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广州雷佳增材DiMetal系列异质金属材料3D打印设备

日期: 2020-03-09
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广州雷佳增材DiMetal系列异质金属材料3D打印设备

激光选区熔化技术(SLM)是一种基于分层叠加原理制造复杂形状的金属增材制造技术,与其他增材制造技术相比,它具有高精度与低表面粗糙度的优势。

传统方法是通过焊接工艺来连接两种不同的金属材料。随着工业应用上对混合材料的要求越来越高,在一些应用场合,要求零件在不同位置采用不同材料来获得两种合金的综合性能,一些学者开始致力于通过增材制造技术制造混合材料结构。与焊接工艺相比,金属增材制造方法可以同时完成制造与连接多金属材料,同时具有制造复杂几何形状,减少加工时间、材料浪费、制造成本的优点。

异质材料3D打印可在同一零件中应用和加工多种材料,制造多种功能或物理属性的产品,实现产品的材料、工艺、结构的一体化自由设计,从而大幅提高增材制造技术的自由度、加工能力和应用范围,在复合材料、功能梯度材料、变密度非均质材料、嵌入式电子、柔性电子、可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。

当前金属异质材料增材制造方面的研究报道主要集中在激光净成形工艺方面,例如采用激光净成形工艺,制备了钛合金TA2-TA15梯度结构材料,分析结果表明,所获得的 TA2-TA15梯度结构材料具有完全的冶金结合组织,不存在冶金缺陷。例如采用激光净成形技术,制备出316L 不锈钢/镍基合金/Ti6A14V 异质材料等。

在高精度激光选区熔化(SLM)工艺方面,少数学者结合多种粉末供应漏斗,也展开了异质材料零件增材制造方面的研究,如采用双漏斗供粉SLM技术成型Fe/Al-12Si异质材料,证实了SLM技术成型异质材料零件的可行性,但仅能制作层与层间具有梯度成分的零件,还不能实现层内按需布置异质材料。此外也有研究结合多漏斗供粉及真空吸附回收粉末,实现了同一层内实现不同粉末铺设的多材料零件SLM成型,但由于成型工艺太过繁锁,目前仍只能成型小的方块状零件。

广州雷佳增材科技有限公司和华南理工大学团队在异质材料零件成型的供粉、铺粉方法方面展开了研究,提出了多漏斗定量供粉+柔性清扫回收余粉的方法及装置,采用多个供粉漏斗定量供给不同的粉末,以柔性刮板柔性清扫回收同层内多余粉末的理念,可以较好解决SLM 成型多种材料零件时的同一层内多种材料任意分布难题。

一、实验材料:钢/铜双金属结构

钢因其高硬度、高强度、良好的抗腐蚀性优异性能被广泛应用,而锡铜合金具有良好的热导性与耐磨性,是最广为人知的传统合金之一。凭借高导电率、高导热率、良好的刚度,钢-铜双金属系统正广泛应用于能源业、核工业与汽车业。通常钢与铜双合金结构是通过焊接获得,但是连接与制造工艺不能同时完成。在此之前有相关研究采用SLM制造316L/C18400双合金结构的方法,华南理工大学增材制造课题组也研究了通过SLM制成的316L/CuSn10双金属结构。

二、实验设备

目前激光选区熔化设备在多材料成形中存在很多问题,其中最为典型的为铺粉问题以及软件控制问题。

1、铺粉问题

传统的单材料SLM成型设备所采用的送粉铺粉机构,无法实现异种金属材料分别铺设功能。现有的多材料铺粉机构在成型过程中,因必须由刮板或辊轮将粉末平铺到成型平台,当成型异种材料零件时,涉及到两种或两种以上的不同金属粉末,在共用一个刮板或辊轮的情况下,很容易造成严重的粉末交叉污染,污染的来源主要包括:

(1)漏斗下泄输送粉末时,残留在管道内的粉末颗粒在重力作用下随机跌落到成型平台上,造成不同粉末间的污染;

