智能制造工艺原理与应用 课件 7-先进制造之增材制造3

机械工程学院/高端装备研究院增材制造技术机械工程学院/高端装备研究院金属增材制造赵志斌金属增材制造第三章激光选区熔化1激光熔覆沉积2电子束选区熔化3目录电子束/电弧熔丝沉积4固态焊增材制造5激光选区熔化1激光熔覆沉积2电子束选区熔化3激光选区熔化电子束/电弧熔丝沉积4固态焊增材制造51.1技术发展历史德国Fraunhofer激光技术研究所1995年首次提出了SLM技术激光选区熔化1995SLM技术元年Dimetal-2802007华南理工大学自主研发设备EOSM2902015打印设备集成监控系统2000光纤激光器首次引入SLM设备1.2成形工艺原理SLM设备加工原理示意图激光熔化原理金属粉末逐层熔化并发生冶金融合实现增材制造。1.2成形工艺原理SLM技术零件成形原理示意图打印件的支撑金属粉末逐层熔化并发生冶金融合实现增材制造。1.2成形工艺原理金属粉末逐层熔化并发生冶金融合实现增材制造。SLM的原理与过程1.3成形材料及工艺项目名称及特性粉末种类铁基、钛及钛基、镍基、铝基、铜等制备方法水雾化、气雾化、旋转电极法粒径分布/μm20~50氧含量/ppm≤1000水雾化原理气雾化原理旋转电极雾化原理成型材料及获取方法1.4成形设备EOSM290HKM250FS121M由光学系统、铺粉成型系统、气体循环净化系统、计算机控制系统以及其他辅助器件组成1.4成形设备光学系统、铺粉成型系统、气体循环系统介绍调节激光焦点振镜校准激光延时参数气体循环系统刮刀运动机构落粉盒结构铺粉装置结构1.5优缺点零件成型精度高零件致密性好成形材料广泛晶粒细小，组织均匀力学性能优异工艺相对复杂高功率密度的激光成本高易出现冶金缺陷成形尺寸受限技术和设备垄断优点缺点1.6典型应用轻量化结构航天零件轻量化多孔结构多孔结构是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的结构1.6典型应用植入体个性植入体植入体是一种植入人体代替人体受损部分的结构1.6典型应用复杂水道模具模具的水道是连接注料口和要铸的零件的通道，水道的布置可以是温度分布更均匀传统模具及温度分布SLM制造模具及温度分布复杂模具增材制造1.6典型应用复杂整体结构复杂整体结构是指传统加工方式无法一次性加工成形的复杂结构一体化增材制造1.6典型应用SLM典型应用1.6典型应用一体化成型激光选区熔化1激光熔覆沉积2电子束选区熔化3激光熔覆沉积电子束/电弧熔丝沉积4固态焊增材制造52.1技术发展历史激光近净成形技术LENS750航空零件激光近净成形技术（LENS）是在1979年由美国联合技术研究中心Brown等人提出197919971998LENS技术元年西北工业大学开展理论与实验研究，制造复杂零件商业化应用至今使用高功率激光器二氧化碳激光器2.2成形工艺原理LENS系统原理图LENS喷嘴示意图与SLM技术相比，激光熔敷沉积技术通常需要少量的机械加工，可以近净成形大型的复杂金属零件喷嘴送粉、激光熔化粉末形成零件2.2成形工艺原理LMD的原理与过程应生成粒度范围50-200μm的圆球形颗粒原因：过大难以熔化，内部组织、性能不均衡过小容易堵住喷嘴2.3成形材料及工艺成形材料应用示例铁基自熔性合金粉末石油钻杆、矿山机械钴基自熔性合金粉末汽轮机的叶片、燃料喷嘴镍基自熔性合金粉末涡轮叶片、模具其他自熔性合金粉末Cu基、Ti基、Al基矿山机械汽轮机叶片熔覆材料直接决定熔覆层的性能2.4成形设备HC-245ACCDMDIC106北京航空航天大学设备西北工业大学设备激光熔覆沉积送粉装置由激光器、送粉器等组成激光器LENS成型系统示意图2.5优缺点优点：复杂结构零件制造加工范围广难加工材料加工力学性能优异零件修复和再制造零件修复梯度材料制造2.5优缺点缺点：易出现冶金缺陷成形精度有待提高形状及结构受限粉末材料受限成形精度较低形状受限2.6典型应用随形冷却流道模具零件修复梯度材料制造2.6典型应用LMD典型应用激光选区熔化1激光熔覆沉积2电子束选区熔化3电子束选区熔化电子束/电弧熔丝沉积4固态焊增材制造53.1技术发展历史电子束选区熔化SEBM-250电子束选区熔化(SEBM)技术是20世纪90年代中期发展起来的一类新型增材制造技术。