激光快速成形技术介绍 本文关键词：成形，激光，快速，介绍，技术
激光快速成形技术介绍 本文简介：金属粉末激光快速成形技术罗建兵2011031214金属粉末激光快速成形技术介绍金属粉末的激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术,是传统加工成形方法的重要补充。本篇文章主要介绍了金属粉末激光快速成形的原理、装置组成及最新研究进展,并对其发展前景进行了展望。快速成型技
激光快速成形技术介绍 本文内容：
金属粉末激光快速成形技术
罗建兵
2011031214
金属粉末激光快速成形技术介绍
金属粉末的激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术,是传统加工成形方法的重要补充。本篇文章主要介绍了金属粉末激光快速成形的原理、装置组成及最新研究进展,并对其发展前景进行了展望。
快速成型技术(RP,Rapid
Prototyping
)
是从1987
年开始发展起来的一种先进制造技术。该技术最初用来制造铸造用模型,后来发展到制造原型零件,主要用于模型或零件的直观检验,其关键是要求形状准确,而对其力学性能没有太高的要求,所采用的成型材料主要有液体光敏树脂、蜡、纸等替代材料。目前,美国、日本、德国已相继开发出多种快速成型技术,如液体光敏树脂固化、熔融沉积成型、实体叠层制造、分层固化、选择性激光烧结、3D
喷射印刷等技术。该技术在无需任何硬质工模具的情况下,可直接从计算机三维设计制造出实体零件,在机械制造等众多领域已得到广泛应用。近年来,快速成型技术有了新的发展,已开始在金属材料、陶瓷材料的制备上得到应用,其主要目标是快速制造出满足使用性能的致密的金属零件。传统的快速成型方法成型金属零件时,多采用树脂包覆的金属粉末作为原材料,通过激光扫描使树脂熔化将金属粉末固结在一起;
也可采用喷射粘结剂的方法将松散的金属粉末粘结成型。在成型后要经过脱粘、浸渗塑料、低熔点金属或铜来加强,可制成镶块用在塑料注射模和压铸模中。如脱粘后经热等静压处理也可制成致密金属零件,但难以保证零件的尺寸精度。目前,金属零件的快速成型方法主要有间接激光烧结、直接激光烧结和液滴喷射沉积,其中直接激光烧结技术是目前快速制备致密金属零件的主要技术。
1
基本原理
金属粉末快速成形技术的基本原理，
是先由CAD软件产生零件实体模型，
然后由分层软件对CAD
实体模型按照一定的厚度进行分层切片处理，获取各截面的几何信息，然后根据切片轮廓设计出扫描轨迹，
并将其转化成NC
工作台的运动指令。成形时具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同时金属粉末由送粉器送出，
经送粉管路输送到同轴送粉头并进入熔池形成熔覆层，
根据CAD
给定的各层截面的路径规划，在NC
的控制下使送粉头相对于工作台运动，将金属材料逐层扫描堆积，最后制造出金属实体零件。为防止某些金属在成形的过程中氧化，以上过程可在一个气氛可控的保护箱中进行，或采用其它手段来进行保护，使激光成形过程中的金属不被氧化。金属粉末激光快速成形原理如图示。
图1
金属粉末激光快速成形原理
2
系统组成
金属粉末的激光直接快速成型系统主要由软件系统、激光器、数控系统及工作台、粉末输送系统及保护气氛装置组成
软件系统主要包括造型、数据处理及工艺监控3部分。造型软件负责完成零件的三维CAD
造型设计,并生成STL
文件格式,目前RP
