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激光增材制造技术的研究现状及发展趋势(一)

2018/1/19    来源:互联网    作者:杨强  鲁中良  黄福享  李涤尘      
关键字:激光增材制造  激光选区熔化  激光金属直接成形  复杂零件  
增材制造技术能够快速将复杂结构的三维数据模型直接转化为实体零部件,是一种快速发展的数字化制造技术。激光增材制造技术是增材制造技术中最具代表性的一类,在增材制造技术领域扮演着重要的角色。主要介绍了两种典型的激光增材制造技术:激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术和激光金属直接成形(Laser Metal Direct ForIlling,LMDF)技术的原理与特点,归纳了其发展和研究现状,指出了激光增材制造技术的发展趋势。

    增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是基于分层制造原理,采用材料逐层累加的方法,直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会给出了增材制造的定义:增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作成物体的过程,相对于减法制造,它通常是逐层累加的过程。增材制造技术集成了数字化技术、制造技术、激光技术以及新材料技术等多个学科技术,可以直接将CAD数字模型快速而精密地制造成三维实体零件,实现真正的“自由制造”。与传统制造技术相比,增材制造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点,在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用口。增材制造技术已成为制造业的研究热点,许多国家包括中国都对其展开了大量深入的研究,欧美更有专家认为这项技术代表着制造业发展的新趋势,被誉为有望成为“第三次工业革命”的代表性技术。

    激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)技术是一种以激光为能量源的增材制造技术,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。

    激光增材制造技术按照其成形原理进行分类,最具代表性的为以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)和以同步送粉为技术特征的激光金属直接成形(Laser Metal Direct Forming,LMDF)技术。本文在阐述了这两种典型的激光增材制造技术原理与特点的基础上,着重归纳了这两种技的发展和研究现状,并探讨了目前激光增材制造技术的发展趋势。

激光选区熔化技术的研究现状

1 SLM技术的原理和特点

    激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是利用高能量的激光束,按照预定的扫描路径,扫描预先铺覆好的金属粉末将其完全熔化,再经冷却凝固后成形的一种技术。其技术原理如图1所示。

    1

    图1 激光选区熔化技术原理图

    SLM技术具有以下几个特点:(1)成形原料一般为一种金属粉末,主要包括不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴一铬合金、高强铝合金以及贵重金属等。(2)采用细微聚焦光斑的激光束成形金属零件,成形的零件精度较高,表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求。(3)成形零件的力学性能良好,一般拉伸性能可超铸件,达到锻件水平。(4)进给速度较慢,导致成形效率较低,零件尺寸会受到铺粉工作箱的限制,不适合制造大型的整体零件。

2 SLM技术的发展现状

    SLM技术实际上是在选区激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术基础上发展起来的一种激光增材制造技术。SLS技术最早由德克萨斯大学奥斯汀分校(Universitv of Texas at Austin)的Deckard教授提出,但是在SLS成形过程中存在粉末连接强度较低的问题,为了解决这一问题,1995年德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)激光技术研究所的Meiners提出了基于金属粉末熔凝的选区激光熔化技术构思,并且在1999年与德国的Fockle和Sehwarze一起研发了第一台基于不锈钢粉末的sLM成形设备,随后许多国家的研究人员都对SLM技术展开了大量的研究。

    目前,对SLM技术的研究主要集中在德国、美国、日本等国家,主要是针对SLM设备的制造和成形工艺两方面展开。国外有许多专业生产SLM设备的公司,如美国的PHENIX、3D SYSTEM公司;德国的EOS、CONCEPT、SLM SOULITION公司;日本的MATSuuR、SODICK公司等,均生产有性能优越的SLM设备,目前德国EOS公司生产的EOS M400型SLM设备最大加工体积可达400mm×400mm×400mm。在中国对SLM设备的研究主要集中在高校,华中科技大学、西北工业大学和华南理工大学等高校在SLM设备生产研发方面做了大量的研究工作,并且成功应用,其中华中科技大学史玉升团队以大尺寸激光选区烧结设备研究与应用获得2011年国家技术发明二等奖。但是国内成熟的商业化设备依旧存在空白,目前国内使用的SLM设备主要还是以国外的产品为主,这将是今后中国SLM技术发展的一个重点方向。

责任编辑:张纯子
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