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3D金属打印小知识

日期: 2020-03-26
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随着制造业全球化及市场的激烈竞争,产品快速开发逐渐成为竞争的重要手段之一。为满足制造业日益变化的客户需求,制造技术必须具有高柔性,能够以小批量甚至单件生产迎合市场。但是,传统“减材方式”生产的金属构件,其成形制造方法往往工序多、工模具成本高、从设计到零件制造周期长,并且对具有复杂内腔结构的零件往往无能为力,难以满足新产品的快速响应制造需求。

20 世纪90 年代以来,随着激光技术、计算机技术、CAD/CAM 技术以及机械工程技术的发展,金属材料增材制造技术应运而生,该技术作为增材制造最完整的一个分支,其具备柔性化、无模具等的优点,使其迅速成为快速成形领域内最有发展前途的先进制造技术之一。

3D金属打印小知识

一、 激光增材制造技术简要概述

顾名思义,激光增材制造技术就是以激光为热源,利用激光的高能束聚焦作用,快速将金属粉末融化的一种制造方式。由于激光具有能量密度高的特点,可实现难加工金属的制造,比如航空航天领域采用的钛合金、高温合金等,同时激光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点,可用于结构复杂、难加工以及薄壁零件的加工制造。

目前,激光增材制造技术所应用的材料已涵盖钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等,在航空航天领域中高性能复杂构件和生物制造领域中多孔复杂结构制造具有显著优势。相对于二维打印,可以想象,三维打印实际上可以说是将二维打印一层层堆积起来,金属3D打印中用到的金属粉末,就相当于2D打印中用的碳粉。

二、 激光增材制造技术的分类

以激光为热源的增材制造技术主要分为以送粉为主的激光沉积工艺和以铺粉为主的激光选区熔化技术。以下将分别详细介绍两种工艺。

1.以送粉的激光增材制造技术(金属材料同步送入粉末熔池)

由于各单位对其叫法不同,以送粉为主的激光熔化沉积技术又被称作直接激光沉积(directed energy deposition 、DED)、激光立体成形工艺(Laser solid forming, LSF)、直接金属沉积(direct metal deposition ,DMD)、激光熔化沉积(laser melting deposition,LMD)等。无论何种叫法,原理都是利用快速原型制造的基本原理,以金属粉末为原材料,采用高能量的激光作为能量源,按照预定的加工路径,将同步送给的金属粉末进行逐层熔化,快速凝固和逐层沉积,从而实现金属零件的直接制造。

通常情况下,激光金属直接成形系统平台包括下图所示的激光器、CNC 数控工作台、送粉喷嘴、高精度可调送粉器及其他辅助装置。式样制备过程中可供选择的激光器根据光束模式主要分为半导体连续激光器、光纤连续激光器、二氧化碳连续激光器及YAG:Nd脉冲激光器。根据喷嘴的放置位置不同,主要分为同轴送粉喷组和侧向送粉喷嘴。

送粉式激光3D打印主要分为以下4个过程:(1)模型建立过程。如果想打印某个形状的物体,首先需要在CAD软件中绘制出所需零部件的三维图形。(2)轨迹生成过程。制好的三维模型进行切片过程,将原本的三维模型分割成若干和二维图形,方便后续的层层堆积打印。(3)激光打印过程。将已经绘制好并切片了的三维图形导入激光加工程序,在激光加工器上完成三维零件的制备。(4)得到完整打印零件。

2.以铺粉为主的激光增材制造技术(金属粉末在沉积前预先铺粉)

激光选区熔化技术利用高亮度激光直接熔化金属粉末材料,无需粘结剂,由3D 模型直接成形出与锻件性能相当的任意复杂结构零件,其零件仅需表面光整即可使用。以一铺粉为主的激光增材技术主要包括激光选区沉积(Selective Laser Melting, SLM))、粉末床沉积工艺等。

激光选区熔化的基本原理是激光束按预先规划的路径扫描,熔化预先铺放的金属粉末;完成一个层面的扫描后,工作舱下降一层高度,铺粉器重新铺放一层粉末,如此反复进行,层层堆积,直到制造出需要的金属零件,整个加工过程均处于真空环境中,能有效避免空气中有害杂质的影响。采用激光选区熔化工艺可直接制成终端金属产品,省掉中间过渡环节,并且制备的零件具有很高的尺寸精度以及好的表面粗糙度(Ra 为10~30μm);适合各种复杂形状的工件,尤其适合内部有复杂异型结构、用传统方法无法制造的复杂工件;适合单件和小批量复杂结构件无模、快速响应制造。

三、 激光增材制造所用材料

由于高能束激光的聚焦作用,使得其有条件对高熔点的难熔金属材料进行制备。在航空航天应用中,关于激光增材制备钛合金、高温合金、铁镍合金、铝合金等技术都已经相对成熟。由于激光增材工艺制备的锻件几乎甚至超越锻件标准,加之其成型效率高,周期短的特点,有很的潜力应用于航空航天的生产中。

对于金属材料激光增材制造技术来说,金属粉末就是其原材料,金属粉末的质量会直接影响到成形零部件最终的质量。然而,目前还没有专门为激光增材制造生产的金属粉末,现在激光增材制造工艺所使用的金属粉末都是之前为等离子喷涂、真空等离子喷涂和高速氧燃料火焰喷涂等热喷涂工艺开发的,基本都是使用雾化工艺制造。这类金属粉末在生产过程中可能会形成一些空心颗粒,将这些空心颗粒的金属粉末用于激光增材制造时,会导致在零件中出现孔洞、裂纹等缺陷。因此激光增材制造使用的金属粉末将成为今后的一个研究重点。

金属零件的高能束流增材制造在航空航天领域的研究和应用也越来越广泛,在先进制造技术发展的同时,也促进了结构设计思想的解放和提升,两者的相互促进必将对未来飞行器制造技术领域造成深刻影响。

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