所使用的造型件主要有Pro/E,Uni
graphics,Solid
Works,Auto
CAD
等,快速成型也可使用CT,MR
I
扫描数据及三维数字化系统创建的模型数据;
数据处理软件负责对模型的STL
文件数据进行诊断检验及修复、插补、显示、分层切片,完成轮廓的偏置、扫描路径生成、填充线的优化、支撑的生成及加入加工参数等;
工艺监控软件负责数据处理所生成的数控信息对成型系统运动的控制,完成成型制造过程。激光器提供成型时金属粉末熔化所需的能量,目
保护气氛系统是为防止金属粉末在激光成型过程发生氧化,降低沉积层的表面张力,提高层与层之间的浸润性,同时有利于提高工作安全。为防止金属的氧化,可采用专门设计的粉末输送系统或在一密闭的手操箱内成型(
一般要求氧含量低于100000.。前主要使用CO
2
激光器和N
b∶YA
G
固体激光器。金属粉末快速成型所使用激光器的功率一般在几百瓦到几千瓦,激光功率的大小及金属粉末对激光的吸收将影响成型的速度。数控系统及工作台实现成型时的运动扫描、z
轴的升降,在工艺监控软件支持下完成对激光器开关、激光功率大小、扫描运动速度、送粉器开关、送粉量及保护气等的控制和调节,实现激光功率密度、扫描速度、送粉量之间的相互匹配,完成零件的制造,为保证成型零件质量,最好能实现对成型过程的闭环控制。稳定可靠的粉末输送系统是金属零件精确成型的重要保证。粉末输送的波动将使成型过程失去平衡,并最终可能导致零件制备的失败。送粉系统由送粉器及送粉喷嘴组成,目前送粉器主要是采用等离子喷涂用送粉器,利用载气来输送粉末,送粉量通过调节送粉转盘的转速来控制,具有较高的送粉精度及稳定性,但由于载气流量大,粉末运动速度过高,而降低了粉末的沉积率。针对激光熔覆时粉末流量较低的特点,已开发出专门的送粉器。送粉方式有侧向送粉和同轴送粉,因同轴送粉能克服因激光束和材料引入的不对称而带来对扫描方向的限制,而在金属粉末快速成型系统中得到较多采用。一般将同轴送粉装置与激光头固定在一起,完成z
轴运动,且送粉喷嘴与光头(光斑)
相对位置可以调节。
图2
同轴送粉喷嘴
3
金属粉末激光快速成形技术的特点
由于采用离散/堆积成形的思想，
与其它传统制造技术相比，
金属粉末激光快速成形技术有以下突出优点：
①制造过程具有高度的柔性；
②生产周期短，加工效率高；
③具有很高的设计灵活性，
真正意义上实现了数字化、智能化和并行化制造；
④成形材料广泛，
可实现多种材料以任意方式复合的成形技术；
⑤所制造的零件具有较高的综合力学性能，
强度高，
耐腐蚀性好；
⑥应用范围广，
不仅可以用于金属零件的快速制造，
而且还可用于再制造工程中大型金属零件的立体修复。
4
研究进展
快速成型技术经过十几年的发展,正逐步走向成熟,在提高零件成型精度、减少制造时间、降低制造成本等方面取得了显著进展。目前,快速成型在原型和模型的制造方面,已成为一种不可替代的先进制造技术。据
WHOLERS统计报道,到1998
年全世界已有3
300多台快速成型设备投入使用。与此同时,利用快速成型系统进行工模具制造及陶瓷材料的成型也得到了很大发展。近年来,随着大功率激光器的出现,使得采用快速成型方法直接制造金属零件成为可能,近几年来,美国、德国、日本等国家的研究机构及大学在政府资助下对此进行了广泛研究。
美国SANDIA
国家实验室在能源部支持下,与A
l2lied
Signal
Inc.,Eastman
Kodak
Co.,Hasbro
Inc.,Laser
Fare
Inc.
