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激光增材制造技术的研究现状及发展趋势(二)

2018/1/22    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。

激光金属直接成形技术的研究现状

1 LMDF技术的原理与特点

    激光金属直接成形(Laser Metal Direct Forming,LMDF)技术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:激光器、CNC数控工作台、同轴送粉喷嘴、高精度可调送粉器及其他辅助装置。其原理如图3所示。

    3

    图3 LMDF系统原理图

    激光金属直接成形技术集成了激光熔覆技术和快速成形技术的优点,具有以下特点:(1)无需模具,可实现复杂结构的制造,但悬臂结构需要添加相应的支撑结构。(2)成形尺寸不受限制,可实现大尺寸零件的制造。(3)可实现不同材料的混合加工与制造梯度材料。(4)可对损伤零件实现快速修复。(5)成形组织均匀,具有良好的力学性能,可实现定向组织的制造。

2 LMDF技术的发展现状

    LMDF技术是在快速原型技的基础上结合同步送粉和激光熔覆技术发展起来的一项激光增材制造技术。LMDF技术起源于美国Sandai国家实验室的激光近净成形技术(Laser Engineered Net Shaping,LENs),随后在多个国际研究机构快速发展起来,并且被赋予了很多不同的名称,如美国Los Alamos国家实验室的直接激光制造(Direct Laser Fabrication,DLF),斯坦福大学的形状沉积制造(sh印e Deposition Manufacturing,SDM),密西根大学的直接金属沉积(Direct Metal DeDosition,DMD),德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)激光技术研究所的激光金属沉积(Laser Metal Deposition,LMD),中国西北工业大学的激光立体成形技术(Laser Solid Forming,LSF)等,虽然名称各不相同,但是技术原理却几乎是一致的,都是基于同步送粉和激光熔覆技术。

    目前,对于LMDF技术的研究主要是针对成形工艺以及成形组织性能两方面展开,美国的Sandai国家实验室和Los Alomos国家实验室针对镍基高温合金、不锈钢、钛合金等金属材料进行了大量的激光金属直接成形研究,所制造的金属零件不仅形状复杂,且其力学性能接近甚至超过传统锻造技术制造的零件。瑞士洛桑理工学院的Kurz等深入研究了激光快速成形工艺参数对成形过程稳定性,成形零件的精度控制,材料的显微组织以及性能的影响,并将该技术应用于单晶叶片的修复。清华大学的钟敏霖和宁国庆等在激光快速成形同轴送粉系统的研制及熔覆高度检测及控制方面取得了研究进展;西北工业大学的黄卫东等通过对单层涂覆厚度、单道涂覆宽度、搭接率等主要参数进行精确控制,获得件内部致密,表面质量良好的成形件;西安交通大学的张安峰、李涤尘等研究了激光金属直接成形DZ125L高温合金零件过程中不同工艺参数(如激光功率、扫描速度、送粉率、z轴提升量等)对单道熔覆层高度、宽度、宽高比和成形质量的影响规律,并优化了工艺参数。

    近年来,LMDF技术同样也受到了许多国家的重视和大力发展,2013年欧洲空间局(ESA)提出了“以实现高技术金属产品的高效生产与零浪费为目标的增材制造项目”(AMAZE)计划,该计划于2013年1月正式启动,汇集了法国Airbus公司、欧洲宇航防务集团(EADS)的Astrium公司、英国Rolls·Royce公司以及英国的Cranfield University和University of Bi珊ingham等28家机构来共同从事激光金属增材制造方面的研究,旨在将增材制造带人金属时代,其首要目标是快速生产大型零缺陷增材制造金属零件,几乎实现零浪费。与此同时,美国的Sandai国家实验室、Los Alomos国实验室、GE公司以及美国国防航空航天局(NASA),德国的弗劳恩霍夫(Fraunhofer)激光技术研究所,我国的北京航空航天大学、西安交通大学、西北工业大学等也对LMDF展开深入的研究。

责任编辑:张纯子
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