199520012007SEBM元年瑞典Arcam公司申请专利清华大学研发针对钛合金的SEBM设备SEBM工艺3.2成形工艺原理电子束选区熔化原理电子束选区熔化过程铺粉、使用电子束熔化，成形三维零件3.3成形材料及工艺成形材料制备方法粒度大小及原因不锈钢钛及钛合金氢化脱氢法20μm好于50μm易熔化流动性差，飞溅程度低Co-Cr-Mo合金TiAl金属间化合物等离子旋转电极法镍基高温合金铝合金气雾化法铜合金铌合金成形材料多样不锈钢粉末镍基高温合金粉末铜合金粉末3.4成形设备ArcamA2ArcamQ10plus主要部分由电子枪、真空系统组成电子枪系统3.5优缺点优点：不需保护气体无预热装置力学性能优异成型件无杂质不需要添加支撑抽真空系统成形零件致密性好3.5优缺点缺点：成形精度有待提高前期准备时间长降温时间长设备笨重工艺调试困难对人体有危害精度有待提高3.6典型应用SEBM制造的脚踝骨植入体植入物、航空航天飞机用多孔钛合金腿骨植入体胸骨植入体航天用复杂钛合金件飞机铝合金件3.6典型应用SEBM的典型应用激光选区熔化1激光熔覆沉积2电子束选区熔化3电子束/电弧熔丝沉积电子束/电弧熔丝沉积4固态焊增材制造54.1技术发展历史1999年2002年2004年2014年EBWD技术元年2006年美国成功制备航空零件Sciaky公司开发商用设备中航625所开始研究应用于F-35和空客A320neo电子束熔丝沉积（ElectronBeamWireDeposition,EBWD）4.1技术发展历史1865年1983年1996年2013年电弧焊技术元年德国使用WAAM技术制造零件与机器人结合的GMAW制造系统生产飞机机翼翼梁和起落架支撑外翼肋电弧增材制造（WireandArcAdditiveManufacture,WAAM）4.2成形工艺原理电子束熔化材料，金属丝送入熔池，堆叠成形电子束熔丝沉积原理电子束熔丝沉积成形4.2成形工艺原理4.2成形工艺原理电弧熔丝沉积原理电弧熔化金属材料，金属丝材送入熔池，堆叠成形4.2成形工艺原理4.3成形材料及工艺自动送丝系统高真空、难加工材料铝合金成形微观组织成形材料钛合金铝合金不锈钢钛合金成形微观组织4.3成形材料及工艺铁铝双送丝系统材料利用率高成形材料钛合金高温合金高强钢高强钢高温铝合金铁铝梯度材料修复叶片典型材料TC4钛合金观微观结构4.4成形设备兰利研究中心开发的EBF3设备在地型轻便型4.4成形设备Sciaky公司开发的EBDM设备北京航空制造工程研究所开发的EBF3设备各种成形设备4.5优缺点电子束熔丝沉积速度快效率高零件致密性好成型件杂志少热量累积严重致密性好杂质少电弧熔丝沉积设备成本低沉积效率高材料利用率高热输入高成形精度低材料利用率高设备成本低4.6典型应用钛合金零件铝合金零件航天零件4.6典型应用电弧熔丝沉积钛合金飞机零件飞机零件4.6典型应用增减材集成激光选区熔化1激光熔覆沉积2电子束选区熔化3固态焊增材制造电子束/电弧熔丝沉积4固态焊增材制造55.1技术发展历史2002年2005年2006年2007年FSAM被申请专利英国焊接研究所空客公司商业化尝试原有技术成形不好搅拌摩擦增材制造(FrictionStirAdditiveManufacturing,FSAM)5.1技术发展历史2011年2012年2016年摩擦沉积技术波音使用FSAM制造飞机结构件FSAM材料利用率提高美国MELD推出商业化设备2018年5.2成形工艺原理成形原理5.2成形工艺原理成形工艺分类搅拌摩擦增材制造搭接增材制造FrictionStirLapWelding摩擦堆焊FrictionSurfacing沉积式搅拌摩擦增材制造AdditiveFrictionStirDeposition5.2成形工艺原理FSLW原理FSLW流程搭接增材制造5.2成形工艺原理搭接增材制造5.2成形工艺原理摩擦堆焊5.2成形工艺原理摩擦堆焊5.2成形工艺原理沉积式搅拌摩擦增材制造原理粉末沉积式搅拌摩擦增材制造设备沉积式搅拌摩擦增材制造5.2成形工艺原理沉积式搅拌摩擦增材制造5.3成形材料及工艺成形材料轴向丝材原棒粉末颗粒板材金属板材成形材料多样搅拌摩擦原理摩擦沉积零件AFSP成形表面板材