金屬粉末激光快速成形技術(shù)

1、 金屬粉末激光快速成形技術(shù) 羅建兵 2011031214 金屬粉末激光快速成形技術(shù)介紹 金屬粉末的激光快速成型技術(shù)是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光熔覆、快速成型于一體的先進(jìn)制造技術(shù), 是傳統(tǒng)加工成形方法的重要補(bǔ)充。本篇文章主要介紹了金屬粉末激光快速成形的原理、裝置組成及最新研究進(jìn)展, 并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。 快速成型技術(shù)(rp, rapid prototyping ) 是從1987 年開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)最初用來(lái)制造鑄造用模型, 后來(lái)發(fā)展到制造原型零件,主要用于模型或零件的直觀(guān)檢驗(yàn), 其關(guān)鍵是要求形狀準(zhǔn)確, 而對(duì)其力學(xué)性能沒(méi)有太高的要求, 所采用的成型材料主要有液體光敏樹(shù)脂、蠟、

2、紙等替代材料。目前, 美國(guó)、日本、德國(guó)已相繼開(kāi)發(fā)出多種快速成型技術(shù), 如液體光敏樹(shù)脂固化、熔融沉積成型、實(shí)體疊層制造、分層固化、選擇性激光燒結(jié)、3d 噴射印刷等技術(shù)。該技術(shù)在無(wú)需任何硬質(zhì)工模具的情況下, 可直接從計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)制造出實(shí)體零件, 在機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái), 快速成型技術(shù)有了新的發(fā)展, 已開(kāi)始在金屬材料、陶瓷材料的制備上得到應(yīng)用, 其主要目標(biāo)是快速制造出滿(mǎn)足使用性能的致密的金屬零件。傳統(tǒng)的快速成型方法成型金屬零件時(shí), 多采用樹(shù)脂包覆的金屬粉末作為原材料, 通過(guò)激光掃描使樹(shù)脂熔化將金屬粉末固結(jié)在一起; 也可采用噴射粘結(jié)劑的方法將松散的金屬粉末粘結(jié)成型。在成型后要經(jīng)過(guò)

3、脫粘、浸滲塑料、低熔點(diǎn)金屬或銅來(lái)加強(qiáng), 可制成鑲塊用在塑料注射模和壓鑄模中。如脫粘后經(jīng)熱等靜壓處理也可制成致密金屬零件, 但難以保證零件的尺寸精度。目前, 金屬零件的快速成型方法主要有間接激光燒結(jié)、直接激光燒結(jié)和液滴噴射沉積, 其中直接激光燒結(jié)技術(shù)是目前快速制備致密金屬零件的主要技術(shù)。1 基本原理 金屬粉末快速成形技術(shù)的基本原理， 是先由cad軟件產(chǎn)生零件實(shí)體模型， 然后由分層軟件對(duì)cad 實(shí)體模型按照一定的厚度進(jìn)行分層切片處理，獲取各截面的幾何信息，然后根據(jù)切片輪廓設(shè)計(jì)出掃描軌跡， 并將其轉(zhuǎn)化成nc 工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)指令。成形時(shí)具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同時(shí)金屬粉末由送粉器

4、送出， 經(jīng)送粉管路輸送到同軸送粉頭并進(jìn)入熔池形成熔覆層， 根據(jù)cad 給定的各層截面的路徑規(guī)劃，在nc 的控制下使送粉頭相對(duì)于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，將金屬材料逐層掃描堆積，最后制造出金屬實(shí)體零件。為防止某些金屬在成形的過(guò)程中氧化，以上過(guò)程可在一個(gè)氣氛可控的保護(hù)箱中進(jìn)行，或采用其它手段來(lái)進(jìn)行保護(hù)，使激光成形過(guò)程中的金屬不被氧化。金屬粉末激光快速成形原理如圖示。 圖1 金屬粉末激光快速成形原理2 系統(tǒng)組成金屬粉末的激光直接快速成型系統(tǒng)主要由軟件系統(tǒng)、激光器、數(shù)控系統(tǒng)及工作臺(tái)、粉末輸送系統(tǒng)及保護(hù)氣氛裝置組成軟件系統(tǒng)主要包括造型、數(shù)據(jù)處理及工藝監(jiān)控3部分。造型軟件負(fù)責(zé)完成零件的三維cad 造型設(shè)計(jì),并生成stl

