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探秘中国激光精密增材成形D打印技术原理

2019/08/15 来源:黔南州信息港

导读

为满足极端载荷工况,航空发动机、飞机等武器装备大量采用结构-功能一体化设计的复杂型腔构件,对传统开模具以及去除式制造技术提出新挑战。譬如,轻

  为满足极端载荷工况,航空发动机、飞机等武器装备大量采用结构-功能一体化设计的复杂型腔构件,对传统开模具以及去除式制造技术提出新挑战。譬如,轻质点阵夹芯(见图)、空间曲面多孔结构、封闭多流道等复杂构件采用传统制造技术难以实现,而且研制任务重。如何实现新型航空设计的制造和打开其 设计束缚 的枷锁,迫切需要根据 D数模无需模具、快速响应直接制造复杂结构件的增材制造技术。

  根据材料在沉积时的不同状态,金属激光增材制造技术可以分为二大类:类,金属材料在沉积过程中实时送入熔池,这类技术以激光近净成形制造(LENS)、金属直接沉积(DMD)技术为代表,由激光在沉积区域产生熔池并高速移动,材料以粉末或丝状直接送入高温熔池,熔化后逐层沉积,称之为激光直接沉积增材成形技术,该技术只能成形出毛坯,然后依靠数控加工达到其净尺寸;第二类,金属粉末在沉积前预先铺粉,这类技术以金属直接激光烧结(DMLS)、选区激光熔化(SLM)为代表,粉末材料预先铺展在沉积区域,其层厚一般为20~100 m,利用高亮度激光按照预先规划的扫描路径轨迹逐层熔化金属粉末,直接净成形出零件,称之为激光精密增材成形技术。

  激光精密增材成形技术原理,是一种基于离散堆积成形思想的先进增材制造技术,无需模具,通过把零件 D模型沿一定方向离散成一系列有序的微米量级薄层,以激光为热源,根据每层轮廓信息逐层熔化金属粉末,直接制造出任意复杂形状的净成形零件,特别适合曲面型腔、悬空薄壁以及变截面等复杂结构制造,无需数控加工,仅需热处理和表面光整零件即可使用。该技术可解决复杂金属构件的难加工、周期长等技术瓶颈,可制造出传统方法无法加工的复杂零件,具有大幅减少制造工序、缩短生产周期、降低成本等特点。

  激光精密增材成形技术的发展历程从低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl ckard在1986年早申请专利,1988年研制成功了台激光增材制造设备,由DTM公司将其商业化,推出SLS Model125成形机,推出了Sintersation系列成形机。随后德国、英国、中国等国家成立一批激光粉末烧结公司,推出各自的烧结设备。

  21世纪之前,激光精密增材成形主要用于蜡模、砂模等制造,为精密铸造提供模型;为成形金属零件,早期采用低熔点金属或有机黏结材料包覆金属材料,在加工过程中,低熔点材料熔化或部分熔化,但熔点较高的金属材料并不熔化,而是被熔化或部分熔化的低熔点材料包覆黏结在一起,从而形成类似于粉末冶金烧结坯件一样的原型。这种原型表面粗糙,疏松多孔,力学性能差,常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理以后才能使用。由于受CO2激光、YAG激光束流品质限制,前期金属激光精密增材成形致密度较差,难以满足复杂薄壁结构制造需求。

  随着高亮度光纤激光出现,国外金属激光精密增材成形技术发展突飞猛进。近几年来,英国、德国、法国、美国、瑞典等国外发达国家先后开发GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4等合金金属复杂结构的激光精密增成形设备,并开展应用基础研究。国外罗罗、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等航空航天武器装备已利用此技术开发商业化的金属零部件。

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