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增材制造技术的应用及其发展(二)

2017/2/27    来源:互联网    作者:袁茂强  郭立杰  王永强  王力  王联凤      
关键字:增材制造  3D打印  研究现状  发展趋势  
增材制造技术,也称3D打印技术,是一种采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,由于具有成形速度快、材料利用率高、生产周期短与数字化程度高等特点,近20年来成为各国科学家研究的热点。随着激光技术、计算机技术、CAD/CAM等技术的快速发展,增材制造技术在航空航天、汽车生产、生物制造、建筑设计等诸多工程领域得到了广泛的应用。介绍了增材制造技术的主要分类、工作原理、应用领域及其国内外研究现状,总结了各类关键技术所面临的问题,并讨论了其未来发展趋势。

                                                 2 增材制造关键技术方法及其进展

    增材制造技术,不同于传统的制造技术对材料进行变形和切除,而是采用分层叠加的方式将材料逐层添加制造三维零部件的数字化制造新技术。增材制造技术有多种分类,根据材料的不同,可分为金属丝材、金属粉末和非金属材料,根据热源分类有激光、电子束、等离字弧、电弧等,根据增材的形式又可分为铺粉、送粉和送丝方式。表1为当前存在的几种增材制造技术分类,比较成熟的有以下几种技术。

    表1 增材制造技术分类

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    2.1 选择性激光熔化技术

    选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,简称SLM) 是激光快速成形制造领域中最具发展潜力的技术之一,其利用高功率密度的激光束直接熔化金属粉末,获得具有冶金结合、相对密度接近100%、结构复杂、尺寸精度高的金属零件。该技术可以追溯到20世纪80年代,其工作原理示意图如图10所示。

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    图10 选择性激光熔化技术原理图

    根据成形件的三维CAD模型的分层切片信息,扫描系统控制激光束作用于带成形区域内的粉末,一层扫描完成后,金属基板下降一个层厚高度,为熔化的粉末作为支撑,接着送粉系统输送一定量的粉末,铺粉辊铺展一层厚的粉末沉积于已成形层之上。然后,重复上述两个成形过程,直至零件成形。

    SLM工艺能将CAD模型直接制成终端金属产品,只需要简单的后处理或表面处理工艺,使用具有高功率密度的激光器,以光斑很小的激光束加工金属,使得加工出来的金属零件具有很高的尺寸精度(达0.1mm) 以及很好的表面粗糙度值,成型金属零件相对致密度几乎能达到100%,机械性能优良,与锻造相当。但在零件成形过程中,激光功率、扫描速度、铺粉厚度等重要工艺参数对单层激光熔化质量有较大影响,参数设置不当会引起加工零件的球化效应、翘曲变形及裂纹等缺陷。

    2.2 激光熔覆制造技术

    激光熔覆技术(Laser Engineering Net Shaping,简称LENS) 是在高能激光束作用下,将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速融化,光束移开后自激冷却的一种表面强化方法,它适用于各类金属的表面改性和修复。此技术由GNANAMUTHU于1974年首次提出,随后美国的AVCO和METCO公司做了大量基础研究工作。激光熔覆制造技术的关键技术包括: 精密高质量同轴送粉熔覆系统; 激光熔覆的工艺优化与稳定性; 激光熔覆过程的检测与闭环控制。其工作原理如图11所示,利用高能激光束在金属基体上形成熔池,通过送粉装置和喷嘴输送来的金属粉末快速熔化,金属粉末或涂层快速凝固后,在基材表面形成无裂纹和气孔的冶金结合层。

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    图11 激光熔覆技术原理图

    与喷涂、电镀和堆焊等其他表面强化方法比,激光熔覆成形技术具有涂层与基体界面为完全冶金结合、结合强度高、局部表层对基体的热影响小、熔覆层晶粒细小且均匀分布、高能激光束在基体作用时间短等优点,但也存在在激光熔覆中会出现某些类似于焊接过程中的冶金缺陷问题,如气孔、变形、成分偏析、裂纹等。

责任编辑:郝秋红
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