5、 文件格式, 目前rp 所使用的造型件主要有pro/e ,uni graphics, solid works,auto cad 等,快速成型也可使用ct , mr i 掃描數(shù)據(jù)及三維數(shù)字化系統(tǒng)創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù); 數(shù)據(jù)處理軟件負(fù)責(zé)對(duì)模型的stl 文件數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷檢驗(yàn)及修復(fù)、插補(bǔ)、顯示、分層切片, 完成輪廓的偏置、掃描路徑生成、填充線(xiàn)的優(yōu)化、支撐的生成及加入加工參數(shù)等; 工藝監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理所生成的數(shù)控信息對(duì)成型系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的控制, 完成成型制造過(guò)程。激光器提供成型時(shí)金屬粉末熔化所需的能量, 目保護(hù)氣氛系統(tǒng)是為防止金屬粉末在激光成型過(guò)程發(fā)生氧化, 降低沉積層的表面張力, 提高層與層之間的浸潤(rùn)性, 同

6、時(shí)有利于提高工作安全。為防止金屬的氧化, 可采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的粉末輸送系統(tǒng)或在一密閉的手操箱內(nèi)成型( 一般要求氧含量低于100000.。前主要使用co 2 激光器和n bya g 固體激光器。金屬粉末快速成型所使用激光器的功率一般在幾百瓦到幾千瓦, 激光功率的大小及金屬粉末對(duì)激光的吸收將影響成型的速度。數(shù)控系統(tǒng)及工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)成型時(shí)的運(yùn)動(dòng)掃描、z 軸的升降, 在工藝監(jiān)控軟件支持下完成對(duì)激光器開(kāi)關(guān)、激光功率大小、掃描運(yùn)動(dòng)速度、送粉器開(kāi)關(guān)、送粉量及保護(hù)氣等的控制和調(diào)節(jié), 實(shí)現(xiàn)激光功率密度、掃描速度、送粉量之間的相互匹配, 完成零件的制造, 為保證成型零件質(zhì)量, 最好能實(shí)現(xiàn)對(duì)成型過(guò)程的閉環(huán)控制。穩(wěn)定可靠的粉

7、末輸送系統(tǒng)是金屬零件精確成型的重要保證。粉末輸送的波動(dòng)將使成型過(guò)程失去平衡, 并最終可能導(dǎo)致零件制備的失敗。送粉系統(tǒng)由送粉器及送粉噴嘴組成, 目前送粉器主要是采用等離子噴涂用送粉器, 利用載氣來(lái)輸送粉末, 送粉量通過(guò)調(diào)節(jié)送粉轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制, 具有較高的送粉精度及穩(wěn)定性, 但由于載氣流量大, 粉末運(yùn)動(dòng)速度過(guò)高, 而降低了粉末的沉積率。針對(duì)激光熔覆時(shí)粉末流量較低的特點(diǎn), 已開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)的送粉器。送粉方式有側(cè)向送粉和同軸送粉, 因同軸送粉能克服因激光束和材料引入的不對(duì)稱(chēng)而帶來(lái)對(duì)掃描方向的限制, 而在金屬粉末快速成型系統(tǒng)中得到較多采用。一般將同軸送粉裝置與激光頭固定在一起, 完成z 軸運(yùn)動(dòng), 且送粉噴

