS 公司基于开发出一项以大功率 CO2 激光熔覆沉积成形技术为基础的 “钛合金的柔性制造”技术,并于 1997 年建立 AeroMet公司,公司的目的就是实现具有高性能、大要积钛合金零件的制造,尤其是大型整体增强筋结构钛合金零件的 快速成形。2000 年,美国 Boeing 公司宣布接纳该技术制造的钛合金零件在 F - 22 和 F /A - 18E/F 飞机上获得应 用,在全球掀起了金属零件的直接增材制造的第一次热潮,如图 8 所示。

GE 公司在发念头支架结构设计试制方面,使用LMD 技术举行了减重设计加工,原零件重约 2 033 g,最 后试制的零件重量仅为 327 g。使用 LMD 技术对复合质料风扇叶片金属增强边举行试制,先使用激光立体成形制备毛坯件,再举行机械加工,整个增强边长约 101. 6 mm 壁 厚 0.8 ~ 1.2 mm,最终加工量仅为 0.12 mm。

海内激光直接沉积成形技术虽然起步较晚,可是在某些方面已经到达到了海内外领先的田地。西北工业大学的黄卫东团队针对大型钛合金构件的激光立体成形,试制乐成 C919 大飞机翼肋 TC4 上、下缘条构 件,该类零件尺寸达 450 mm × 350 mm × 3 000 mm、质量达196 kg,成形后长时间放置后的最大变形量小于1mm,静载力学性能的稳定性优于 1% ,疲劳性能也优于同类锻件的性能,如图 9 所示。

北京航空航天大学王华明院士在飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形工艺研究方面取得了突破性希望,提出了大型金属构件激光直接成形历程“内应力离散控制”的新方法,解决大型金属构件激光快速成形历程零件翘曲变 形与开裂的瓶颈难题,突破激光快速成形钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损磨练关键技术,飞机构件综协力学性能到达或凌驾钛合金模锻件,如图10所示。综上所述,DLD 技术相对 SLM 具有较高的生产效 率,其主要用于大型金属构件的制造。可是 DLD 成形历程中零件开裂,内部质量和力学性能控制,产物应用技 术尺度等是制约其工程应用的关键。现在,外洋将其应用投向于损伤构件的增材修复技术以及梯度质料的研究,其如 SLM 技术广泛的商用化还面临较多的挑战。

四、竣事语增材制造技术的生长历史仅仅有 30 多年,激光增材制造是现在研究最多也是工业化应用最乐成的技术手段。随着激光增材制造的成本降低,其将很快从传统制造业的辅助手段中解放出来,成为集设计与制造一体化的新型制造方法。文章泉源:DT新质料中创工业研究院搜集高等院校、研究机构、专家学者、新兴工业、创新企业、投资机构、创新者、企业家和工业家等各方面的资源,是体系开放、多方协同的新型研究机构,努力为粤港澳大湾区以致全国的生长提供智力支持,为政府部门、企业和工业团体提供工业生长咨询,推动战略性新兴工业的康健生长。

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