等合作,研制开发出一种称作L
EN
S(Laser
Engineered
N
et
Shaping)
的金属零件快速成型技术,可直接由CAD
固体模型制造出致密金属零件。这种制造技术，其基本原理是先将CAD
模型沿高度方向进行水平切片，四个喷嘴将粉末流直接汇聚到喷嘴下方的一个中心点，进入基材上由高能激光束加热熔化形成的熔池中，通过基材相对喷嘴的移动，层层堆积金属并最终形成零件。LENS
系统主要由四个部分组成：
YAG
固体激光器、可调整气体成分的手套箱、多轴数控系统和送粉系统。采用波长为1.064μm
的YAG
激光器以利于金属元素对激光热辐射的吸收。使用焦距为6
英寸的平凸透镜，将激光束聚焦到加工平面上，使能量集中在很小的光斑上，一方面减少了热影响区，另一方面提高加工精度；为了避免加工过程中金属材料与空气中的氧、氮等元素发生反应，整个加工过程均在惰性气氛保护下的手套箱中进行。通过工艺参数的调整，成形件最小特征尺寸可达0.03
英寸；通过对控制软件进行研究和改进，有效地提高了该技术的加工精度，到1999
年为止，其零件的加工精度在X
和Y
方向已达0.05mm，
Z轴精度为0.4mm，
表面粗糙度达到6.25μm。在送粉方面，通过调节送粉率，逐渐改变粉末的成分，在一个零件中实现了材料成分的连续变化，可进行功能梯度材料和复合材料的制造。如图3
所示的样件展示了SANDIA
国家实验室LENS
技术的制造灵活性。
通过SANDIA
国家实验室与其伙伴公司长期商业化推广，至今已推出了三代LENS
R装备，
图4所示为第三代成形机850-R，
由1~2KW
的光纤激光器、5
轴联动龙门式数控系统、双料送粉系统和惰性气体手套箱组成，能够实现钛合金、不锈钢和镍基合金等金属材料的快速成形，为了提高成形精度，LENS
R装备集成了沉寂高度控制系统和熔池闭环控制系统，通过对成形过程中的热效应和几何效应进行补偿，
使零件成形精度得到提高，表面粗糙度可达4.68~11.7μm，
沉积率为0.5kg/h。LENS装备以其技术先进性和良好的稳定性，
在国际市场上已占有一定地位。
图3
LENS技术成形的典型零件图4
LENS
850—R成形装备
美国Are
o
Met
Corp.
与John
Hopkins
U.,Penn
State
U.,M
TS
System
s
Corp.
合作,在
Defense
Advanced
Research
Projects
Agency
及Off
ice
of
N
aval
Research
联合资助下,采用14
kW
的CO
2
激光器和稳定的快速供粉系统,发展了钛合金(T
i-5A
l-2.5Sn,T
i-6A
l-4V
)
的柔性制造技术,其工作空间为3
m
×3m×1.2
m,产品达到近终形,成份和力学性能均达到A
STM
标准。采用该系统可进行大型钛合金结构件的快速制造,可显著降低制造时间及成本,同时可制备功能梯度材料及进行大型金属零件的修复。Stanford
大学将去除法和添加法结合在一起,形成自己的形状沉积制造技术(Shape
Deposition
Manufacturing),所用材料包括成形材料和支撑材料,所成型的零件具有很高的精度。此外,University
of
Central
Florida,University
of
Michigan,德国的Fraunhofer
Institute
fo
r
Product
ion
Techno
logy,University
of
Birmingham
等在政府资助下,研究了不锈钢、H13
工具钢、镍基合金、金属间化合物、生物陶瓷、复合材料以及功能梯度材料零件的近形制造。
图5
DL
F
方法所制316不锈钢薄板截面组织（a）及沉积示意图（b）
5
展
望
综上所述,金属粉末的激光快速成型技术集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体,在无需任何硬质工模具或模型的情况下,能快速制备出不同材料的复杂形状零件,缩短制造周期,增强产品竞争优势,特别有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产。所成型零件致密度高,具有快速凝固组织特征,能满足直接使用要求,在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景。此外,还可以通过改变成型材料,得到不同部位由不同材料组成的零件,与材料设计相结合,可发展材料的智能制备系统。我国清华大学、西安交通大学、华中理工大学、北京隆源自动成形公司等相继开展了快速成型理论、工艺方法、设备、软件、材料等方面的研究,并在工业造型设计、新产品样件制造、快速注塑模具及压铸模制造中得到应用,但采用快速成型方法直接制备致密金属零件方面的工作还没有真正开展,因此需大力加强对该技术的研究。
参考文献
1.Anonymous.Laser
s
and
Repairs
Workpieces[J].
