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金属粉末熔化快速成型技术的研究进展

时间: 2011-07-16 06:04 来源: 作者: 点击:

     近年来诞生了选择性激光熔化(Slective Laser Melting,SLM)金属粉末的快速成型技术,用它能直接成型出接近完全致密度的金属零件。SLM技术克服了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术制造金属零件工艺过程复杂的困扰。用SLS技术制造金属零件的方法主要有:(1)熔模铸造法:首先采用SLS技术成型高聚物(聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS等)原型零件,然后利用高聚物的热降解性,采用铸造技术成型金属零件。(2)砂型铸造法:首先利用覆膜砂成型零件型腔和砂芯(即直接制造砂型),然后浇铸出金属零件。(3)选择性激光间接烧结原型件法:高分子与金属的混合粉末或高分子包覆金属粉末经SLS成型,经脱脂、高温烧结、浸渍等工艺成型金属零件。(4)选择性激光直接烧结金属原型件法:首先将低熔点金属与高熔点金属粉末混合,其中低熔点金属粉末在成形过程中主要起粘结剂作用;然后利用SLS技术成型金属零件;最后对零件后处理,包括浸渍低熔点金属、高温烧结、热等静压(Hot isostatic Pressing,HIP)。这些方法所制造的金属零件机械性能受低熔点金属的影响,而且零件精度受成型工艺过程的影响因素比较多。为此,德国Fraunhofer激光器研究所(Fraunhofer Institute for Laser Technology,ILT)最早提出了直接制造金属零件的SLM技术。

  选择性激光熔化技术的基本原理

  SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。为了完全熔化金属粉末,要求激光能量密度超过106W/cm2。目前用于SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、CO2激光器、光纤(Fiber)激光器。这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、10640nm、1090nm。金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高,而对10640nm等较长波长激光的吸收率较低。因此在成型金属零件过程中具有较短波长激光器的激光能量利用率高,但是采用较长波长的CO2激光器,其激光能量利用率低。
  在高激光能量密度作用下,金属粉末完全熔化,经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此过程,层层累积成型出三维实体的快速成型技术。
  根据成型件三维CAD模型的分层切片信息,扫描系统(振镜)控制激光束作用于待成型区域内的粉末。一层扫描完毕后,活塞缸内的活塞会下降一个层厚的距离;接着送粉系统输送一定量的粉末,铺粉系统的辊子铺展一层厚的粉末沉积于已成型层之上。然后,重复上述2个成型过程,直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕。这样,三维CAD模型通过逐层累积方式直接成型金属零件。最后,活塞上推,从成型装备中取出零件。至此,SLM金属粉末直接成型金属零件的全部过程结束。

  选择性激光熔化技术的研究现状与进展

  目前,国外应用SLM技术可制造模具、工具、生物移植物等金属零件。但技术仍不够成熟,其应用领域还不够广泛。SLM技术的研究主要针对以下几个方面:成型装备、金属粉末、成型工艺、成型机理、成型件性能、成型过程模拟和成型件的应用。

  1 选择性激光熔化装备
  SLM装备的许多方面都影响成型工艺及成型件的精度、机械性能。在开发SLM装备方面,只有德国、日本、美国等少数几个国家的生产商成功地开发了商用装备。这些公司包括德国的MCP、TRUMPF,日本的MATSUUR和美国的PHENIX。这些公司SLM装备的不同之处主要体现在激光器、聚焦面光斑尺寸、铺粉方式和活塞缸铺粉层厚等方面。
MCP公司和PHENIX公司的SLM装备应用的激光器为100W光纤激光器,激光波长为1090nm,其主要工作模式为CW/Modulated,光纤激光器激光束的输出模式为TEM00(Transverse Electromagnetic Modes);其光束横截面能量分布为高斯分布,且在传输过程中保持不变,光束质量好;激光束经聚焦后的激光光斑在30μm~250μm之间。
TRUMPF公司的SLM装备配备250W盘形激光器,激光波长为1030nm;光斑大小可变范围在200μm~400μm。
  MATSUURA公司的SLM装备采用500W脉冲式CO2激光器,激光波长10640nm,其峰值达1.5kW,频率达100kHz。光斑大小为600μm。
  除了以上公司进行SLM装备的商业生产外,还有包括比利时鲁汶大学、日本大阪大学等在内的高校从事SLM装备的研制。这些高校自行研制的SLM装备和上述公司商用生产的装备相似,主要是在激光器、聚焦光斑、铺粉层厚、铺粉方式等方面有所不同。
  目前国内主要有华中科技大学在这方面进行了研究,并不断地跟踪SLM技术的最新发展情况。华中科技大学快速制造中心已经研制出拥有自主知识产权的商品化SLM设备——HRPM系列金属粉末熔化成型设备。该设备采用了150W CW Nd-YAG激光器和100W CW光纤激光器,由武汉滨湖机电技术产业有限公司生产制造,已在市场上进行了销售,打破了国外公司在这方面的垄断,大大降低了该设备的价格,方便了国内的广大用户。

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