(2)在铺设新粉末前,旧粉未清除干净,高位柔性刮板、低位柔性刮板及铺粉盒上仍残留有异种粉末颗粒;

(3)在铺设新粉末前,零件表面上的粉末颗粒未被清除干净;

(4)在成型过程中,因工艺参数不匹配,在零件表面形成孔隙,如果孔隙直径大于粉末颗粒直径,则部分细小的异种粉末颗粒会落入孔隙,难以被清除干净,将在随后铺设新粉时带来污染。

2、软件问题

现有的零件数据格式、切片算法和路径规划软件主要以单材料零件为对象,难以同时兼顾异质多材料零件的几何属性信息和材料种类信息,因而,不同材料的几何造型表达也是异质材料零件SLM成型的难点之一。

针对上述问题,广州雷佳增材科技有限公司联合华南理工大学开展大量技术研究,开发了面向市场的广州雷佳增材Dimetal-300多材料激光选区熔化设备。


广州雷佳增材DiMetal系列异质金属材料3D打印设备

针对多材料3D打印设备软件瓶颈问题,广州雷佳增材团队进行攻关,并提出以下解决方案:

1、针对铺粉问题的解决方案

采用固定式供粉和移动式送粉交替混合送粉的方式,结合广州雷佳增材科技有限公司特有专利柔性刷清扫方式回收粉末进行异质材料零件增材制造。

(1)增加微振清除余粉装置

在输送不同粉末的通道外壁,安装有微型振动电机,在某个漏斗下泄粉末的同时,同步启动对应微型振动电机,配合重力作用,使管道内的粉末颗粒得全部下泄至刮板前;

(2)在刮板行程末端,增加柔性刷子,将刮板上的残留粉末颗粒去除干净;

(3)在执行柔性刮板清除回收粉末时,适当增加柔性清除粉末的次数,完全去除成型平台上的残留粉末颗粒。



广州雷佳增材DiMetal系列异质金属材料3D打印设备

基于柔性清扫回收机理的异质材料余粉清除机理如图所示,柔性刮板由多根具有弹性的丝材夹持制成。在前行过程中,当遇到已成型的坚硬区域时,柔性刮板在较大阻力的情况下变形绕过坚硬区域,将高于齿底面的粉末带走并回收。


广州雷佳增材DiMetal系列异质金属材料3D打印设备

在实际设计异质材料SLM增材制造系统时,可在铺粉盒两侧分别安装柔性刮板,其中一侧底端稍高刮板,用于铺设粉末材料;另一侧底端稍低刮板,用于柔性清除多余的异质粉末材料。

2、针对软件问题的解决方案

广州雷佳增材科技有限公司为实现多材料3D打印,特别开发了相应了多材料金属3D打印系统软件。在数据处理时为简化数据处理及零件几何造型,可认为异质材料零件的CAD模型由几个单材料零件的CAD模型装配而成。先针对异质材料零件中的某种材料设计出对应的CAD模型,然后转化为STL格式模型,分层切片为CLI格式数据,再生成对应的扫描数据信息及层厚信息,添加材料种类信息后,形成一种材料的SLM成型数据;多个材料的SLM成型数据相加就形成了整个异质材料零件的SLM成型数据,以此驱动异质材料的SLM成型过程,最终获得成型零件。

同时,工控机内部控制和激光参数规划和控制软件均由研发团队开发,保证制作部件的成型精度和控制稳定性。实现XY平面不同区域不同工艺参数控制,以及实现了每一层不同工艺参数的控制。激光参数调整策略和范围参考整合了研发团队多年的研发经验,在开放参数的同时,使用者可自主选取第三方材料供应商,并且可在较短时间内调整出对应的最佳参数。

三、 实验结果分析

在实验前期也遇见了很多问题,但是广州雷佳增材科技有限公司和华南理工大学技术团队凭借着多年积累的经验及努力攻关,许多问题得以解决。一是支撑问题,在同时为多种材料结构设计支撑时,因异种材料间存在冶金结合困难(难熔合、产生裂纹等)情况。二是粉末分离问题,成型过程需频繁清扫回收粉末,导致粉末消耗量较单材料SLM成型多,并且难以对异种混合粉末进行分离回收。