Manufacturing
Engineering，2008,2.
2.尚晓峰，等.激光工程化净成形技术的研究[J].
工具技术，2004,1
3.姜淑娟,等.
金属粉末激光成形过程中的闭环控制研究[C].2007
4.Abbott
D
H,ARCELLA
F
G.
Laser
ing
titanium
components
[J].Advanced
Materials
and
Processes，May
1998.
5.Journal
of
Materials
Processing
Technology
Volume
147,Issue
2,10
April
2004,Pages
167–173
Laser
direct
manufacturing
of
tungsten
nickel
collimation
component
摘要
Laser
direct
manufacturing
(LDM)
has
been
intensively
developed
in
recent
years
to
directly
and
flexibly
manufacture
metallic
components
with
full
metal
density,functions
and
properties,especially
for
some
specific
materials
or
geometry.
This
paper
presents
a
project
work
on
laser
direct
manufacturing
a
novel
designed
collimation
component
for
an
out-space
hard
X-ray
modulation
telescope.
The
research
work
contained
the
characteristics
of
overlap
multi-pass
laser
cladding
of
tungsten
or
tungsten
nickel
alloys,microstructure
analyses,technique
stability
of
laser
direct
manufacturing,and
the
final
direct
manufacturing
of
tungsten
nickel
collimation
component.
The
results
proved
that
laser
direct
manufacturing
could
be
well
used
to
manufacture
specific
material
and
geometry
component
of
good
quality,which
are
very
difficult
or
even
impossible
by
conventional
manufacturing
s.
激光直接制造钨镍准直组件
摘要：激光直接制造（LDM）已被深入近年来发展起来的直接和灵活的制造全金属的密度，功能和性能，特别是对一些具体的材料或几何形状的金属部件。本文提出了一种激光直接制造出空间硬X射线调制望远镜设计一种新型的准直组件项目工作。研究工作中的特性重叠的钨或钨镍合金，显微组织分析，激光直接制造技术稳定性，钨镍准直组件和最终的直接制造的多道次激光熔覆。结果证明，激光直接制造，可以很好地用于制造特定的材料和几何形状的组件的质量好，通过以往的制造方法这是非常困难甚至是不可能的。
Keywords：
Laser
direct
manufacturing
，
激光直接制造
;
W/Ni
alloy;
W
/
Ni合金
;
Collimation
component
；准直组件
Rapid
prototyping
(RP)
is
a
unique
manufacturing
strategy,which
can
produce
any
complex
prototypes
with
good
accuracy
directly
from
a
computer
CAD
model
without
any
part-specific
tooling
or
knowledge.
With
the
capability
of
adding
metal
properties
or
functions
into
the
of
the
typical
prototyping
process,laser
direct
manufacturing
(LDM)
has
attracted
intensive
research
interests
in
recent
years
to
directly
and
flexibly
manufacture
metallic
components
with
full
metal
density,functions
and
properties,especially
for
some
functional
gradient
materials,super
hard
materials,compounds
and
specific
materials
or
geometry,which
are
very
difficult
or
even
impossible
by
conventional
manufacturing
s.
Steen
and
Mazumder
first
tested
the
idea
of
rapid
prototyping
by
laser
cladding
in
1993
[1]
and
[2],metallic
components
were
reported
to
be
generated
by
laser
cladding
in
1996
[3],3D
components
of
H13
tool
steel
were
fabricated
by
Direct
Metal
Deposition
in
1997
[4],then
a
lot
of
further
research
work
was
pered
in
many
different
institutes
with
different
names
for
the
direct
manufacturing
process
and
great
progress
has
been
made
during
recent
years[5],[6],[7],[8],[9],[10],[11],[12],[13],[14]
and
[15].
LDM
is
a
novel
layer
additive
manufacturing
technology.
A
high
power
laser
beam
is
focused
onto
the
surface
of
a
workpiece,a
coaxial
small
stream
of
powdered
metal
is
then
injected
into
the
melt
pool
to
a
metal
clad
pass.
