金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展.pdf

第卷 增干 红外与激光工程年月 金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展 吴峥强 来克娴 广东轻工职业技术学院机械与电子工程系 广东 广州 摘要选区激光熔化是为了直接获得致密的金属零件而发展起来的一种新型快速成型工艺 该 方法利用直径 一 的聚焦激光束 把金属或合金粉末逐层选区熔化 堆积成一个冶金结合 组织致密的 实体 其外形不需进一步加工 经抛光或简单表面处理就可直接作模具或工具使用 阐述 了目前设备 工艺 软件等方面的现状 发展及应用 关键词金属零件直接制造 快速成型选区激光熔化 中图分类号文献标识码文章编号 一 增 一一 一 砂 一 一 盯 一 盯 乙 于 林 引言 快速成型 技术是通过材料添加法直接制造实体模型的技术总称 己经被广泛地用 于缩短产品生产周期 虽然此技术包括很多种不同的工艺 但最基本的思想是根据电脑中的数据用逐层 添加方式直接成型具有特定儿何形状的零件 它突破 了传统加工方法去除成型的概念 采用添加材料的方法 成型零件 不存在材料去除的浪费问题可 显著缩短零件制造周期 增强产品竞争优势成型过程不受零件 收稿日期 作者简介 一一 吴峥强 一 男 湖北武汉人 硕 几要从 不材料加 成型 一 艺 机械产品设计方血的研究丁作 二 鳖一一一一一里堕些二兰进全竺立三 二 一 迁二色 复杂程度的限制 因而具有很大的柔性 特别适合于单件小批量产品和样件的制造 当前发展起来的多种技术中 多数不能直接用于金属零件的制造 往往是用非金属材料制造出零 件的模具 然后再浇铸成金属零件 但工业上对金属零件的直接快速成型技术更感兴趣 近年来此技术也成 了即技术的主流发展方向 金属零件选区激光熔化 直接成型是一种新型的 即技术 它能一步加工出具有冶金结合 致密度接近 具有一定尺寸精度和表面粗糙度的金属零件 它可以大大加快产品的开发速度 具有广阔的发展前景 也是国外研究的热点领域之一 选区激光熔化技术的基本原理 技术基于快速成型原理 从零件的几何 模型出发 通过软件分层离散和数控成型系统 用激 光束把金属或合金粉末逐层熔化 堆积成一个冶金结 合 组织致密的实体 图是原理示意图 在计 算机上设计出零件的三维实体模型 通过专用软件对 该三维模型进行切片分层 得到各截面的轮廓数据 将这些数据导入快速成型设各 设备将按照这些轮廓 数据 控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料 逐步堆叠成三维金属零件 金属零件快速成型的主要方法 选区激光熔化成型原理示意图 口匕 图 目前 可以直接成型金属零件的快速成型方法主 要有三种第一种是选区激光烧结制造金属 零件 即用低熔点金属或有机粘接材料包覆在金属粉末表面 激光选区照射时 激光作用下低熔点金属或粘 接材料熔化 而金属粉末不熔化 形成的三维实体为类似粉末冶金烧结的坯件 实体存在一定比例孔隙 不 能达到密度 力学性能也较差 常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理才能使用 这种 方法多采用激光器 光斑尺寸在 一 由于功率密度不高 工业上较少用于金属粉末的烧 结 多用于工程塑料或有机材料粉末的烧结 第二种方法是激光熔覆快速成型 美国称之为 翻 即访 德国称之为 在我国称为激光熔覆或近形制造 该方法采用同轴环形粉末喷嘴 并使用大功率固体激 光器或激光器 输送的粉末汇聚点与激光作用点重合 通过工作台或喷嘴移动 获得堆积的熔覆实体 致 密度接近 其组织具有快速凝固特征 性能较常规方法略有提高 然而 此技术使用的是大功率激光器 包括千瓦级的激光器 虽然可以得到冶金结合的致密金属实体 但由于激光作用区的光斑较大 一般在 左右 所以所得金属零件的尺寸精度和表面粗糙度都较差 只能制作粗毛坯 需精加工后才能使用 第三种方法是选区激光熔化直接成型 这种方法是在选区激光烧结基础上发展起来的 主 要区别在于所用激光器和聚焦斑点尺寸的不同 金属粉末完全熔化 产生冶金结合 与相比 它需要高功 率密度激光器 可聚焦到几十微米大小的光斑 