针对支撑问题的解决方案,可以将支撑设计成异质材料零件模式,即每种材料的支撑视作一个单材料零件模型。针对粉末分离问题的解决方案,主要采用磁性分离提纯方式分离混合粉末。此外,为了保护设备的可靠性稳定性,雷佳增材还独家推出了实用功能,并申请了相关专利保护,如:

1、采取场镜风淋式屏蔽保护,利用洁净新鲜的保护气体,在光学零部件附件形成气体保护层,保护光学场镜等部件不受到腔体内部烟尘的污染,也可同步去除成型过程中产生的黑烟及氧化渣,确保激光功率输出精准度和激光光斑的外形轮廓一致性,以及保障光学部件的透光率和温度场,延长了光学零件的有效寿命。

2、系统内配置双级高精密过滤器,充分利用多效过滤中多层过滤的优势,有效延长滤芯寿命,零件生产过程中所产生的烟尘得到有效过滤,成型腔体内部气氛得到稳定长效的保障。多效的烟尘过滤系统也为生产车间的环境提供重要的保障,是使用环境的安全性得到更好的保障。本系统可实现实时更换滤芯,减少风机负载,降低能耗。

3、全封闭式的高精度高负载的电缸驱动和伺服电机的稳定控制,保证Z轴的成型精度和铺粉稳定性,减少了因负载能力不够而导致的部件尺寸误差,提高层与层之间的熔融一致性,减少断层开裂的几率,提高表面光洁度,同时为无人值守提供有效保障,提高成型成功率。

利用本设备对多金属材料钢/铜双金属结构进行了成形,如图所示。


广州雷佳增材DiMetal系列异质金属材料3D打印设备

针对成形质量问题,广州雷佳增材科技有限公司借助高精密测试装备对各种性能进行了测试。其中力学性能最能体现产品质量,通过对316L 不锈钢与CuSn10样品进行拉伸测试,拉伸应力-应变取向与材料拉伸性能的如图所示,316L不锈钢与CuSn10样品分别表现的强度极限为673.1±4.2MPa与578.7±30.6MPa, 同时延伸率为35.4±1.4%与23.9±2.9%。这些数据与其他SLM制得的316L不锈钢或者CuSn10在其他研究的相近。再者,316L/CuSn10双金属结构在两个组成方向的拉伸性能与单一金属做了对比。水平结合的316L/CuSn10样品表明强度极限为459.1±8.0MPa,延伸率10.5±1.7%。而水平方向结合的316L/CuSn10样品的强度极限却不在单一合金数据的中间,而是远小于316L不锈钢或CuSn10的任意一者。这种情况的出现是由于枝状裂痕的延展方向垂直于熔融区与316L不锈钢区的边界。所以,裂痕加速了拉伸过程的断裂失效。再者,垂直方向结合的316L/CuSn10 样品显示的强度极限是423.3±30.2Mpa,同时延展率为4.6±0.9%,表明通过SLM工艺制成的钢/铜结构比传统工艺制成的钢/铜结构具有更好的结合性能。


广州雷佳增材DiMetal系列异质金属材料3D打印设备

广州雷佳增材DiMetal系列异质金属材料3D打印设备

四、 结论

基于广州雷佳增材科技有限公司和华南理工大学联合开发的Dimetal-300多材料SLM设备,通过优化工艺参数与扫描策略,制成了316L/CuSn10双金属结构,并研究了316L不锈钢与CuSn10的结合性能。成形过程中产生的混合粉末,在成形结束后,采用自主研发的磁性粉末分散仪进行了分离。在优化工艺参数与扫描策略后,316L不锈钢与CuSn10的结合强度达到423.3±30.2MPa。由于垂直于熔融区与316L不锈钢区边界的枝状裂痕,水平结合的316L/CuSn10样品的最大抗拉强度比316L不锈钢或CuSn10任意一者要低,但是比传统焊接等结合强度高。


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