8、嘴與光頭(光斑) 相對(duì)位置可以調(diào)節(jié)。圖2同軸送粉噴嘴3 金屬粉末激光快速成形技術(shù)的特點(diǎn) 由于采用離散/堆積成形的思想， 與其它傳統(tǒng)制造技術(shù)相比， 金屬粉末激光快速成形技術(shù)有以下突出優(yōu)點(diǎn)： 制造過(guò)程具有高度的柔性； 生產(chǎn)周期短，加工效率高； 具有很高的設(shè)計(jì)靈活性， 真正意義上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化和并行化制造； 成形材料廣泛， 可實(shí)現(xiàn)多種材料以任意方式復(fù)合的成形技術(shù)； 所制造的零件具有較高的綜合力學(xué)性能， 強(qiáng)度高， 耐腐蝕性好； 應(yīng)用范圍廣， 不僅可以用于金屬零件的快速制造， 而且還可用于再制造工程中大型金屬零件的立體修復(fù)。4研究進(jìn)展快速成型技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展, 正逐步走向成熟, 在提高零件成型

9、精度、減少制造時(shí)間、降低制造成本等方面取得了顯著進(jìn)展。目前, 快速成型在原型和模型的制造方面, 已成為一種不可替代的先進(jìn)制造技術(shù)。據(jù) wholers統(tǒng)計(jì)報(bào)道, 到1998 年全世界已有3 300多臺(tái)快速成型設(shè)備投入使用。與此同時(shí), 利用快速成型系統(tǒng)進(jìn)行工模具制造及陶瓷材料的成型也得到了很大發(fā)展。近年來(lái), 隨著大功率激光器的出現(xiàn), 使得采用快速成型方法直接制造金屬零件成為可能, 近幾年來(lái), 美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)及大學(xué)在政府資助下對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究。 美國(guó)sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在能源部支持下, 與a l2lied signal inc. , eastman kodak co. , h

10、asbro inc. ,laser fare inc. 等合作, 研制開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)作l en s(laser engineered n et shaping) 的金屬零件快速成型技術(shù), 可直接由cad 固體模型制造出致密金屬零件。這種制造技術(shù)，其基本原理是先將cad 模型沿高度方向進(jìn)行水平切片，四個(gè)噴嘴將粉末流直接匯聚到噴嘴下方的一個(gè)中心點(diǎn)，進(jìn)入基材上由高能激光束加熱熔化形成的熔池中，通過(guò)基材相對(duì)噴嘴的移動(dòng)，層層堆積金屬并最終形成零件。lens 系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成： yag 固體激光器、可調(diào)整氣體成分的手套箱、多軸數(shù)控系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)。采用波長(zhǎng)為1.064m 的yag 激光器以利于金屬元素對(duì)

11、激光熱輻射的吸收。使用焦距為6 英寸的平凸透鏡，將激光束聚焦到加工平面上，使能量集中在很小的光斑上，一方面減少了熱影響區(qū)，另一方面提高加工精度；為了避免加工過(guò)程中金屬材料與空氣中的氧、氮等元素發(fā)生反應(yīng)，整個(gè)加工過(guò)程均在惰性氣氛保護(hù)下的手套箱中進(jìn)行。通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)整，成形件最小特征尺寸可達(dá)0.03 英寸；通過(guò)對(duì)控制軟件進(jìn)行研究和改進(jìn)，有效地提高了該技術(shù)的加工精度，到1999 年為止，其零件的加工精度在x 和y 方向已達(dá)0.05mm， z軸精度為0.4mm， 表面粗糙度達(dá)到6.25m。在送粉方面，通過(guò)調(diào)節(jié)送粉率，逐漸改變粉末的成分，在一個(gè)零件中實(shí)現(xiàn)了材料成分的連續(xù)變化，可進(jìn)行功能梯度材料和復(fù)合材

12、料的制造。如圖3 所示的樣件展示了sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室lens 技術(shù)的制造靈活性。 通過(guò)sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與其伙伴公司長(zhǎng)期商業(yè)化推廣，至今已推出了三代lens r裝備， 圖4所示為第三代成形機(jī)850-r， 由12kw 的光纖激光器、5 軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)式數(shù)控系統(tǒng)、雙料送粉系統(tǒng)和惰性氣體手套箱組成，能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金、不銹鋼和鎳基合金等金屬材料的快速成形，為了提高成形精度，lens r裝備集成了沉寂高度控制系統(tǒng)和熔池閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)成形過(guò)程中的熱效應(yīng)和幾何效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償， 使零件成形精度得到提高，表面粗糙度可達(dá)4.6811.7m， 沉積率為0.5kg/h。lens裝備以其技術(shù)先進(jìn)性和良好的穩(wěn)定

