激光快速成形技术介绍

1、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,

2、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

3、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CA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

4、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

5、/ 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

6、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

7、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

8、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： 制造过程具有高度的柔性； 生产周期短，加工效率高； 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; 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； 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； 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

9、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 I2lied 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

10、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 1.064卩m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

11、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和丫方向已达0.05mm Z轴精度为0.4mm 表面粗糙度达到6.25 卩m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L

12、ENS R装备，图4所示为第三代成形机850-R,由12KW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 4.6811.7卩m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 85( R成形装备美国 Are o Met Corp. 与 John Hopk ins

13、U. , Pe nn State U. , M TS System s Corp. 合作, 在 Defense Advaneed Research Projects Agency及 Off iceof 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 I-2.5Sn,T i-6A I-4V )的柔性制造技术,其工作空间为3 m x 3mx 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

14、复。Sta nford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 Fraun hofer In stitute fo r Product ion Tech no logy, Un iversity of Birm in gham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

15、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

16、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. A nonym ous.Laser Forms and Repairs WorkpiecesJ. Manu facturi ng Engin eeri ng，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，2004,13. 姜淑娟，等.金属粉末激光成形过程中的闭环控制研究C.20074. Abb

17、ott D H, ARCELLAF G. Laser forming titaniumcomponents J.Advaneed Materialsand Processes ， May 1998.5. Journal of Materials Processi ng Techn ology Volume 147, Issue 2, 10 April 2004,Pages 167 - 173Laser directmanufacturingof tungsten nickel collimationcomp onent摘要 Laser direct manufacturing (LDM) ha

18、s been intensively developed in recent years to directlyand 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 co

19、mponent for an out-space hard X-ray modulati on telescope. The research work contained the characteristics of overlap multi-pass laser cladd ing of tun gste n or tun gste n ni ckel alloys, microstructure an alyses, tech ni que stability of laser direct manufacturing, and the final direct manufacturi

20、ng of tungsten nickel collimation component.The results proved that laser direct manufacturing could be well used to manufacture specificmaterial and geometry component of good quality, which are very difficult or even impossible by conven ti onal man ufacturi ng methods.激光直接制造钨镍准直组件摘要：激光直接制造（LDM ）已

21、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。本文提岀了一种激光直接制造岀空间硬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 manu facturi ng，激光直接制造 ;W/Ni alloy; W / Ni合金;Collimati on co

22、mp onent;准直组件Rapidprototyping(RP) is a unique manufacturingstrategy, which can produceany complex prototypes with good accuracy directly from a computer CADmodel without any part-specific tooling or knowledge. With the capabilityof adding metalproperties or functions into the form of the typical pro

23、totyp ing process, laser direct manu facturi ng (LDM) has attracted inten sive research in terests in recent years to directly and flexibly manu facture metallic comp onents with full metal density,functionsand properties, especially for some functionalgradientmaterials, super hard materials, compo

24、unds and specific materials or geometry, which are very difficult or even impossible by conventionalmanufacturingmethods.Stee n and Mazumder first tested the idea of rapid prototyp ing by laser claddi ng in 19931 and 2 , metallic comp onents were reported to be gen erated by lasercladding in 19963 ,

25、 3D components of H13 tool steel were fabricated by DirectMetal Deposition in 19974 , then a lot of further research work was performedin many differe nt in stitutes with differe nt n ames for the direct manu facturi ng process and great progress has been made during recent years5 , 6 , 7 , 8,9 , 10

26、 , 11 , 12 , 13 , 14 and 15.LDM is a no vel layer additive manu facturi ng tech no logy. 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 form a metal clad pass. By moving the laser beam back and forth

27、 and traci ng out a patter n determ ined by a CAD, a solid metal part is built point by poin t, li ne by line and layer by layer. Due to its rapid solidificationcharacteristic, the metal part produced is of superiorquality and stre ngth. LDMis the laser claddi ngbased comb ined tech no logy in cludi

28、 nglasers, powder metallurgy, CAD/CAM, CNC, sen sors and automati on con trol.LDM is the further developme nt in RP and laser cladd ing tech no logy, which promotes the prese nt RP tech no logy from the limited materials such as polymer, paper and coated powder into the versatility of numerous metal

29、s and alloys. LDM is con sideredto be one of the promisi ngmetalworki ngtech no logiesimpact ingmanufacturing' s bottom line and is a typical high-tech and greener advaneedmanu facturi ng tech no logy. LDM can be well used for produci ng small batches of specific material, specific propertiesand

30、/or specific geometry valuable components,which are no rmally un available or very costly by conven ti onal methods.This paper prese nts a project research work on laser direct manu facturi nga novel designed specificcollimationcomponent for an out-space hard X-raymodulati on telescope. Accord ing t

31、o the physical requireme nts, the material of the collimationcomponent should be made by high melting point and high density alloyslike tungsten or tungsten alloys in order to effectively absorb the hard X-ray radiati on with decli ning in cide nce from the out space. The collimati on comp onent is

32、a thin cyli nder with diameter of 191 mm, height of 300 mm and thick ness of 3 mm,within which are five main ribs and 144 second ribs. With such specific material and geometry requireme nts, it is very difficult or even impossible to manu facture by conventional casting or welding and very costly by

33、 spark cutting. LDM offers a novel tech no logy for this task being both cost effective and time effective.Although the in tersect ion pattern of the collimati on comp onen t is not verycomplicated, the height of the cyli nder (300 mm) and the parallelism requireme ntof the main ribs (2/1000) in the

34、 thin cylinderis a big challenge for manufacturing.To meet these requireme nts, the stability of the laser claddi ng and manu facturi ngtech niq ues were esse ntial. Laser claddi ng/ma nu facturi ng is a multiple parameterprocess in clud ing laser power, beam diameter, sca nning speed, powder feedi ng rateetc. The manu facturi ng quality relates not only to the stability of any