0 前言
金属快速成型是快速成型技术的一个重要分支,也是金属零件快速制造技术未来发展的必然方向。目前, 快速成型过程中使用的材料主要有: 工程塑料、光敏树脂、锡箔纸和金属粉末等。其中, 非金属材料成型的零件一般只能用于模型的展示和设计评估, 零件的力学性能较差。而金属材料成型零件的综合力学性能较好、致密度高、成型尺寸精度高。因此, 金属材料的快速成型工艺研究对金属零件的快速制造有着很重要的意义。
目前, 金属快速成型的方法主要有: 选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)、选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM))、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS) 和三维堆焊(Three-dimensional Welding) 技术。国外对金属快速成型技术的理论与工艺研究较为深入, 在近些年已经有多家公司推出商业化的设备, 如德国的EOS公司推出了M 280系列的SLM成型设备,2014年9月EOS公司推出了用于贵金属制造的PreciousM 080设备。而国内对金属快速成型技术的研究主要针对基础工艺,其中, 华中科技大学主要研究了SLS和DLF技术并推出了商业化的产品;华南理工大学主要研究的是SLM技术,2004年推出了首款DiMental-240 SLM 成型设备; 北京航空航天大学 、西北工业大学和大连理工大学深入研究了LENS; 西安交通大学 、哈尔滨工业大学、装甲兵工程学院和南昌大学主要对三维堆焊(Three-dimensional Welding)技术进行研究。
1 选择性激光烧结
选择性激光烧结,又称为选区激光烧结,其工作原理为:首先,铺粉滚筒将混合粉末铺平,将粉末预热到一定的温度, 激光束在计算机的控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结粘结剂使得粘结剂和金属粉末粘结在一起, 逐层烧结直至全部烧结完成去掉多余的粉末, 经过后处理最终就能够得到烧结好的零件,如图1所示。
图1 选择性激光烧结工作原理
1.1 SLS技术的特点
SLS技术的特点如下:
(1)SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛。金属材料和非金属材料都可用于SLS工艺, 如金属、陶瓷粉末、尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂(覆膜砂) 和聚碳酸脂等;
(2)材料利用率高。SLS成型材料可以重复利用, 粉末材料的利用率几乎达到100%。
1.2 SLS国内外研究现状
SLS技术起源于美国,1986年德克萨斯大学澳斯汀分校首次提出了SLS的工艺原理,1988年第一台SLS成形设备诞生。1992年美国的DTM公司推出了商业化生产设备SinterStation 2000成型机。
FwuHsing LIU A等利用SLS技术制造钛合金生物骨支架(图2),其中钛粉和硅溶胶的比例为2:1, 激光功率15W, 频率16KHZ, 扫描速度为100mm/s。实验表明: 将成型的零件经过900℃后处理以后抗压强度能达到142MPa。
图2 钛合金生物骨支架
华中科技大学的史玉升等对SLS成型过程中粉末预热进行研究,结果发现:辐射热流密度的大小与其安装高度有关;热流密度近似与安装高度的平方成正比关系。
浙江工业大学的王春博等通过对粉床预热温度场的有限元模拟,从理论上证明在粉床内部增加热源可改善温度场,研究通过温度补偿改善粉床温度的均匀性,从而提高烧结制件的质量。
1.3 SLS技术存在的问题
SLS技术存在的问题如下:
(1)粉末材料本身的性质:粉末的粒度、热膨胀系数对零件缺陷的形成有重要的影响;
(2)工艺参数: 激光功率、预热温度、扫描速度、烧结温度和铺粉厚度对零件收缩、翘曲变形以及裂纹都会产生影响;
(3)后处理工艺的影响:SLS直接成形的金属零件是由粘结剂将金属粉末粘结在一起必须经过后处理工艺对零件进行进一步的强化,但是经过后处理的零件的尺寸精度会受很大影响。
2 选区激光融化
选区激光熔化技术与SLS技术的工作原理基本一致。首先,建立一个CAD模型,通过分层软件对模型进行分层处理,并把生成的层信息传给计算机。激光束根据分层截面信息进行有选择地选区扫描,被扫描的粉末发生熔化,黏结在一起,逐层叠加直至最终零件的成型。