By
moving
the
laser
beam
back
and
forth
and
tracing
out
a
pattern
determined
by
a
CAD,a
solid
metal
part
is
built
point
by
point,line
by
line
and
layer
by
layer.
Due
to
its
rapid
solidification
characteristic,the
metal
part
produced
is
of
superior
quality
and
strength.
LDM
is
the
laser
cladding
based
combined
technology
including
lasers,powder
metallurgy,CAD/CAM,CNC,sensors
and
automation
control.
LDM
is
the
further
development
in
RP
and
laser
cladding
technology,which
promotes
the
present
RP
technology
from
the
limited
materials
such
as
polymer,paper
and
coated
powder
into
the
versatility
of
numerous
metals
and
alloys.
LDM
is
considered
to
be
one
of
the
promising
metalworking
technologies
impacting
manufacturing’s
bottom
line
and
is
a
typical
high-tech
and
greener
advanced
manufacturing
technology.
LDM
can
be
well
used
for
producing
small
batches
of
specific
material,specific
properties
and/or
specific
geometry
valuable
components,which
are
normally
unavailable
or
very
costly
by
conventional
s.
This
paper
presents
a
project
research
work
on
laser
direct
manufacturing
a
novel
designed
specific
collimation
component
for
an
out-space
hard
X-ray
modulation
telescope.
According
to
the
physical
requirements,the
material
of
the
collimation
component
should
be
made
by
high
melting
point
and
high
density
alloys
like
tungsten
or
tungsten
alloys
in
order
to
effectively
absorb
the
hard
X-ray
radiation
with
declining
incidence
from
the
out
space.
The
collimation
component
is
a
thin
cylinder
with
diameter
of
191
mm,height
of
300
mm
and
thickness
of
3
mm,within
which
are
five
main
ribs
and
144
second
ribs.
With
such
specific
material
and
geometry
requirements,it
is
very
difficult
or
even
impossible
to
manufacture
by
conventional
casting
or
welding
and
very
costly
by
spark
cutting.
LDM
offers
a
novel
technology
for
this
task
being
both
cost
effective
and
time
effective.
Although
the
intersection
pattern
of
the
collimation
component
is
not
very
complicated,the
height
of
the
cylinder
(300
mm)
and
the
parallelism
requirement
of
the
main
ribs
(2/1000)
in
the
thin
cylinder
is
a
big
challenge
for
manufacturing.
To
meet
these
requirements,the
stability
of
the
laser
cladding
and
manufacturing
techniques
were
essential.
Laser
cladding/manufacturing
is
a
multiple
parameter
process
including
laser
power,beam
diameter,scanning
speed,powder
feeding
rate
etc.
The
manufacturing
quality
relates
not
only
to
the
stability
of
any
single
parameter
but
also
to
the
stability
of
the
entire
process
as
in
Fig.
6.
In
many
cases,it
is
necessary
to
in
situ
monitor
the
temperature,geometry
and
standoff
between
the
nozzle
and
the
workpiece
and
then
close
loop
control
the
laser
power,the
powder
feeding
rate
and
the
standoff
in
order
to
achieve
good
quality.
In
the
present
study,an
open
loop
control
was
applied.
The
stability
of
the
laser
output
power
was
±0.5%;
the
stability
of
the
powder
feeding
rate
was
±2%.
The
measured
stability
of
the
temperature
in
the
melt
pool
is
shown
in
Fig.
7,and
looks
rather
good.With
the
above
hardware
conditions
and
specific
CNC
program,a
simulated
cylinder
with
thickness
of
3.0
mm,diameter
of
30
mm
and
height
of
185
mm
was
manufactured
to
test
the
stability
of
the
technique
and
the
system
(Fig.
8)
with
the
parameters:
laser
power
of
2000
W,beam
diameter
of
3
mm,scanning
speed
of
0.3
m/min
and
powder
feed
rate
of
8
g/min.
The
result
is
shown
in
Table
4.
The
manufactured
sample
demonstrated
that
the
present
laser
rapid
manufacturing
system
and
process
was
stable
enough
to
produce
good
practical
components.
1