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金属材料增材制造技术-3D打印技术的特点及其基本原理

导读: 金属材料增材制造技术,又称3D打印技术、激光快速成型技术,主要以金属粉末(尺寸小于1mm的金属颗粒群)、颗粒或金属丝材为原料,通过CAD模型预分层处理,采用高功率激光束熔化堆积生长(“增材制造”),直接从CAD模型一步完成高性能构件的“近终成形”。

金属材料增材制造技术,又称3D打印技术、激光快速成型技术,主要以金属粉末(尺寸小于1mm的金属颗粒群)、颗粒或金属丝材为原料,通过CAD模型预分层处理,采用高功率激光束熔化堆积生长(“增材制造”),直接从CAD模型一步完成高性能构件的“近终成形”。金属材料增材制造技术,可分为激光直接熔化制造技术(LaserMeltingDeposition,LMD)和选择性激光熔化技术(SelectLaserMelting,SLM)。与传统的金属零件加工技术相比,金属材料增材制造技术有着无法比拟的优点,具体如下:

(1)零件室温综合力学性能优异;

(2)复杂零件制造工艺流程较传统工艺大大缩短;

(3)无模具快速自由成型,制造周期短,小批量零件生产成本低;

(4)零件近净成型,机加余量小,材料利用率高;

(5)可实现多种材料任意复合制造;

(6)激光束能量密度高,可实现传统难加工材料如TC4、Inconel718、17-4PH、38CrMnSiA等的成型。

金属材料增材制造技术是一门融合了计算机软件、材料、机械、控制、网络信息等多学科知识的系统性、综合性技术。采用离散化手段逐点或逐层“堆积”成型原理,依据产品三维CAD模型,快速“打印”出产品零件,彻底改变了传统金属零件,特别是高性能难加工、构型复杂等金属零件的加工模式,在航空航天等装备预研与生产中具有广阔的应用前景,成为当前材料制备科学和先进制造技术学科领域国际前沿研究和竞争热点之一。

金属材料增材制造基本原理

1LMD技术基本原理

LMD技术作为增材制造技术的一种,是通过快速成型(RapidPrototyping,RP)技术和激光熔覆技术有机结合,以金属粉末为加工原料,采用高能密度激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积,从而形成金属零件的制造技术。整个LMD系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。

LMD快速成型技术的基本原理为:首先,利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片;第二,提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等,并转换成相应的计算机数字控制程序;第三,将激光溶化沉积腔抽真空,并充入一定压力的惰性保护气体,防止粉末熔化时被氧化;第四,计算机控制送粉系统向工作台上的基板喷粉,同时激光器在计算机指令控制下,按照预先设置的扫描程序进行扫描,溶化喷洒出来的粉末,熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层;最后,激光阵镜、同轴送粉喷嘴等整体上移(或工作台下移)一个切片厚度并重复上述过程,逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的形状,加工出所需的金属零件。

2SLM技术基本原理

SLM技术作为增材制造技术的另外一种实施方式,由粉床选区激光烧结技术(SLS)发展而来,以金属粉末为加工原料,采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积,从而形成金属零件的制造技术。整个SLM设备包括激光器、激光阵镜、粉末碾轮、粉末储存室、零件成型室等。

SLM快速成型技术的基本原理为:首先,利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片;第二,提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等,并转换成相应的计算机数字控制程序;第三,将激光溶化沉积腔抽真空,并充入一定压力的惰性保护气体,防止粉末熔化时被氧化;第四,计算机控制可升降系统上升,粉末碾轮将粉末从粉末储存室推送到零件成型室工作台上的基板,同时激光器在计算机指令控制下,按照预先设置的扫描程序进行扫描,溶化铺洒在基板上的粉末,熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层;最后,粉末储存室上移而零件成型室下移一个切片厚度并重复上述过程,逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的零件。

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