13、性， 在國(guó)際市場(chǎng)上已占有一定地位。圖3 lens技術(shù)成形的典型零件圖4 lens 850r成形裝備 美國(guó)are o met corp. 與john hopkins u. , penn state u. , m ts system s corp. 合作, 在 defense advanced research projects agency 及off ice of n aval research 聯(lián)合資助下, 采用14 kw 的co 2 激光器和穩(wěn)定的快速供粉系統(tǒng), 發(fā)展了鈦合金(t i-5a l-2.5sn,t i-6a l-4v ) 的柔性制造技術(shù), 其工作空間為3 m 3m1.2 m ,

14、產(chǎn)品達(dá)到近終形, 成份和力學(xué)性能均達(dá)到a stm 標(biāo)準(zhǔn)。采用該系統(tǒng)可進(jìn)行大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的快速制造, 可顯著降低制造時(shí)間及成本, 同時(shí)可制備功能梯度材料及進(jìn)行大型金屬零件的修復(fù)。stanford 大學(xué)將去除法和添加法結(jié)合在一起, 形成自己的形狀沉積制造技術(shù)(shape deposition manufacturing) , 所用材料包括成形材料和支撐材料, 所成型的零件具有很高的精度。此外, university of central florida, university of michigan, 德國(guó)的fraunhofer institute fo r product ion techno

15、 logy, university of birmingham 等在政府資助下, 研究了不銹鋼、h13 工具鋼、鎳基合金、金屬間化合物、生物陶瓷、復(fù)合材料以及功能梯度材料零件的近形制造。 圖5 dl f 方法所制316不銹鋼薄板截面組織（a）及沉積示意圖（b）5展望綜上所述, 金屬粉末的激光快速成型技術(shù)集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光熔覆、快速成型于一體, 在無(wú)需任何硬質(zhì)工模具或模型的情況下, 能快速制備出不同材料的復(fù)雜形狀零件, 縮短制造周期, 增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì), 特別有利于復(fù)雜形狀、多品種、小批量零件的生產(chǎn)。所成型零件致密度高, 具有快速凝固組織特征, 能滿(mǎn)足直接使用要求, 在航天器件、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零

16、件及武器零件的制備上具有廣闊的應(yīng)用前景。此外, 還可以通過(guò)改變成型材料, 得到不同部位由不同材料組成的零件, 與材料設(shè)計(jì)相結(jié)合, 可發(fā)展材料的智能制備系統(tǒng)。我國(guó)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、北京隆源自動(dòng)成形公司等相繼開(kāi)展了快速成型理論、工藝方法、設(shè)備、軟件、材料等方面的研究, 并在工業(yè)造型設(shè)計(jì)、新產(chǎn)品樣件制造、快速注塑模具及壓鑄模制造中得到應(yīng)用, 但采用快速成型方法直接制備致密金屬零件方面的工作還沒(méi)有真正開(kāi)展, 因此需大力加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的研究。參考文獻(xiàn)1.anonymous.laser forms and repairs workpiecesj. manufacturing engine

17、ering，2008,2.2.尚曉峰，等.激光工程化凈成形技術(shù)的研究j. 工具技術(shù)，2004,13.姜淑娟, 等. 金屬粉末激光成形過(guò)程中的閉環(huán)控制研究c.20074.abbott d h, arcella f g. laser forming titanium components j.advanced materials and processes，may 1998.5.journal of materials processing technology volume 147, issue 2, 10 april 2004, pages 167173 laser direct manufa

18、cturing of tungsten nickel collimation component摘要 laser direct manufacturing (ldm) has been intensively developed in recent years to directly and flexibly manufacture metallic components with full metal density, functions and properties, especially for some specific materials or geometry. this pape

19、r presents a project work on laser direct manufacturing a novel designed collimation component for an out-space hard x-ray modulation telescope. the research work contained the characteristics of overlap multi-pass laser cladding of tungsten or tungsten nickel alloys, microstructure analyses, techni