由于材料吸收问题 波长为 林 的激光器很难满足要 求 由于光束模式差也很难达到要求 它可使用光束模式较好的半导体泵浦激光器或光纤激光器 功率在 一 功率密度达以上 增刊 吴铮强等金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展 选区激光熔化设备开发 欧洲著名的方案提供商 推出了直接 成型金属的设备见图 将它用于可以成 型压铸工具 注射模以及由一定成分金属和陶瓷的医学植入 体 其设备采用的固体光纤激光器 振镜扫描 利用该 设备可以通过层与层之间相互粘结最小铺粉层厚约 林 实现专用金属粉末的近完全密度快速成型 能加工出 表面精度较高 厚度小于 林 的薄壁件 其成型室尺寸为 成型速度为 爪 加工完成后 的零件表面粗糙度约为 一 林 近几年德国的公司推出的诩 刃型设备 主要用于快速成型产品以及塑料模具加工 刀具的制造 与 图选区激光熔化设备 相比 脱 的最大变化是将的激光器换为固 明 体光纤激光器 尽管功率仍维持不变 但最小光斑 较减少了二三倍 仅为 林 因此功率密度大幅提高 可支持更高的扫描速度 减少零件的激光热 影响和成型过程变形 短波激光具有很高的热转换效率 最大扫描速度可达耐 成型量可达 一加 铺粉层厚 一 林 视成型粉末材料而定 加工室容积为 德国的 叩 韶公司最新生产的用于金属快速成型的设备采用半导体泵浦的单模 激光器 激光功率为 具有良好的光束质量 功率稳定性和长的使用寿命 德国的与 讼司合作开发了 技术 在设备方面 使用和公司制造的半导体泵 浦的激光器和 讼司开发的三维光学扫描器 成型室及分层软件 日本的实验室 的技术研究取得了很大进展 他们将峰值功率 平均功率 频 率为的激光通过光纤传输到加工室 在加工平面上的光斑直径为 零件层厚为 扫描速度可达 对钦金属粉末进行实验 可制成致密度为的金属零件 其抗拉强度达到 但抗疲劳性能较差 仍需进行一些处理才能使用 选区激光熔化工艺及材料 等 对不锈钢 一 不锈钢 工具钢一和钦合金进行了 工艺研究 对样件进行了致密度 抗拉强度 尺寸精度及表面粗糙度分析 发现用上述材料加工出来的零件 致密度都接近 并且力学性能都很好 如用粉末加工出来的样件抗拉强度比该种金属的片状试 件还要高 至于断裂强度则相对较差一点 零件的表面粗糙度和尺寸精度是工业应用的决定性因素 他 们所制成试样的粗糙度可达一 娜 在丫 三个方向的最小尺寸精度不低于 限于成型室尺 寸 现阶段所能成型的金属件的最大尺寸为 所能达到的最小结构为 卜 厚的类 似网状的织物 除了直接制造功能性原型以外 小批量制造模具嵌入件也是其应用的一个重要方面 川 它能大大提高模具设计和制造的灵活性 模具设计者在设计冷却通道时也不必局限于能否用传统方法加工 如制造图所示的内部带有与型腔相似形状冷却槽的注射模嵌入件 最后被装配到模具中 与传统加工方法 相比 该方法就省去了制造放电加工电极和进行放电加工的时间 可以节省大约的时间 而目 红外与激光工程激光技术与应用 第卷 这种冷却通道还可以缩短注射周期和工件的收缩 当然缩短的时间与一次脱模成型件数有关 因此这种设计 对一次多模就更加适用了 目前正在研究它们在生产时的性能 更进一步研究的重点将是用工具钢来制造模 具嵌入件及对其进行使用寿命测试 图用方法制成的不锈钢注射模嵌入件 刀 坷 不同粉末材料在激光扫描线直接照射下的行为会有很大不同 这主要取决于材料本身的特性 颗粒形状 尺寸等因素 目前公司技术设备所用的材料有锌 青铜 不锈钢 工具钢 钦 铬钻合金等 公司推出了用于金属成型的粉末 其硬度可达 强度达 用制作的模 具镶块用于注塑模 其寿命可达万件 等 研究了脉冲扫描和连续扫描方式对工艺的影响 实验使用德国 一 盯公司的 固体脉冲激光器 可采用连续和脉冲两种输出模式 脉冲频率可调 加工在真空室里进行 研究表明 采用脉冲扫描方式比连续扫描方式能得到更致密的金属零件 丫 等川对扫描速度 扫描线间距 激光功率 金属粉末层厚等对金属零件整体成型质量的影响进行 了研究 发现随着激光功率的增加 成型的金属零件的抗拉强度变大了 但是表面粗糙度和尺寸精度却变差 了 随着扫描速度的增加 抗拉强度减小 但尺寸精度和表面粗糙度却得到了改善 在相同的扫描速度和激 光功率下 随着扫描线间距的增大 