金属快速成型

1、金属的快速成型金属零件的快速成形是基于离散堆积原理,首先在计算机中生成最终功能零件的三维 CAD 模型，然后将该模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息离散为一系列的二维数据，然后将二维数据转换成扫描路径数控代码，控制成形系统按照每一层的形状信息逐层堆积材料得到最终三维实体零件或仅需进行少量加工的近形件。金属快速成型的分类 可根据材料在沉积时的不同状态将金属快速制造工艺分为三大类: 第一类材料在沉积反应前已位于沉积位置上,这类工艺以选择性激光烧结(SLS)为代表。 第二类,材料在沉积反应时才送入沉积位置,这类工艺以激光工程化净成形(也称为激光沉积，激光快速沉积，直接金属沉积等)为代

2、表。 第三类,材料在沉积前已经在远离沉积区域的地方熔化,形成熔融态微滴后直接沉积到沉积位置,这种方法有电弧喷涂成形等。选区沉积 第一类工艺过程是粉末态材料先铺展在沉积区域,再用激光逐点逐行烧结或熔化,称之为选区沉积工艺。 直接选区激光烧结是利用激光直接烧结金属粉末得到成形零件。 间接法激光烧结是有机粘结剂粘结了金属粉末颗粒。 电子束选区熔化技术是高能电子束选择性的熔化金属粉末层，逐层加工生成金属实体的成形工艺。直接选区激光烧结 单一金属粉末：单一金属粉末的直接选区激光烧结中出现明显的球化和集聚现象, 造成烧结变形、密度疏松等成形缺陷。适当提高扫描速度或减小激光功率可减小球化倾向。激光烧结铝粉球

3、化现象 不锈钢的球化现象 多组元金属粉末：多组元金属粉末是指由两种以上的粉末混合而成的金属粉末,通常主体金属粉末充当结构材料,其它辅助粉末充当粘接材料或作为添加剂抑制烧结过程的氧化与球化现象,从而改善烧结成型性能。 分为三个界线不明显的阶段第一,液相生成和颗粒重排阶段;第二,固相溶解和析出阶段;第三,固相骨架形成阶段 预合金粉末:不同于固定熔点的单组元金属,预合金粉末在熔化-凝固的过程中存在一个固液共存的区间。预合金粉末颗粒的粘结也必须通过液相烧结来完成,烧结温度在其组元的液相线温度和固相线温度之间进行选择,称之为超固相线液相烧结。间接法激光烧结金属粉末与有机粘结剂的混合方法有两种：(1)利用

4、有机材料包覆金属材料制得的覆膜金属粉末，这种粉末的制备工艺复杂，但烧结性能好，且所含有机材料比例较小，更有利于后处理；(2)金属与有机材料的混合粉末，制备较简单，但烧结性能较差高聚物膜粉末颗粒a 覆膜粉末 b 混合粉末 间接法的缺点：烧结后的成型件孔隙率较大,强度也不是很高,必须经后处理才能成为密实的金属功能件。而在后处理过程中零件的尺寸和形状精度会降低。 后处理一般有三步：降解聚合物，二次烧结和渗金属。 电子束选区熔化电子束的优点：各种金属材料对电子束具有稳定的高吸收率。适于加工高反射率的钛、铝和高熔点的钨等材料。电子束偏转聚焦系统不会被金属蒸镀干扰。电子束的偏转聚焦控制更加快速、灵敏。钛合

5、金骨骼替代物电子束对粉末的冲击大,不利于成形;另外,利用电子束熔化金属粉末,须在真空室内成形,对环境和硬件的要求高,设备及运行成本高 第二类工艺过程是由高能激光在沉积区域产生熔池并高速移动,材料以粉末或丝状直接送入高温熔池,熔化后沉积下来, 称之为熔覆沉积工艺。该类工艺的基本特征是在基体上形成熔池的同时将沉积材料送入,随着熔池移动而实现材料在基体上的沉积。 激光工程化净近成型是选择性激光烧结技术和激光熔覆技术相结合 电子束实体自由成型技术激光工程化净近成型 金属粉末从粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置形成熔化堆积过程。它的最大特点是制作的零件密度高、性能好,可作为结构零件使用。 根据送粉方式的 不

6、同，分为同轴 送粉和侧向送粉缺点：送粉位置与激光中心很难对准，少量的偏差将会导致粉末利用率下降和熔覆质量的恶化。侧向送粉装置只适合于线性熔覆轨迹的场合,如只沿着X方向或Y方向运动,不适合复杂轨迹的运动。侧向送粉同轴送粉激光工程化净近成型存在的问题：(1)体积收缩：因为在高功率激光熔覆作用下，加工后金属件的密度将与其冶金密度相近，从而造成较大的体积收缩现象。(2)粉末爆炸迸飞问题:粉末爆炸迸飞是指在高功率脉 冲激光的作用下，粉末温度由常温骤增至其熔点之上 而引起其急剧热膨胀致使周围粉末飞溅流失的现象。这两个问题造成激光近形制造技术与选择性激光烧结技术相比,零件的成形精度要低。由于粉末输送的不稳，