20、que stability of laser direct manufacturing, and the final direct manufacturing of tungsten nickel collimation component. the results proved that laser direct manufacturing could be well used to manufacture specific material and geometry component of good quality, which are very difficult or even im

21、possible by conventional manufacturing methods.激光直接制造鎢鎳準(zhǔn)直組件摘要：激光直接制造（ldm）已被深入近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的直接和靈活的制造全金屬的密度，功能和性能，特別是對(duì)一些具體的材料或幾何形狀的金屬部件。本文提出了一種激光直接制造出空間硬x射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)一種新型的準(zhǔn)直組件項(xiàng)目工作。研究工作中的特性重疊的鎢或鎢鎳合金，顯微組織分析，激光直接制造技術(shù)穩(wěn)定性，鎢鎳準(zhǔn)直組件和最終的直接制造的多道次激光熔覆。結(jié)果證明，激光直接制造，可以很好地用于制造特定的材料和幾何形狀的組件的質(zhì)量好，通過(guò)以往的制造方法這是非常困難甚至是不可能的。keywords：

22、laser direct manufacturing ， 激光直接制造 ; w/ni alloy; w / ni合金 ;collimation component ；準(zhǔn)直組件 rapid prototyping (rp) is a unique manufacturing strategy, which can produce any complex prototypes with good accuracy directly from a computer cad model without any part-specific tooling or knowledge. with the c

23、apability of adding metal properties or functions into the form of the typical prototyping process, laser direct manufacturing (ldm) has attracted intensive research interests in recent years to directly and flexibly manufacture metallic components with full metal density, functions and properties,

24、especially for some functional gradient materials, super hard materials, compounds and specific materials or geometry, which are very difficult or even impossible by conventional manufacturing methods. steen and mazumder first tested the idea of rapid prototyping by laser cladding in 1993 1 and 2, m

25、etallic components were reported to be generated by laser cladding in 1996 3, 3d components of h13 tool steel were fabricated by direct metal deposition in 1997 4, then a lot of further research work was performed in many different institutes with different names for the direct manufacturing process

26、 and great progress has been made during recent years5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 and 15. ldm is a novel layer additive manufacturing technology. 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 f

27、orm a metal clad pass. by moving the laser beam back and forth and tracing out a pattern determined by a cad, a solid metal part is built point by point, line by line and layer by layer. due to its rapid solidification characteristic, the metal part produced is of superior quality and strength. ldm

28、is the laser cladding based combined technology including lasers, powder metallurgy, cad/cam, cnc, sensors and automation control. ldm is the further development in rp and laser cladding technology, which promotes the present rp technology from the limited materials such as polymer, paper and coated

29、 powder into the versatility of numerous metals and alloys. ldm is considered to be one of the promising metalworking technologies impacting manufacturings bottom line and is a typical high-tech and greener advanced manufacturing technology. ldm can be well used for producing small batches of specif

30、ic material, specific properties and/or specific geometry valuable components, which are normally unavailable or very costly by conventional methods. this paper presents a project research work on laser direct manufacturing a novel designed specific collimation component for an out-space hard x-ray

31、modulation telescope. according to the physical requirements, the material of the collimation component should be made by high melting point and high density alloys like tungsten or tungsten alloys in order to effectively absorb the hard x-ray radiation with declining incidence from the out space. t

32、he collimation component is a thin cylinder with diameter of 191 mm, height of 300 mm and thickness of 3 mm, within which are five main ribs and 144 second ribs. with such specific material and geometry requirements, it is very difficult or even impossible to manufacture by conventional casting or w

33、elding and very costly by spark cutting. ldm offers a novel technology for this task being both cost effective and time effective. although the intersection pattern of the collimation component is not very complicated, the height of the cylinder (300 mm) and the parallelism requirement of the main r

34、ibs (2/1000) in the thin cylinder is a big challenge for manufacturing. to meet these requirements, the stability of the laser cladding and manufacturing techniques were essential. laser cladding/manufacturing is a multiple parameter process including laser power, beam diameter, scanning speed, powder feeding rate etc. the manufacturing quality relates not only to th