金属零件的抗拉强度减弱了 表面粗糙度变差了 但尺寸精度却有所改 善 在相同的扫描速度和扫描功率下 随着金属粉末层厚的增大 金属零件的抗拉强度减弱了 表面粗糙度 变差了 但对尺寸精度的影响不大 选区激光熔化技术的发展趋势 设备方面 设备的核心部件是激光器 目前在激光器选用上要解决的关键问题是如何进一步提高激光的光束质 量和响应速度 在较小光斑的前提下 单位面积内的激光能量的提高意味着可以达到更高的扫描速度和表面 精度 加工效率也会随之提高 近年来激光器的研究进展很快 半导体泵浦激光器具有体积小 重量 轻 效率高 性能稳定 可靠性好 寿命长及能获得高光束质量输出等优点 己被应用到了设备中 德 国的公司的金属零件快速成型设各就采用了半导体泵浦激光器 激光功率为 一 光纤激光器的研究进展为该技术提供另一种激光器 公司的 一 和 一 两个 系列 光纤激光器是半导体泵浦单模激光器的革命性的新 一代代表 近红外波长范围内线性偏振的镜光纤激 光系统具有其独特的高能量 高光束质量和光纤传输效率 它们的主要共同特点有 激光波长范围 一 高光束质量 矿 电光转换效率泵浦二极管寿命空冷或水冷单模光纤 传输 衍前者具有一的输出光能量 多应用犷材料加工 医学等领域后者具有 一 的输 增刊吴铮强等金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展 出光能量 多用于微加工 雕刻 切割 烧结等 公司的 系列 对眼睛安全 高能量单模饵光纤激光 器的主要特点输出光能量为激光波长范围为 一 加光电转换效率高光束质 量 泵浦二极管寿命 该系列激光器主要应用于打标 微加工 生物医学 烧结等领域 公司的高能量光纤激光器的主要特点为额定输出能量高光束质量 矿 上升 时间用户可选光斑可聚焦到 料 以 一下 高稳定性可靠性内输出能量变动 二极管寿命平均无 故障时间 其主要应用在微加工切割薄金属 精密焊接 弯曲 压焊 打标 雕刻 凹版印 刷等方面 软件方面 技术与其他快速成型技术相比 所用软件的三维模型设计和 切片功能相同 如都可采用 尼 歹 进行三维模型设计 都可采用 等来进行 片处理 不同之处主要表现在扫描路径的规划上 这主要是因为金属粉末在熔化过程中所表现出来的受热特 性不同于一般非金属材料 所用软件主要采用以下几种扫描路径优化方案就近原则算法 广度优先算法 深度优先算法 深 度一广度混合算法 深度一广度混合算法一般用于截面形状复杂的零件的扫描路径优化 它是在整体深度算 法的基础上局部采用广度算法 其扫描区域的划分原则是按照平面道路连通区域来划分整个切片上的扫描 区域 一个平面道路连通区域对应一个子扫描区域 就现有软件系统来说 还存在着一些明显缺陷 如加工 大尺寸零件时不方便 文件形成后修改很困难 软件的编制缺乏智能性 零件的制造质量与使用人员的 水平和经验密切相关 工艺方面 的主要特点是金属粉末在激光辐照下达到完全熔化 因而激光熔化过程中材料内存在高的温度梯度 会伴随着残余应力的产生 这可能导致由于变形 分层或裂纹而造成的零件报废 此外 热应力 球化效应 也是层与层之间牢固粘结的重要障碍 只要克服 球化 现象 技术比技术应该更具市场前景 该 项技术现存的主要问题是如何进一步提高三维实体的尺寸精度和近型性 这也是国内外学者研究的难点 市场应用方面 目前 技术已应用到医学 模具和量具制作等多个领域中 整形外科中所用到的牙齿植入体 补牙 材料通常采用钦及其合金 与铬 一钻合金和不锈钢相 比 它们具有良好生物相容性 高强度以及与人体骨骼类 似的弹性模数 等介绍了采用技术 以粉末为材料制造人工骨的工艺流程 公司己用该技术制造大型量规 精密的金属模具嵌入件及薄壁金属零件等 所加工出来的金属零件在尺 寸精度 表面粗糙度及力学性能上都相当不错 结论 选区激光熔化技术是一种新型的金属零件快速成型技术 它能制造出尺寸精度为切 表面粗 糙度 一 林 致密度接近的金属零件 的成型材料和应用领域不断拓宽 工艺也处于不断 完善之中 金属材料主要选有钦合金 工具钢 镍基合金 不锈钢 锌 青铜 铬钻合金等 等人用不锈钢 一 不锈钢 工具钢一和钦合金 等材料 使用方法 红外与激光工程激光技术与应用 第卷 已经加工出了致密度接近 且力学性能不错的零件 除了在医学 模具等领域已经获得了应用外