7、激光熔覆轨迹的厚度和宽度会发生波动,喷涂时有些粉末会粘在正在固化的材料上.这些粘附的粉末将会影响零件的表面质量。采用逐层熔覆机械修整的方法可以解决这个问题,即每次激光熔覆过后,对熔覆轨迹进行械修整.使激光熔覆轨迹符合要求的厚度和宽度,反复进行这一过程,直到整个零件制作完成。这个过程被发展成为形状沉积形状沉积 形状沉积制造是一个生产工艺过程,而不是单一的快速原型制造方法。 形状沉积制造的几何分层方法 灵活,可以根据零件的构造采用 平面层或非平面层进行分割,这 不但可以提高制造的效率，而 且可以消除常规的快速原型制 造方法制造的带有倾斜表面的 零件中常见的阶梯形效应,得到 光滑的零件表面形状沉积制

8、造技术可选的材料沉积工艺方法(a)是一种非连续焊接过程,用于沉积离散的过热熔化金属滴来形成稠密的、冶金上连接在一起的结构,沉积的材料可为不锈钢和铜等金属材料。(b)用热喷的方法来沉积高性能的薄层材料(c)用于高速地沉积合金钢材料电子束实体自由成形技术 成形中电子束位置固定，熔池相对底座位置不变，具有三个自由度的成形平台连续移动，熔池冷却后金属材料形成冶金结合，实现零件的成形。电子束实体自由成形技术设备示意图等离子熔积成形 等离子熔积加工系统 等离子熔积多向层积成形缺陷 气孔，等离子熔积气孔的影响因素主要包括： 扫描能量大小，粉末材料的湿度和水分极大的影响成形过程中的气孔问题。 裂纹是等离子熔积

9、多向层积成形中最常见也是最为致命的工艺缺陷等离子熔积叶片零件产生的裂纹 裂纹的产生受组织生长、残余应力、熔积工艺等的影响。熔滴沉积工艺的基本特征是将熔化了的金属熔滴沉积在基体上,与基体形成冶金结合,随着沉积位置的改变而实现零件的成形制造。 均匀微滴喷射技术 三维焊接熔覆快速成形 多相组织的沉积制造 电弧喷涂成型均匀微滴喷射技术其原理为选择性带电均匀液滴作为沉积材料，经过偏转电极后在基板上准确定位,逐层堆积,成形出复杂的几何造型。 微滴可以分为带电和不带电两种，带电的微滴由回收槽回收，不带电的微滴沉积在准确移动基板上 微滴的带电量也可以根据偏转距离的大小选择不同,从而减少基板在平面运动上的一个自

10、由度。 成形精度与液滴的大小、均匀度及基板的运动精度有直接的关系, 微滴喷射技术主要有连续喷射模式和按需喷射模式两类。 连续喷射工作速度比按需喷射模式快。但连续液滴喷射模式存在液滴直径难以细化,成型分辨率低的缺点。此外,这种微滴喷射模式结构比较复杂。 按需喷射是在外力作用下,打破喷口附近的平衡状态,形成射流,同时控制射流断裂成滴 按需喷射装置采用的驱动方式可以分为气压驱动式、压电式、机械式、超声聚焦式和应力波驱动式等。三维焊接熔覆快速成形 其本质上是采用各种弧焊热源使金属熔化与过渡沉积的焊接工艺 根据快速成形系统所使用的焊接熔覆工艺的不同该技术可分为熔化极气体保护焊、非熔化极气体保护焊、钨极氩

11、弧焊、熔化极氩弧焊等。 该技术的优势在于，在金属零件快速制造的金属堆积方法选择方面，有多种成熟并高效的焊接工艺方法可供选择，并且强度及其他性能完全能够满足使用要求。 基于 GMAW 熔敷焊接的快速成形技术的成形件多层单道焊缝直壁墙三维焊接的一般焊接装置 利用等离子放电加热金属丝材料，熔化的材料熔积到工件逐渐成型。采用多个喷头时可以使一个完整的器件由不同材料组成多相组织的沉积制造电弧喷涂成型 电弧喷涂制模技术是靠两根金属丝作电极，在喷枪端口相交短路产生电弧放热，使金属熔化，金属熔体受到高压气体喷吹，雾化并沉积在工件上成壳，快速复制工件的形貌，形成所需要的型腔，经后处理可得所需模具的一种工艺分层实

12、体制造 据三维模型截面轮廓线在计算机的控制下用CO2激光束箔材进行逐层切割、再用焊接方法逐层连接以形成零件各层的轮廓最终形成零件原型。分层实体制造只需沿截面轮廓线切割一层一层的薄片材料，无需对整个截面进行扫描，因此分层实体制造的成形速度快、生产效率较高。阻焊式分层实体制造结构原理图金属快速成型的不足 基于高能束直接制造的金属零件，在材料的致密性和力学性能方面有了很大的提高，但仍存在如下急需解决的问题： (1) 成形效率和精度。成形过程中的能量状况（能量的大小、分布和热效率等）和送粉状况（送粉速度、精度、粉末熔化状况等）等因素决定了成形零件的效率和精度。目前，成形零件的精度还不能很好地满足工程需要，需要采用机加工的方法进一步提高精度 (2)层与层之间的结合问题。界面问题将是影响该技术发展的障碍，由于逐点、线、面的生长特点，成形过程中总是不断的形成新的表面，受环境的影响，表面的纯净度很难保持，并不断被后续层覆盖，从而造成内部质量的恶化，使得成形实体 的力学性带有明显的方向性，平行方向和垂直方向的力学性能相差会达到 520%。(2) 零件内部残余应力问题。熔积层在成形过程中经受反复的加热和冷却过程，内部应力状况非常复杂，甚至造成零件的变形、开裂，